文章编号: 1001-9731( 2013) 09-1277-04

磁流变弹性体的厚度对其力学性能的影响*

浮 洁1，居本祥1，余 淼1，郑 星1，杨 其2

( 1． 重庆大学 光电工程学院传感和仪器技术研究中心，重庆 400044;

2． 四川大学 高分子材料工程国家重点实验室，四川 成都 610065)

摘 要: 磁流变弹性体在变刚度变阻尼的隔振或吸振系统中具有广阔的应用前景，材料厚度是影响结构优化和减振效果的重要因素。为了研究材料厚度对磁流变弹性体力学性能影响，制备了同一组分不同厚度的 4 种试样，采用流变仪对磁流变弹性体在不同磁场、应变、频率下的动态力学性能进行表征。通过对测试结果的处理与分析，得到了磁流变弹性体材料厚度与力学性能之间的变化关系，为磁流变弹性体装置的优化设计提供依据。关键词: 磁流变弹性体; 剪切储能模量; 磁流变效应;

损耗因子

中图分类号: O631 文献标识码: ADOI: 10． 3969 / j． issn． 1001-9731． 2013． 09． 015

1 引 言

磁 流 变 弹 性 体 ( magnetorheological elastomer，MRE) 是磁流变家族中的新成员，与磁流变液一样同样

具有在磁场作用下流变特性可以发生连续、迅速、可逆

的变化［1］。但其克服了磁流变液团聚和沉降稳定性

差，以及需要在密封状态下工作的缺点［2］，因此受到了

相关研究人员的青睐。为了研制出适合于工程应用的高性能磁流变弹性

体，多种对磁流变弹性体性能产生影响的因素得到了

相应的研究。Demchuk 研究了颗粒粒径对磁流变弹性

体性能的影响，发现含有颗粒越大的磁流变弹性体磁

流变效应越高［3］。Stenberg 等采用不同形状的磁性颗

粒制备了不同的磁流变弹性体样品，并研究了颗粒形

状对材料性能的影响，结果显示使用不规则的磁性颗

粒在无场条件下制备的材料其绝对磁流变效应较为明

显［4］。姚静静通过非离子表面活性剂对铁磁性颗粒进

行修饰，表明表面活性剂促进了颗粒与基体的融合，有

利于提高磁流变效应［5］。陈琳发现白炭黑的掺杂具有

提高磁流变弹性体的机械性能，以及降低阻尼的作

用［6］。张玮制备了夹杂型磁流变弹性体，其综合性能

相比于传统的磁流变弹性体有着很大的提高［7］。因

此，针对于不同的因素对磁流变弹性体性能的影响是

国内外磁流变弹性体材料领域研究的热点。另外，在

磁流变弹性体隔振与吸振器件的设计中，磁流变弹性

体的厚度直接影响器件的结构优化，因而需对磁流变

弹性体厚度的影响进行研究。Faramarz 使用硅橡胶制

备不同厚度的磁流变弹性体样品，在剪切及压缩模式

下对磁流变弹性体的力学性能进行测试，表明模量的

变化主要依赖于羰基铁粉含量和磁场强度，并且压缩

模式下的磁流变弹性体的磁致可控性要好于剪切模

式［8］。本文利用硅橡胶基体制备厚度不同的磁流变弹性

体试样，通过磁流变材料测试仪( 流变仪) 对磁流变弹

性体性能进行表征，并分析了试样厚度的不同对磁流

变弹性体性能的影响，为磁流变弹性体在磁功能性器

件应用优化设计中提供参考。

2 磁流变弹性体试样的制备

使用双组分室温硫化硅橡胶( 型号: SC-2110，北

京三辰化工有限公司) 作为基 体，羰 基 铁 粉 ( 牌 号:

CN，BASF 公司) 作为填充颗粒，二甲基硅油 ( 粘度:

500cp，天津市恒兴化学试剂制造有限公司) 为增塑剂

制备磁流变弹性体试样。李剑锋已经证明了有场条件

下制备的磁流变弹性体具有更高的剪切储能模量绝对

与相对变化量( 磁流变效应) ［9］。因此本文采用在有

场条件下制备磁流变弹性体，制备磁场的大小通过调

节两块 NdFeB 永磁体的间距实现，装置的原理如图 1所示。

在试样的制备过程中，首先将羰基铁粉与增塑剂

充分搅拌均匀，再加入到流体状的双组分室温硫化硅

橡胶( AB 组分按质量比 10 ∶ 1 混合) 中，将混合物均

匀搅拌后放入真空干燥箱中，在真空状态下滤除混合

物中的空气泡，然后把混合物注入铝合金定型模具中，

放入图 1 所示的两块 NdFeB 永磁体之间历经约 24h 常

温固化，便可制备出磁流变弹性体试样。制备的磁流

变弹性体试样的组分质量比为羰基铁粉 70% ( 质量分

7721浮 洁 等: 磁流变弹性体的厚度对其力学性能的影响

* 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51073179，50830202) ; 中央高校基本科研业务费科研专项自然科学类资助项目( CD-JZR10120005) ; 科技部国家科技支撑计划资助项目( 2012BAF06B04) ; 四川大学高分子材料工程国家重点实验室开放课题基金资助项目( KF201105)

收到初稿日期: 2012-11-05 收到修改稿日期: 2013-01-08 通讯作者: 余 淼作者简介: 浮 洁 ( 1980 － ) ，女，河南新乡人，讲师，从事智能控制及系统研究。

数) ，硅橡胶 20% ( 质量分数) ，硅油 10% ( 质量分数) 。另外，试样固化过程中磁感应强度为 0． 7T，试样为圆

形样片，直径为 20mm，厚度分别为 1、2、3 和 4mm。

图 1 磁流变弹性体有场制备装置Fig 1 Preparation device of MRE under magnetic field

通过 KEYENCE VHX-600 数码显微镜对制备的 4种磁流变弹性体进行微观结构的拍摄 ( 放大倍数为

500 倍) ，微观结构照片如图 2 所示。可以明显看出 4 种磁流变弹性体试样内部填充颗

粒分布均呈现链状结构( 箭头表示链状结构的方向) ，

表明在 1 ～ 4mm 厚度的试样范围内，对在同一磁场下( 0． 7T) 制备磁流变弹性体时，磁场仍具有较强的穿透

能力，即在磁流变弹性体固化过程中，1 ～ 4mm 试样的

内部颗粒由于磁场力的作用，克服了基体的阻碍作用，

颗粒的位置进行了重新分布与排列。

3 实验测试系统

使用 Anton paar 高级流变仪( 型号: MCR301) 对磁

流变弹性体试样的力学性能进行表征，通过配备的磁

流变测试模块( MRD) 实现在有场条件下对试样的动

态力学性能的测试，磁流变测试模块的原理图如图 3所示。

图 2 磁流变弹性体试样微观结构Fig 2 Microstructures of MRE samples

图 3 磁流变弹性体力学性能测试模块原理图Fig 3 The test module schematic of MRE mechanical

properties磁流变弹性体的动态力学性能测试在振荡剪切模

式下进行，平行板转子与空气轴承相连接，可实现在不

同应变、不同频率条件下对试样进行测试。磁场由

MRD 模块下方的电磁场产生，并均匀垂直穿过测试试

样。水浴可起到对励磁线圈降温以及设定试样测试温

度的作用，本文实验在常温下进行测试。

4 结果及讨论

本文使用配备磁流变模块的流变仪对磁流变弹性

体试样进行振荡剪切模式下的动态力学性能测试，研

究磁场、应变以及频率的变化对不同厚度磁流变弹性

体力学性能的影响。不同厚度试样的剪切储能模量与

磁场之间关系如图 4 所示。测试条件为磁场变化范围

0 ～ 0． 4T，频率 10Hz，应变 0． 1%。

8721 2013 年第 9 期( 44) 卷

在室温的测试条件下，不同厚度的试样剪切储能

模量都随着测试磁场的增强不断变大。龚兴龙等提出

了磁流变弹性体内部颗粒与基体之间会形成聚集结

构，其中部分基体被填充颗粒包覆［10］。因此，随着测

试磁场的增加，颗粒之间的相互作用力将不断地增强，

被包覆的基体被周边的颗粒包裹得更加紧密，受到更

大力的作用，导致模量会随颗粒相互作用力增强而增

大，从而宏观表现为不同厚度磁流变弹性体随着在测

试磁场增加的条件下，剪切储能模量不断增大。磁致

剪切模量与磁流变效应是衡量磁流变弹性体性能的重

要参数，根据图 4 的结果计算如图 5 所示。

图 4 剪切储能模量与磁场关系Fig 4 The relationship of shear storage modulus and mag-

netic field

图 5 磁致剪切模量与磁流变效应Fig 5 Magneto-induced shear modulus and MR effect

从图 5 明显看出，样品的厚度对磁流变弹性体的

磁致模量和磁流变效应都有一定的影响。当样品的厚

度为 1mm 时，磁致模量和磁流变效应都为最低，随着

样品厚度的增加磁致模量出现了一定的上升，由于磁

流变效应受到了初始零场模量的影响，出现了先上升

后下降的趋势。由图 2 可知，本文试样的内部颗粒形

成有序结构，其简化模型如图 6 所示。

图 6 颗粒的有序结构模型Fig 6 The ordered structure model of the particles试样都是在同一的有场条件下制备的。在外磁场

的作用下，磁流变弹性体中每一个颗粒被外加磁场磁化的同时，自身也会产生一个极化场对其它颗粒产生影响。此时，一点的磁场包括外加磁场、颗粒在外加磁场作用下磁化后产生的极化场，这两个磁场将共同作

用对颗粒产生耦合效果，如式( 1) 所示:

Hi

→= H0

→+ 2∑

j≠iHj

→( 1)

其中，Hi

→为 i 处颗粒的磁场，H→ 0 为外磁场，Hj

→为颗

粒极化场。当颗粒链长度越长时，产生的极化场也越

大，i 处颗粒的总的磁场也就越强。因此，在有场固化

过程中，厚度较大的试样内部具有较多的长链结构，从

而颗粒受到较强的磁场作用，相互间的作用力也相应

变大，内部颗粒与基体之间形成的聚集结构也就越紧

凑，出现随着厚度的增加，模量出现增大的趋势，但随

着厚度继续增加，对制备磁场的穿透能力起到一定的

抑制作用，阻碍了长链结构的继续生成，导致在厚度较

高的试样具有相近的剪切储能模量。这对磁流变弹性

体变刚度器件的优化设计提供了参考。应变是磁流变弹性体性能的另外一个重要的影响

因素，为了研究应变对不同厚度磁流变弹性体力学性

能的影响，本文对磁流变弹性体进行应变扫描测试。测试条件为频率 10Hz，磁感应强度 0T，应变从 0． 1%～10%。图 7 显示了不同厚度试样的剪切储能模量与

应变的关系。

图 7 剪切储能模量与应变的关系Fig 7 The relationship of shear storage modulus and strain

amplitude从图 7 可看出，不同厚度的试样的剪切储能模量

都随着应变幅值的增加而减小，当应变幅值 ＞ 4% 时，

应变对试样剪切储能模量的影响大幅减弱，但当应变

幅值在 2%以内，应变对不同厚度试样的剪切储能模

量都具有显著的影响。根据文献［10］提出的试样内

部颗粒与部分基体形成聚集结构，当应变的幅值不断

地增大，颗粒之间的间距被拉大，基体和颗粒之间就产

生了相对移动，部分聚集结构在应变幅值增大的过程

中受到了破坏，一部分被包覆的基体又变成了自由基

体，导致了试样剪切储能模量的下降，随着应变幅值的

继续增大，颗粒与基体之间的聚集结构基本被破坏，因

此应变对剪切储能模量的影响大幅减弱。另外，在相

同测试应变幅值条件下，应变对于偏厚的样品影响更

为显著，如图 7 中，3 与 4mm 的样品对应变的影响较 1和 2mm 的试样更敏感，尤其是 3mm 试样，从应变扫描

开始 到 应 变 幅 值 为 4% 时，剪 切 储 能 模 量 衰 减 了94． 3%，其它试样的剪切模量也分别衰减了 74． 4%( 1mm) 、88． 4% ( 2mm) 和 84． 1% ( 4mm) 。

9721浮 洁 等: 磁流变弹性体的厚度对其力学性能的影响

测试频率是磁流变弹性体性能的又一个重要的影

响因素，为了研究频率对于不同厚度的磁流变弹性体

试样性能的影响，利用高级流变仪对试样进行频率扫

描测试，测试条件为应变 1%，磁场 0T，频率 1 ～ 40Hz，步长为 1Hz。图 8 即为不同厚度试样的剪切储能模量

与频率变化的关系。

图 8 剪切储能模量与频率的关系Fig 8 The relationship of shear storage modulus and fre-

quency不同厚度试样的剪切储能模量总体上呈现随着测

试频率的增加而增大的趋势，这是由于磁流变弹性体

的基体是由具有粘弹性的高分子聚合物构成，这种粘

弹性材料具有温度与频率相关的特性，即温度与频率

之间存在着等效关系，即高温与低频的影响等效［11］。因此，在频率的影响下，磁流变弹性体试样的剪切储能

模量会随着测试频率的增加而增大。另外，在扫频的

过程中，当测试频率与试样内部颗粒与基体形成的聚

集结构的固有频率相近时，将发生类似于共振的现象，

导致聚集结构在此频率点附近部分被破坏，从而出现

在扫频过程中模量在一定频率段下降的情况。磁流变弹性体的阻尼特性，也即能量耗散能力，可

以用损耗因子来加以表征［12］。测试条件为磁场变化

范围 0 ～ 0． 4T，频率 10Hz，应变 0． 1%。图 9 显示了不

同厚度的磁流变弹性体试样的损耗因子与磁场的关

系。

图 9 试样损耗因子与磁场的关系

Fig 9 The relationship of loss factor and magnetic field在磁场扫描过程中，损耗因子都出现了下降的趋

势。因为磁场在增加的同时，试样内部颗粒受到磁场

力的作用，导致颗粒之间的相互作用力的增强，聚集结

构就变得更加紧密。陈琳通过实验表明磁流变弹性体

的阻尼特性主要来自基体与颗粒之间的相对滑移［13］。因此，在磁场作用下，基体与颗粒之间的相对滑移量减

少，能量的损耗减少，导致损耗因子随磁场的增加而减

小。但不同厚度的试样在磁场作用下绝对改变量分别

为 0． 04、0． 07、0． 03、0． 04，表明磁场对损耗因子的衰减

能力有限。所以，在振动应用中，可以将磁流变弹性体

在磁场作用下作为单一的变刚度元件加以控制。另

外，如图 9 所示，随着试样厚度的增加，磁流变弹性体

损耗因子呈现了整体小幅上升的趋势，由于在同等的

有场制备条件下，随试样厚度的增加，长链的数量有所

增加，在受到磁场及一定应变作用下，导致颗粒与基体

间的滑移而产生的内摩擦耗能增加，出现了随着厚度

增加，损耗因子小幅上升的趋势。

5 结 论

制备了不同厚度的磁流变弹性体试样，研究了不

同磁场、应变以及频率对不同厚度磁流变弹性体试样

的动态力学性能的影响。其中，不同厚度的磁流变弹

性体试样剪切储能模量都随着外磁场的增强而不断增

大。另外，随着试样厚度的增加，剪切储能模量出现整

体增大的趋势，磁流变效应出现了先上升后下降的趋

势; 在应变及频率的影响下，不同厚度的试样具有相似

的变化趋势; 在外磁场的作用下，磁流变弹性体的阻尼

性能随着厚度的增加呈现小幅上升。

参考文献:

［1］ David Carlson J，Jolly M R． MR fluid，foam and elastomerdevices［J］． Mechatronics，2000，10: 555-569．

［2］ 王建晓，孟 光． 磁流变弹性体研究进展［J］． 功能材料，2006，37( 5) : 706-708．

［3］ Demchuk S A，Kuzmin V A． Viscoelastic properties of mag-netorheological elastomers in the regime of dynamic deforma-tion［J］． Journal of Engineering Physics and Thermophysics ，2002，75( 2) : 396-400．

［4］ Lokander M，Stenberg B． Improving the magnetorheologicaleffect in isotropic magnetorheological rubber materials ［J］．Polymer Testing，2003，22: 677-680．

［5］ 姚静静，江万权，龚兴龙． 非离子表面活性剂修饰对磁流变弹性体磁流变效应的影响［J］． 中国科学技术大学学报，2008，38( 6) : 609-613．

［6］ Chen Lin，Gong Xinglong，Li Weihua． Effect of carbonblack on the mechanical performances of magnetorheologicalelastomers［J］． Polymer Testing，2008，27: 340-345．

［7］ Zhang Wei，Gong Xinglong，Xuan Shouhu． High-perform-ance hybrid magnetorheological materials: preparation andmechanical properties［J］． Industrial ＆ Engineering Chemis-try Research，2010，49: 12471-12476．

［8］ Faramarz G，WANG Xiaojie，Praveen M． Behavior of thickmagnetorheological elastomers［J］． Journal of Intelligent Ma-terial Systems and Structures，2012，23( 9) : 1033-1039．

［9］ Li Jianfeng，Gong Xinglong，Xu Zhenbang，et al． The effectof pre-structure process on magnetorheological elastomer per-formance［J］． International Journal of Materials Research，2008，99: 1358-1364．

( 下转第 1284 页)

0821 2013 年第 9 期( 44) 卷

［3］ Yamamura T，Hurushima T，Kimoto M，et al． Development ofnew continuous Si-Ti-C-O fiber with high mechanicalstrength and heat-resistance［J］． Materials Science Mono-graphs，1987，38A: 737-746．

［4］ Yamamura T，Iahikawa T，Shibuya M． Electromagnetic waveabsorbing materials ［P］． Japan: AN 1989: 575670，1989．

［5］ 王 军，陈 革，宋永才，等． 含镍碳化硅纤维的制备及

其电磁性能Ⅱ． 含镍碳化硅纤维的电磁性能［J］． 功能材

料，2001，32( 1) : 37-39．［6］ 陈志彦，王 军，李效东． 连续含铁碳化硅纤维 2 ～ 18GHz

频段雷达波吸收性能探索［J］． 功能材料，2010，41( 4) :

574-577．

［7］ Chen Z Y，Li X D，Wang J． Preparation and surface depth a-nalysis of continuous Si-Fe-C-O functional ceramic fibers［J］． Journal of Inorganic Materials，2006，21( 1) : 103-108．

［8］ Chen Z Y，Li X D，Wang J，et al． Preparation of continuousSi-Fe-C-O functional ceramic fibers［J］． Transactions ofNonferrous Metals Society of China，2007，17( 5) : 987-991．

［9］ 陈江溪． 碳化硅基陶瓷纤维用有机硅高分子的合成与表

征［D］． 厦门: 厦门大学，2007．［10］ Chen X Y，Chen L F． Iron nanoparticle-containing silicon

carbide fibers prepared by pyrolysis of Fe ( CO ) 5 -dopedpolycarbosilane fibers［J］． Journal of the American CeramicSociety，2010，93( 1) : 89-95．

Microstructure of iron-containing SiC fibers sintered at 1800℃TANG Xue-yuan，DING Ma-tai，CHEN Li-fu

( Advanced Materials Laboratory，College of Materials，Xiamen University，Xiamen 361005，China)

Abstract: Iron-containing SiC fibers were prepared using iron pentacarbonyl ［Fe ( CO) 5］as the iron source，then sin-tered at 1800℃ ． The microstructure and the element of the sintered fibers were characterized by TEM-EDS． Resultsshow that the sintered fibers consist of crystalline regions ( compact regions) and amorphous regions ( loose regions) ． Thecrystalline regions are composed of SiC and Fe，while the amorphous regions are made up of free C and SiCxOy phase．After sintered at high temperature of 1800℃，densification of the SiC fibers was promoted for the presence of Fe．Key words: iron-containing SiC fibers; microstructure;

檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱sintered

( 上接第 1280 页)［10］ Fan Yanceng，Gong Xinglong，Xuan Shouhu，et al． Inter-

facial friction damping properties in magnetorheological e-lastomers［J］． Smart Materials and Structures，2011，20:

035007．［11］ 刘棣华． 粘弹阻尼减振降噪应用技术［M］． 北京: 宇航

出版社，1990．

［12］ Ju Benxiang，Yu Miao，Fu Jie，et al． A novel porous mag-netorheological elastomer: preparation and evaluation［J］．Smart Materials and Structures，2012，21: 035001．

［13］ Chen Lin，Gong Xinglong，Li Weihua． Damping of Magne-torheological Elastomers［J］． Chinese Journal of ChemicalPhysics，2008，21( 6) : 581-585．

Influence of thickness of the sample on the mechanical propertiesof magnetorheological elastomers

FU Jie1，JU Ben-xiang1，YU Miao1，ZHENG Xing1，YANG Qi2

( 1． Research Center of Sensing and Instrumentation Technologies，Chongqing University，Chongqing 400044，China;

2． State Key Laboratory of Polymer Materials Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Abstract: MRE has been successfully applied to the variable stiffness vibration isolation and vibration absorption device，

the thickness of MRE is one of the important factors affecting the device performance． In order to study influence ofthickness of the sample on the mechanical properties of MRE，four samples were prepared with different thicknesses． Thedynamic mechanical properties of MRE were characterized by rheometer under different magnetic field，strain amplitudeand frequency． The relationship between the thickness and mechanical properties of MRE samples was obtained throughprocessing and analysis of test results． This study can provide a reference for the optimal design of MRE device．Key words: mgnetorheological elastomer; shear storage modulus; MR effect; loss factor

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