CN107972216A - 基于多场耦合作用的磁流变弹性体一体成型装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于多场耦合作用的磁流变弹性体一体成型装置，属于材料科学与仪器仪表技术领域，该装置包括：由电磁感应加热圈和耐热合金棒组成的加热模块，由两套正交磁架、通电线圈组成的加磁模块，以及由外置压力机和压杆组成的加压模块。本发明将装有原料的模具置于保温炉内，在材料制备的不同阶段，通过控制各模块的参数提供不同的热磁力耦合场，可以连续完成磁流变弹性体制备的预结构化和固化成型过程。本发明结构紧凑，耦合场实现方式巧妙，可以简化磁流变弹性体制备过程，也可以为其他材料的制备合成提供多场环境，还可以为有关试验提供螺旋磁场和万向磁场条件。
Description
技术领域
本发明涉及材料科学和仪器仪表技术领域，具体涉及一种磁流变弹性体材料一体成型装置。
背景技术
磁流变弹性体是将微米级的铁磁性颗粒掺入到高分子聚合物中，在磁场环境下固化，从而基体内的颗粒具有链或柱状结构。这种材料的弹性模量可随外加磁场强度而变化，与普通磁流变液相比，其不但具有可控性、可逆性、响应迅速等高技术特征，还具有稳定性好等独特的优点，在减振、降噪和智能控制等方面有着广阔的应用前景。磁流变弹性体的制备过程一般包括混料、预结构化和固化成型等步骤。现行的磁流变弹性体制备核心设备是热磁耦合装置，它一般由永磁铁或通电螺线圈提供平行磁场并由加热板提供温度场。这种装置只考虑热、磁在材料制备过程中的作用，而忽略了力对材料制备效果的影响；装置只能应用在材料预结构化阶段，之后还要转移到平板硫化机上进行固化，过程繁琐且不连续，增加了一些不利的影响因素；另外，由于磁流变弹性体在工程应用中主要承受拉压、剪切和扭转等载荷作用形式，现有的装置只能在预结构化阶段提供单向平行磁场，所得到的微观链状结构无法与复杂的应用环境相适应。
发明内容
本发明为了解决上述热磁耦合装置存在的问题，提出了一种基于热磁力耦合作用的磁流变弹性体一体成型装置，以简化磁流变弹性体制备过程，提高材料的制备效果，并增加磁流变弹性体的工程应用范围。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于多场耦合作用的磁流变弹性体一体成型装置，包括加热模块、加磁模块、加压模块、隔热密封结构以及相关检测控制装置，它们的结构通过壳体封装在一起，热磁力耦合作用效果通过模具周围的4根杆件实现。将装有磁流变弹性体原料混合物的模具置于保温炉正中位置，在不同的制备阶段，通过控制装置各模块提供不同的温度场、磁场和压力场，可以连续完成磁流变弹性体制备的预结构化和固化成型过程，得到高质量的成品。
所述的加热模块包括耐热合金棒、电磁感应加热圈、工频感应电源、连接件和杆件Ⅳ，通电的电磁感应加热圈加热耐热合金棒，并将热量通过杆件Ⅳ传递给模具，以提供适宜的温度。连接件为不导磁金属材料，用于连接耐热合金棒和杆件Ⅳ，并隔绝电磁感应加热圈产生的磁场，避免对模具周围的磁场产生干扰。相对于电阻加热、气液体介质加热，采用电磁加热更直接、更高效，而且这种非接触的加热方式还解决了静态热源给运动设备供热的问题。
所述的加磁模块包括励磁电源、2个完全相同的磁架及绕在其上的螺线圈、4根杆件、电机与小带轮以及1对圆锥滚柱轴承，每个磁架分别与2根杆件构成闭合的磁通路，并且两磁架正交放置。当横向、竖向磁场螺线圈通电且模具和杆件在带轮的带动下旋转时，可以产生螺旋磁场，而控制2个磁架上通电螺线圈的电流值以及小带轮带动杆件Ⅳ和模具旋转的角度值，可以在模具内产生不同方向的平行磁场，也即万向磁场，这些磁场的应用丰富了磁流变弹性体制成品的微观链状结构。
所述的加压模块包括外置压力机、杆件Ⅱ和止推滚珠轴承，整个装置正上方的压力机产生的压力通过杆件Ⅱ加载在模具上模上，止推滚珠轴承和加磁装置中的1对圆锥滚子轴承用于实现模具和压杆Ⅱ、Ⅳ在承受压力的情况下还能够转动，压力机用于在磁流变弹性体的不同制备阶段施加不同大小的载荷。
所述的隔热密封结构包括绝热材料、保温炉、以及由O形密封圈、垫片和旋塞组成的密封装置，磁架和杆件之间还留有圆环形缝隙，避免接触传热。这些设计一方面可以减少散热，保证模具内维持一个稳定的温度值，另一方面可以降低传热，避免炉内温度对通电线圈的影响以及通电线圈的产热对模具内温度的干扰。
所述的检测控制装置包括热电偶、速度传感器、压力机的力传感器等，根据它们反馈的结果调整相应的电源电流、电机转速、压力机的压力值以满足制备条件。
本发明的有益效果是：采用模块化设计，结构紧凑，热磁力场耦合方式巧妙，可以简化磁流变弹性体制备过程，也可以为其他材料的制备合成与测试提供多场环境。
1.由于1.将压力的影响考虑到磁流变弹性体的制备过程中，通过外置压力机施加力载荷，再结合热、磁场作用，控制精确，可以得到高品质的成品。
2.由于热磁力耦合装置将现有的热磁耦合装置起作用的预结构化阶段和平板硫化机起作用的固化成型阶段合并起来连续完成，简化了材料制备过程，减少了不利影响因素，提高了工作效率。
3.由于设计了可旋转的杆件、2套正交磁架及其缠绕的螺线圈，装置可以产生螺旋磁场和万向磁场，在以上磁场条件下制备的磁流变弹性体的微观结构规则、多样，可以更好地满足工程应用中承受拉压、剪切和扭转等载荷作用的需求。
4.由于采用通电螺线圈加磁而且磁路闭合，可以产生足够强度的磁场，磁场强度可以根据需要连续调节。
5.由于采用非接触的电磁加热方式，既消除了用电阻丝加热产生磁场对励磁线圈产生的磁场干涉问题，又解决了静热源给旋转的模具加热的问题。
6.由于使用了1个止推滚珠轴承和1对圆锥滚子轴承，使得模具及其上下2根杆件既能承受竖直方向的压力载荷，又能绕Z轴旋转以产生螺旋磁场。
7.由于设计了力、温度、位移等的检查元件、控制装置，提高了材料制备过程的智能化程度。
附图说明
图1是本发明正面示意图。
图2是本发明俯视示意图。
图3是本发明装置中密封结构示意图。
图4是本发明装置中模具示意图。
图1至图4中：1是耐热合金棒，2是电磁感应加热圈，3是工频感应电源，4是连接件，5是电机，6是小带轮，7是圆锥滚子轴承，8是杆件Ⅳ，9是竖向磁场螺线圈，10是竖向磁场磁架，11是绝热材料，12是外壳，13是杆件Ⅰ，14是模具，15隔热套筒，16是杆件Ⅱ，17是止推滚珠轴承，18是密封结构，19是压盖，20是保温炉，21是横向磁场磁架，22是杆件Ⅲ，23是横向磁场螺线圈，24是励磁电源，25是热电偶。18-1是旋塞，18-2是密封套筒，18-3 O型密封圈，18-4是密封垫片，14-1是模具上模，14-2是模具中框，14-3是模具下模，14-4是螺钉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1和图2所示，一种基于多场耦合作用的磁流变弹性体一体成型装置，包括加热模块、加磁模块、加压模块、隔热密封结构以及相关检测控制装置，它们通过外壳12封装在一起，热磁力耦合效果通过杆件8、13、16和22作用到模具14上。所述加热模块包括耐热合金棒1、电磁感应加热圈2、工频感应电源3、连接件4和杆件8，通电的电磁感应加热圈2加热耐热合金棒1，并将热量通过杆件8传递给模具14，以提供适宜的温度场；所述加磁模块包括励磁电源24，相同的磁架10、21及绕在其上的螺线圈9、23，杆件8、13、16和22，小带轮6和1对圆锥滚柱轴承7，每个磁架分别与2根杆件构成闭合的磁通路，并且两磁架正交放置。当螺线圈9、23通电且模具14和杆件8在小带轮6的带动下旋转时，可以产生螺旋磁场，而控制2个磁架上通电螺线圈9、23的电流值以及小带轮6带动杆件8和模具14旋转的角度值，可以在模具内产生不同方向的平行磁场，也即万向磁场，为材料制备提供适宜的磁场；所述加压模块包括外置压力机（图中未画出）、杆件16和止推滚珠轴承17，压力机产生的压力通过杆件16作用在模具14上，止推滚珠轴承17和圆锥滚珠轴承7用于实现模具14和压杆8、16在承受压力的情况下还能够转动；所述的隔热密封结构包括绝热材料11、保温炉20以及密封结构18，磁架和杆件之间还留有圆环形缝隙，这些设计不仅可以减少散热保证模具内温度值稳定，还可以降低传热避免高温对通电线圈的影响以及通电线圈的产热对模具内温度的干扰；所述检测控制装置包括热电偶25、速度和力传感器（图中未画出）等，根据它们反馈的结果调整相应控制因素以满足材料制备条件。
实施例1用发明装置制备具有倾斜链状微观结构的天然橡胶基磁流变弹性体
材料制备时，经过混炼后的混合物注入模具14，将模具14放在磁流变弹性体一体成型装置的保温炉20内，在预结构化阶段，控制工频感应电源3使模具14内温度稳定在80℃，不启用电机5，控制励磁电源24在两个线圈9、23通相同的电流，使模具周围产生与水平线呈45°夹角的场强为600mT的倾斜匀强磁场，控制外置压力机（图中未画出）加载1MP压力，持续时间20min，混合物料中的软磁颗粒在磁场方向形成链状排列并初步固化；紧接着在固化成型阶段，关闭励磁电源24，控制工频感应电源3使模具14内温度稳定在160℃，控制外置压力机（图中未画出）加载15MP压力，持续时间10min，可得到定型后的具有45°倾斜微观链状结构的天然橡胶基磁流变弹性体。
实施例2用发明装置制备具有螺旋形链状微观结构的天然橡胶基磁流变弹性体
材料制备时，经过混炼后的混合物注入模具14，将模具14放在磁流变弹性体一体成型装置的保温炉20内，在预结构化阶段，控制工频感应电源3使模具14内温度稳定在80℃，启用电机5带动小带轮6和模具14以一定角速度转动，控制励磁电源24在线圈9、23通上一定大小的电流，使模具周围产生沿竖直方向螺旋形的场强为600mT的匀强磁场，控制外置压力机（图中未画出）加载1MP压力，持续时间20min，混合物料中的软磁颗粒在磁场方向形成链状排列并初步固化；紧接着在固化成型阶段，关闭励磁电源24，控制工频感应电源3使模具14内温度稳定在160℃，控制外置压力机（图中未画出）加载15MP压力，持续时间10min，可得到定型后的具有螺旋形微观链状结构的天然橡胶基磁流变弹性体。
实施例3用发明装置制备具有水平链状微观结构的聚氨酯基磁流变弹性体
材料制备时，经过混炼后的混合物注入模具14，将模具14放在磁流变弹性体一体成型装置的保温炉20内，在预结构化阶段，控制工频感应电源3使模具14内温度稳定在60℃，不启用电机5，控制励磁电源24在线圈23通上电流，使模具周围产生沿水平线方向的场强为600mT的匀强磁场，控制外置压力机（图中未画出）加载1MP压力，持续时间30min，混合物料中的软磁颗粒在磁场方向形成链状排列并初步固化；紧接着在固化成型阶段，关闭励磁电源24，关闭工频感应电源3使模具恢复到室温，控制外置压力机（图中未画出）加载10MP压力，持续时间24小时，可得到定型后的具有水平微观链状结构的聚氨酯基磁流变弹性体。
上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，该装置还可用于其它材料的制备以及材料在场效应下的性能测试等，凡采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于多场耦合作用的磁流变弹性体一体成型装置，其特征在于：它包括加热模块、加磁模块、加压模块、隔热密封结构以及相关检测控制装置，它们由壳体封装在一起，热磁力耦合作用效果通过模具周围的4根杆件实现，采用模块化设计，模具置于保温炉中间位置，加热模块处于整个装置底部，通过螺钉螺母与主体连接，由杆件Ⅳ将热量传递给模具，加磁模块在主体部分，空间结构由绝热材料支撑，通过杆件Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ给模具加磁，加压模块由外置装置组成，外置压力机从整个装置顶部施压，由杆件Ⅱ作用到模具上。
2.根据权利要求1所述的材料一体成型装置，其特征在于：所述的加热模块包括耐热合金棒、电磁感应加热圈、工频感应电源、连接件和杆件Ⅳ，电磁感应加热圈与耐热合金棒互不接触，通电的电磁感应加热圈加热耐热合金棒，并将热量通过杆件Ⅳ传递给模具，连接件为不导磁金属材料，用于连接耐热合金棒和杆件Ⅳ，还可以隔绝电磁加热产生的磁场。
3.根据权利要求1所述的材料一体成型装置，其特征在于：所述的加磁模块包括励磁电源、2套完全相同的磁架及绕在其上的螺线圈、4根杆件、电机、小带轮和1对圆锥滚柱轴承，每个磁架分别与2根杆件构成闭合的磁通路，并且两磁架正交放置，当横向、竖向磁场螺线圈通电且模具和杆件在小带轮的带动下旋转时，可以产生螺旋磁场；而控制2个磁架上通电螺线圈的电流值以及小带轮带动杆件Ⅳ和模具旋转的角度值，可以在模具内产生不同方向的平行磁场，也即万向磁场。
4.根据权利要求1所述的材料一体成型装置，其特征在于：所述的加压模块包括外置压力机、杆件Ⅱ和止推滚珠轴承，压力机产生的压力通过杆件Ⅱ加载在模具上模上，止推滚珠轴承和加磁模块中的1对圆锥滚子轴承用于实现模具和压杆Ⅱ、Ⅳ在承受压力的情况下还能够转动。
5.根据权利要求1所述的材料一体成型装置，其特征在于：所述的隔热密封结构包括绝热材料、保温炉、以及由O形密封圈、垫片和旋塞组成的密封装置，磁架和杆件之间还留有圆环形缝隙，避免接触传热。
6.根据权利要求1所述的材料一体成型装置，其特征在于：所述的检测控制装置包括热电偶、速度传感器、压力机的力传感器等，根据它们反馈的结果调整相应的电源电流、电机转速、压力机的压力值以满足制备条件。
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