适应变形的磁流变弹性体颗粒结构的磁场控制方法技术

本发明专利技术公开了智能材料技术领域的一种适应变形的磁流变弹性体颗粒结构的磁场控制方法。本发明专利技术基于磁流变弹性体在工作状态中的变形情况，在制备磁流变弹性体时，综合考虑影响磁场空间分布的各种因素和旋转磁场对颗粒链走向的作用，采用正交磁场组合并控制其磁场强度比例、设计极靴的形状及其相对布置方位、模具和磁流变弹性体组合为一段磁路并控制磁流变弹性体的方位、磁场干扰块干扰磁力线的分布和方向、正交旋转磁场使颗粒链偏斜等设计思路，设计固化磁场使得在磁流变弹性体内形成颗粒结构的形状预先模拟了原有制备方法中得到的直线形状颗粒链变形后的状态。本发明专利技术所述方法制备的磁流变弹性体，能够提高磁流变弹性体的性能，扩大其使用范围。

【技术实现步骤摘要】
适应变形的磁流变弹性体颗粒结构的磁场控制方法
本专利技术涉及智能材料
，具体涉及适应变形的磁流变弹性体颗粒结构的磁场控制方法。
技术介绍
磁流变弹性体是由未交联的高分子聚合物与软磁性微颗粒均匀混合后，在磁场环境中高分子聚合物交联固化而形成的一类聚合物基复合材料。高分子聚合物称为基体材料，软磁性微颗粒称为填充材料或磁性颗粒。在固化过程中，磁性颗粒在外磁场作用下被磁化并沿磁场方向有序排列，形成颗粒链结构并被固定。磁流变弹性体的制备工艺过程主要包括磁性颗粒的聚合物包覆、基体材料和磁性颗粒混合、加入催化剂和其它添加剂混合、抽真空排除空气、注入模具、施加磁场和固化条件等。根据材料特性和要求的不同，磁流变弹性体的制备工艺可以变化。磁流变弹性体由磁流变液发展而来，是磁流变液的固体模拟。磁流变弹性体结合了磁流变液场致微结构的特点和聚合物基体的弹性，并克服了磁流变液易于沉降的缺点，具有良好的环境适应性和工作稳定性。在外加磁场作用下，磁流变弹性体的力学性能随磁场强度变化而发生改变，而且具有响应速度快、变化可逆等优点，可以广泛应用于智能执行机构、减振吸震等领域。磁流变弹性体在固化时需要外加磁场以形成颗粒结构，这种磁场称为固化磁场。在工作状态下需要外加磁场以控制磁流变弹性体的性能，这种磁场称为工作磁场。这两种磁场对磁流变弹性体的输出特性都具有重要影响。目前在磁流变弹性体的制备和工作过程中，固化磁场和工作磁场均采用匀强磁场，而且固化磁场和工作磁场的方向平行。在工作磁场的作用下，磁流变弹性体的弹性模量得到提高。无磁场作用时磁流变弹性体的弹性模量称为基础弹性模量。工作磁场作用时磁流变弹性体的弹性模量与基础弹性模量之差称为场致弹性模量。场致弹性模量与基础弹性模量之比称为磁流变弹性体的弹性模量相对变化率。目前的研究都是致力于提高磁流变弹性体的场致弹性模量或弹性模量相对变化率，但由于这些指标不能完全满足实际工作要求，因此磁流变弹性体尚未进入规模化应用。
技术实现思路
本专利技术基于对磁流变弹性体在工作状态下的变形和磁性颗粒间磁致力的分析，提出以控制固化磁场的特性参数的方法，使磁流变弹性体内形成与变形相适应的颗粒结构形式，提高磁流变弹性体的性能。本专利技术中所述工作状态下的变形是指磁流变弹性体在制备完成后，应用在工作机构中的变形。磁流变弹性体在工作状态中的变形可以是剪切、拉压、扭转、弯曲变形，也可以是几种变形状态的组合。常规制备工艺得到的磁流变弹性体内的颗粒链为直线形状，当磁流变弹性体产生不同的变形时，其内部颗粒链的变形趋势如下：当磁流变弹性体受到剪切时，颗粒链产生倾斜；当磁流变弹性体产生拉压变形时，颗粒链会产生对称弯曲，拉伸时颗粒链内凹，压缩时颗粒链外凸；扭转变形的磁流变弹性体内的颗粒链会被扭转成螺旋状；弯曲变形的磁流变弹性体内的颗粒链会产生平行弯曲。本专利技术基于磁流变弹性体在工作状态中的变形情况，综合考虑激励磁场源的磁势、极靴的形状和布置方位、模具和磁场干扰块的磁导率和形状对磁力线走向和分布的影响规律，以及动态磁场对颗粒链走向趋势的作用、固化磁场作用下颗粒形成颗粒链引起的磁导率的各向异性等因素的影响，设计固化磁场控制颗粒链的走向及分布，使得在磁流变弹性体内形成颗粒结构的形状预先模拟了常规制备工艺得到的直线形状的颗粒链变形后的状态。磁场源可以由电磁线圈产生，也可以用永磁体产生。对于工作状态为柱面剪切的磁流变弹性体，可以使用径向和轴向两个方向正交的磁场组合形成固化磁场，使得磁流变弹性体内磁力线的方向不与剪切面的法向一致，而是形成一定夹角。由此固化形成的磁流变弹性体内形成的颗粒链与剪切面的法向形成一定夹角，与柱面剪切状态相适应。对于工作状态为平面剪切的磁流变弹性体，可以使用方向分别与为剪切面垂直和平行的两个正交磁场组合形成固化磁场。也可以将模具和磁流变弹性体组合为一段磁路，在此磁路中磁流变弹性体剪切面的法向与固化磁场方向形成一定夹角。由此制备的磁流变弹性体内形成的颗粒结构为倾斜的颗粒链，与平面剪切的工作状态相适应。对于工作状态为拉压的磁流变弹性体，可以通过设计磁路中极靴的形状，并将模具和磁流变弹性体组合为一段磁路，使得在磁流变弹性体的固化区域，形成弯曲的磁力线。也可以在磁流变弹性体的外围放入具有良好导磁特性的磁场干扰块，改变磁力线的方向并使之发生弯曲变形。由此制备的磁流变弹性体内部的弯曲颗粒链在同一剖面内基本为对称形状，与拉压工作状态相适应。对于工作状态为弯曲的磁流变弹性体，可以将模具和磁流变弹性体组合为一段弯曲的磁路，从而在磁流变弹性体的固化区域形成相互平行且弯曲的磁力线。由此制备的磁流变弹性体内部颗粒链是弯曲的，且走向基本平行，与弯曲工作状态相适应。对于工作状态为扭转的磁流变弹性体，如果磁流变弹性体为柱状体或空心较小，可以用轴向磁场和垂直于轴向的旋转径向磁场相结合，两种磁场共同作用的结果将在磁流变弹性体内形成螺旋线走向的颗粒链，如果磁流变弹性体为空心较大的筒状体，可以用轴向和周向两个方向正交的磁场，合并为磁力线为螺旋状的磁场，从而在磁流变弹性体内形成螺旋线走向的颗粒链。颗粒链为螺旋状的磁流变弹性体与扭转工作状态相适应。当磁流变弹性体的变形状态为以上几种状态的组合时，可以将上述设计固化磁场的方法进行组合，使颗粒链的形状和分布与其工作状态相适应。本专利技术所述方法制备的磁流变弹性体，由于其内部的颗粒结构模拟了变形状态，当有工作磁场作用于磁流变弹性体上时，即使没有磁流变弹性体的预变形，也能产生磁致输出力或磁致输出变形。当磁流变弹性体存在一定的变形时，磁致输出力或磁致输出变形也将有较大提高。因此本专利技术所述方法制备的磁流变弹性体，能够提高磁流变弹性体的性能，扩大其使用范围。附图说明图1为制备工作状态为柱面剪切的磁流变弹性体时，以磁场控制颗粒结构的制备装置图。图2为采用组合磁场制备工作状态为平面剪切的磁流变弹性体时，以磁场控制颗粒结构的制备装置图。图3为采用相对倾斜磁场制备工作状态为平面剪切的磁流变弹性体时，以磁场控制颗粒结构的制备装置图。图4为采用外锥形极靴的磁极，制备工作状态为拉压的磁流变弹性体时，以磁场控制颗粒结构的制备装置图。图5为采用含有内锥孔极靴的磁极，制备工作状态为拉压的磁流变弹性体时，以磁场控制颗粒结构的制备装置图。图6为采用外表面为外凸曲面的筒状导磁体干扰体，制备工作状态为拉压的磁流变弹性体时，以磁场控制颗粒结构的制备装置图。图7为采用外表面为内凹曲面的筒状导磁体干扰体，制备工作状态为拉压的磁流变弹性体时，以磁场控制颗粒结构的制备装置图。图8为制备工作状态为弯曲的磁流变弹性体时，以磁场控制颗粒结构的制备装置图。图9为采用轴向和周向磁场组合，制备工作状态为扭转的磁流变弹性体时，以磁场控制颗粒结构的制备装置图。图10为采用轴向和旋转径向磁场组合，制备工作状态为扭转的磁流变弹性体时，以磁场控制颗粒结构的制备装置图。具体实施方式本专利技术基于磁流变弹性体在工作状态中的变形情况，在制备磁流变弹性体时，根据磁场的空间分布规律，综合考虑激励磁场源的磁势、极靴的形状和布置方位、模具和磁场干扰块的磁导率和形状对磁力线走向和分布的影响，旋转磁场对颗粒链的走向的作用、颗粒形成颗粒链后磁流变弹性体磁导率的各向异性等影响因素，采用正交磁场组合并控制其磁场强度比例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适应变形的磁流变弹性体颗粒结构的磁场控制方法，其特征在于：基于磁流变弹性体在工作状态中的变形情况，在制备磁流变弹性体时，根据磁场的空间分布规律，综合考虑激励磁场源的磁势、极靴的形状和布置方位、模具和磁场干扰块的磁导率和形状对磁力线走向和分布的影响，旋转磁场对颗粒链的走向的作用、颗粒形成颗粒链后磁流变弹性体磁导率的各向异性等影响因素，采用正交磁场组合并控制其磁场强度比例、设计极靴的形状及其相对布置方位、模具和磁流变弹性体组合为一段磁路并控制磁流变弹性体的方位、磁场干扰块干扰磁力线的分布和方向、正交旋转磁场使颗粒链偏斜的设计思路，设计固化磁场控制颗粒链的走向及分布，使得在磁流变弹性体内形成颗粒结构的形状预先模拟了原有制备方法中得到的直线形状颗粒链变形后的状态。

【技术特征摘要】
1.一种适应变形的磁流变弹性体颗粒结构的磁场控制方法，其特征在于：基于磁流变弹性体在工作状态中的变形情况，在制备磁流变弹性体时，根据磁场的空间分布规律，综合考虑激励磁场源的磁势、极靴的形状和布置方位、模具和磁场干扰块的磁导率和形状对磁力线走向和分布的影响，旋转磁场对颗粒链的走向的作用、颗粒形成颗粒链后磁流变弹性体磁导率的各向异性，采用正交磁场组合并控制其磁场强度比例、设计极靴的形状及其相对布置方位、模具和磁流变弹性体组合为一段磁路并控制磁流变弹性体的方位、磁场干扰块干扰磁力线的分布和方向、正交旋转磁场使颗粒链偏斜的设计思路，设计固化磁场控制颗粒链的走向及分布，使得在磁流变弹性体内形成颗粒结构的形状预先模拟了常规制备工艺得到的直线形状颗粒链变形后的状态。2.根据权利要求1所述的适应变形的磁流变弹性体颗粒结构的磁场控制方法，其特征在于：针对工作状态为柱面剪切的磁流变弹性体，使用径向和轴向两个方向磁场进行组合形成固化磁场，通过控制径向和轴向两个方向磁场强度的比例控制颗粒链走向与径向的夹角。3.根据权利要求1所述的适应变形的磁流变弹性体颗粒结构的磁场控制方法，其特征在于：针对工作状态为平面剪切的磁流变弹性体，使用垂向和横向两个方向正交的磁场组合成固化磁场，通过控制垂向和横向两个方向磁场强度的比例控制颗粒链走向与剪切面法向的夹角。4.根据权利要求1所述的适应变形的磁流变弹性体颗粒结构的磁场控制方法，其特征在于：针对工作状态为平面剪切的磁流变弹性体，在制备时设计磁流变弹性体和模具共同组成一段磁路，且磁流变弹性体在模具中的方位使磁场方向与剪切面法向形成一定夹角，通过改变模具结构控制磁场方向与剪切面法向间的夹角。5.根据权利要求1所述的适应变形的磁流变弹性体颗粒结构的磁场控制方法，其特征在于：针对工作状态的变形方式是拉压变形的磁流变弹性体，设计磁极的极靴为锥形体，并设计磁流变弹性体和模具共同组成一段磁路，在磁流...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱绪力，滕桂荣，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37