CN102675668A - 纳米粒子磁流变弹性体薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米粒子磁流变弹性体薄膜的制备方法，包括以下步骤：A：PDMS-铁粉混合物的制备：1)将硅胶和固化剂Dow Corning SYLGARD 184按10∶1的重量比混合，搅拌均匀后将混合物放入超声波振荡仪中振荡2分钟去泡，同时可促进其进一步混合；2)将步骤1)所得混合物与氯仿按1∶1的重量比混合，搅拌均匀后再次振荡10分钟，以确保混合物中完全无气泡；3)将四氧化三铁纳米颗粒与步骤2)中得到的混合物按1∶10的重量比混合，用玻棒搅拌1分钟确保其混合均匀；最后放入振荡仪中振荡30分钟，确保其气泡完全清除即得PDMS-铁粉混合物；B：纳米弹性体薄膜的制备。由于新型的纳米粒子磁流变弹性体薄膜在有场条件下，薄膜的弹性模量E会发生改变，因此可以用于微型磁场传感器的制做。

Description

纳米粒子磁流变弹性体薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于微型机电系统(MEMS)中的新型磁流变弹性体材料，属于微机电和磁流变材料科学领域。

背景技术

磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomer，MRE)是由高分子聚合物和铁磁性颗粒组成。混合有铁磁性颗粒的聚合物在外加磁场的作用下固化，利用磁流变效应，即铁磁性颗粒在磁场方向形成链或柱状结构，使颗粒在基体中形成有序结构。在实际应用中，主要利用其在外加磁场作用下，弹性模量改变的特性。例如，美国军方将磁流变弹性体做成发射内衬，可以降低导弹发射时冲击载荷的强度；磁流变弹性体还用于车辆悬架系统的轴衬，可以帮助汽车减震；利用磁流变弹性体制成的可调频式吸振器运用于大型建筑中，可以用来预防地震的破坏。但上述应用均是磁流变弹性体运用于宏观方面的实例。

在微观领域，磁性材料也有少量运用实例。例如，磁性材料在微流体系统中驱动被用于驱动微泵和微阀，这是利用磁性材料在磁场作用下形变的性质；磁性材料用来制作微流体系统的接口互联器，磁弹性薄膜用做磁强计的感应元件，这两例则是磁性材料磁致伸缩性质的运用。前述的几例中，均未用到磁流变弹性体材料独有的磁流变效应。除此之外，上述的磁性材料中磁性颗粒都是均匀分布在基底中，没有进行预结构化处理使磁性颗粒形成链状或柱状结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种用于微型机电系统(MEMS)中的新型磁流变弹性体材料的制备方法，即纳米粒子磁流变弹性体薄膜的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种纳米粒子磁流变弹性体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

A：PDMS-铁粉混合物的制备：

1)将硅胶和固化剂Dow Corning SYLGARD 184按10∶1的重量比混合，搅拌均匀后将混合物放入超声波振荡仪中振荡2分钟去泡，同时可促进其进一步混合；

2)将步骤1)所得混合物与氯仿按1∶1的重量比混合，搅拌均匀后再次振荡10分钟，以确保混合物中完全无气泡；

3)将四氧化三铁纳米颗粒与步骤2)中得到的混合物按1∶10的重量比混合，用玻棒搅拌1分钟确保其混合均匀；最后放入振荡仪中振荡30分钟，确保其气泡完全清除即得PDMS-铁粉混合物；

B：纳米弹性体薄膜的制备：

1)将规格为8×8mm的硅片放入30ml丙酮中，用超声波清洗仪清洗，1分钟后用烘干仪烘干；

2)用涂胶机将混合均匀无气泡的PDMS-铁粉混合物均匀涂在硅片上，涂层厚度可任意调节；

3)将制作好的样品放入100mT强磁场中2分钟，在强磁场作用下纳米铁粉颗粒会按磁场方向重新排列，形成链状结构；

4)将样品从磁场中取出，放在烘干机上150℃烘烤30分钟，烘烤温度为150度，保证PDMS凝固即得纳米弹性体薄膜。

由于新型的纳米粒子磁流变弹性体薄膜在有场条件下，薄膜的弹性模量E会发生改变，因此可以用于微型磁场传感器的制做。

附图说明

图1为将PDMS-铁粉混合物均匀涂在硅片上的示意图。

图2为在强磁场作用下纳米铁粉颗粒会按磁场方向重新排列，形成链状结构的示意图。

图3为纳米弹性体薄膜品结构示意图。

图1、图2、图3中：1、滴管；2、PDMS-铁粉混合物；3、硅基底；4、涂胶机托盘；5、纳米粒子磁流变弹性体薄膜；6、永磁铁；7、链状结构；

图4为光学显微镜下拍摄的薄膜微观结构图。在100mT外加磁场作用下，纳米粒子呈明显团簇状态，并保持方向的高度一致性。

图5为采用纳米压痕实验测得的弹性体薄膜位移-压力曲线，实验表明在外加磁场下薄膜硬度显著提高。

图6为测得弹性模量的实验数据。弹性模量不受压入深度影响，在外加100mT磁场作用下弹性模量由2.1MPa提高到22.5MPa，磁流变系数达107％。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

纳米粒子磁流变弹性薄膜的制备过程：

(1)PDMS-铁粉混合物的制备

聚二甲基硅氧烷(Polydimethylesiloxane，PDMS)是一种广泛用于微机电领域的新型聚合材料，该材料在常温下为透明弹性体，具有生物相容性，抗化学腐蚀，耐磨性好。本发明所用的PDMS由硅胶和固化剂(Dow Corning SYLGARD 184)混合而成，PDMS-铁粉混合物制作步骤如下：

1)将硅胶和固化剂(Dow Corning SYLGARD 184)按10∶1的重量比混合，搅拌均匀后将混合物放入超声波振荡仪中振荡2分钟去泡，同时可促进其进一步混合。

2)将步骤1)所得混合物与氯仿按1∶1的重量比混合，搅拌均匀后再次振荡10分钟，以确保混合物中完全无气泡。

3)将四氧化三铁纳米颗粒(20nm球型，Aladdin Chemistry CO.LTD公司生产)与步骤2)中得到的混合物按1∶10的重量比混合，用玻棒搅拌1分钟确保其混合均匀。最后放入振荡仪中振荡30分钟，确保其气泡完全清除即得PDMS-铁粉混合物。

(2)纳米弹性体薄膜的制备

1)将规格为8×8mm的硅片放入30ml丙酮中，用超声波清洗仪清洗，1分钟后用烘干仪烘干。

2)用涂胶机将混合均匀无气泡的PDMS-铁粉混合物均匀涂在硅片上，厚度可任意调节，见图1。

3)将制作好的样品放入100mT强磁场中2分钟(图2)，在强磁场作用下纳米铁粉颗粒会按磁场方向重新排列，形成链状结构。

4)将样品从磁场中取出，放在烘干机上150℃烘烤30分钟，烘烤温度为150度，保证PDMS凝固即得纳米弹性体薄膜。成品结构如图3。

5)后续试验

在光学显微镜下观测到磁流变弹性薄膜在100mT外加磁场作用下，其内部微观结构产生明显变化。四氧化三铁纳米粒子在磁场作用下呈明显的团簇现象，并保持方向的一致性。证明外加磁场对薄膜微观结构的作用明显。微观结构照片如图4。

采用纳米压痕实验测量该磁流变弹性体薄膜的位移-压力曲线，并求得不同压入深度下的材料弹性模量。实验仪器：安捷伦G200纳米压痕仪，顶部直径为100微米的圆柱形金刚石压头。实验结果表明，在外加磁场的作用下，薄膜力学性质得到显著提升。位移-压力曲线如图5。

薄膜的弹性模量不受压入深度影响，说明实验结果可信。无磁场情况下测得薄膜弹性模量平均值为1.96MPa，磁场强度为100mT和200mT时，弹性模量分别提高到20.75MPa和23.98MPa，磁流变系数分别为105％和122％。磁流变效应明显优于传统磁流变材料。弹性模量实验数据如图6。

由于新型的纳米粒子磁流变弹性体薄膜在有场条件下，薄膜的弹性模量E会发生改变，因此可以用于微型磁场传感器的制做。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种纳米粒子磁流变弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：PDMS-铁粉混合物的制备：

1)将硅胶和固化剂Dow Corning SYLGARD 184按10∶1的重量比混合，搅拌均匀后将混合物放入超声波振荡仪中振荡2分钟去泡，同时可促进其进一步混合；

2)将步骤1)所得混合物与氯仿按1∶1的重量比混合，搅拌均匀后再次振荡10分钟，以确保混合物中完全无气泡；

3)将四氧化三铁纳米颗粒与步骤2)中得到的混合物按1∶10的重量比混合，用玻棒搅拌1分钟确保其混合均匀；最后放入振荡仪中振荡30分钟，确保其气泡完全清除即得PDMS-铁粉混合物；

B：纳米弹性体薄膜的制备：

1)将规格为8×8mm的硅片放入30ml丙酮中，用超声波清洗仪清洗，1分钟后用烘干仪烘干；

2)用涂胶机将混合均匀无气泡的PDMS-铁粉混合物均匀涂在硅片上，涂层厚度可任意调节；

3)将制作好的样品放入100mT强磁场中2分钟，在强磁场作用下纳米铁粉颗粒会按磁场方向重新排列，形成链状结构；

4)将样品从磁场中取出，放在烘干机上150℃烘烤30分钟，烘烤温度为150度，保证PDMS凝固即得纳米弹性体薄膜。

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