CN110648815A

CN110648815A - 一种精确控制磁性粒子轴向分布的磁流变弹性体及其制备方法

Info

Publication number: CN110648815A
Application number: CN201910929992.9A
Authority: CN
Inventors: 郭训忠; 王辉; 陶杰; 胡胜寒
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2039-09-29
Also published as: CN110648815B

Abstract

本发明公开了一种精确控制磁性粒子轴向分布的磁流变弹性体及其制备方法，首先根据目标磁流变弹性体在某一轴向上的磁流变效应变化要求，将目标磁流变弹性体按照一定分割顺序分割为若干段磁流变效应单体，预制所述磁流变效应单体，每一段磁流变效应单体具有一个特定的磁性粒子所占质量分数；将预制得到的磁流变效应单体按顺序叠放在与所述三维模型形状一致的最终定型模具中，将组合体经加温加压成形后得到目标磁流变弹性体。本发明所制备的磁流变弹性体通过精确控制每份磁流变效应单体中的磁性粒子含量，使其所产生的磁流变效应在轴向产生梯度分布，满足作为压力成形复杂曲面金属构件介质的需求。

Description

一种精确控制磁性粒子轴向分布的磁流变弹性体及其制备方法

技术领域

本发明属于智能材料技术领域，具体涉及一种精确控制磁性粒子轴向分布的磁流变弹性体及其制备方法。

背景技术

磁流变弹性体是一种新型磁流变智能材料，由天然橡胶或人造橡胶、微米级别的铁磁性颗粒和添加剂在磁场作用下固化而成，与磁流变液相比具有磁性颗粒稳定、不易沉降、响应速度快和制备成本低等优点。根据磁流变弹性体不同方向上的性能是否相同可将其分为各向同性磁流变弹性体和各向异性磁流变弹性体。各向异性磁流变弹性体因其力学性能可通过内部所含磁性粒子的含量、分布情况和外加磁场强度、方向进行控制，故其在工程应用中较各向同性磁流变弹性体更为广泛，而在制备方法上也更为困难。为实现在某一匀强磁场作用下，磁流变弹性体内不同方向上产生的磁流变效应不同或呈梯度分布，这已成为磁流变弹性体的制备过程中亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种精确控制磁性粒子轴向分布的磁流变弹性体及其制备方法。

一种精确控制磁性粒子轴向分布的磁流变弹性体的制备方法，制备步骤为：(1)获得目标磁流变弹性体三维模型，根据目标磁流变弹性体在某一轴向上的磁流变效应变化要求，将目标磁流变弹性体按照一定分割顺序分割为若干段磁流变效应单体，预制所述磁流变效应单体，每一段磁流变效应单体具有一个特定的磁性粒子所占质量分数；(2)将预制得到的磁流变效应单体按顺序叠放在与所述三维模型形状一致的定型模具中，得到和目标磁流变弹性体形状一致、且满足磁流变效应变化要求的组合体，将组合体经加温加压成形后得到目标磁流变弹性体。

所述的制备方法，预制所述磁流变效应单体的具体方法为：(A)按照每一段磁流变效应单体对应的磁性粒子所占质量分数称量磁性粒子、基底材料和添加剂；将基底材料与添加剂混合均匀并将所得混合物置于烘箱中预热3～5min，以减少后续添加的磁性粒子在橡胶基体中运动所受阻力，便于磁性粒子形成有序结构；(B)将磁性粒子与步骤(A)所得混合物通过高速搅拌机进行搅拌混合10～15min，使磁性粒子在基底材料中均匀分布；(C)使用真空泵对步骤(B)所得混合物进行抽真空30min，去除其中气泡；(D)将抽真空后所得混合物置于单体定型模具中，然后将单体定型模具置于由两块永磁铁所产生的匀强磁场中使磁性粒子结构化分布，待混合物固化成型后取出得到磁流变效应单体。

所述的制备方法，所述分割为等分分割。

所述的制备方法，基体材料均采用未硫化的天然橡胶胶乳溶液，磁性粒子均为羰基铁粉，添加剂包括引发剂和硫化促进剂。

所述的制备方法，所述步骤(2)具体方法为：将步骤(1)制备得到的磁流变效应单体按磁性粒子所占质量分数递增或递减或先递增后递减的顺序放置于最终定型模具中，在最终定型模具两端加压并将定型模具整体放入烘箱中加热，使磁流变效应单体接触面之间黏结、最终固化成型，得到目标磁流变弹性体。

所述的制备方法，所述步骤(1)中制备圆台磁流变弹性体，将需制备的磁流变弹性体沿着圆台垂直底面的轴向分成8等份，每份所添加的磁性粒子含量分别为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％和80％，相应橡胶基体的含量分别为80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％和10％，添加剂含量均为10％。

所述的制备方法，所述步骤(1)中制备圆鼓磁流变弹性体，根据需成形的圆鼓形构件的形状，将需制备的磁流变弹性体在轴向分成7等份，每份所添加的磁性粒子含量分别为20％、40％、60％、80％、60％、40％和20％，相应橡胶基体的含量分别为70％、50％、30％、10％、30％、50％和70％，添加剂含量均为10％。

所述的制备方法，所述步骤(1)中制备圆柱形磁流变弹性体，将需制备的磁流变弹性体在长度方向分成7等份，每份所添加的磁性粒子含量分别为80％、60％、40％、20％、40％、60％和80％，相应橡胶基体的含量分别为10％、30％、50％、70％、50％、30％和10％，添加剂含量均为10％。

所述的制备方法，所述的单体定型模具和最终定型模具所用材料为高压聚乙烯。

根据上述制备方法制备的精确控制磁性粒子轴向分布的磁流变弹性体。

本发明具有如下有益效果：本发明通过羰基铁粉和添加剂混合至天然橡胶胶乳溶液中，制备磁流变效应单体，再将若干磁流变效应单体通过加压加温的方式黏合、固化成目标磁流变弹性体。本发明的配方设计合理、原材料易于采购并且工艺路线易于实施。本发明的磁流变弹性体制备方法降低了磁性粒子在橡胶基体中的运动阻力，使磁性粒子在橡胶基体中的分布与含量可精确控制，改善了磁性粒子在圆柱形磁流变弹性体厚度方向的分布得到改善，提高了磁流变弹性体的磁流变效应，适用于制备各向异性且对机械物理性能有一定要求的磁流变弹性体。

附图说明

图1是本发明制备圆台构件压力成形介质的磁流变弹性体示意图；

图2是本发明制备圆鼓形构件压力成形介质的磁流变弹性体示意图；

图3是本发明制备圆柱形构件压力成形介质的磁流变弹性体示意图。

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。

实施例1

用本发明方法制备如图1所示的圆台磁流变弹性体。根据需成形的圆台构件的三维形状，将需制备的磁流变弹性体沿着圆台垂直底面的轴向分成8等份(即图中的①～⑧)，每份所添加的磁性粒子含量分别为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％和80％，相应橡胶基体的含量分别为80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％和10％，添加剂含量均为10％；按照上述比例对原材料进行称量，将称量好的天然橡胶胶乳溶液与添加剂混合均匀并将所得混合物置于烘箱中预热3～5min；将称量好的羰基铁粉加入混合物并用高速搅拌机进行搅拌混合10～15min，使羰基铁粉在天然橡胶胶乳溶液中均匀分布；使用真空泵对天然橡胶胶乳溶液、羰基铁粉和添加剂的混合物进行抽真空30min，去除其中气泡，将脱泡后的混合物注入高压聚乙烯所制的与磁流变效应单体形状一致的单体定型模具中；将单体定型模具置于由两块永磁铁所产生的磁感应强度为0.5T的匀强磁场中，使磁性粒子结构化分布，待混合物固化成型后取出得到磁流变效应单体；将8份磁流变效应单体按磁性粒子所占质量分数递增的顺序放置于最终定型模具中，在最终定型模具轴向两端加温加压，使磁流变效应单体之间黏结、固化成型，得到作为圆台构件压力成形介质的磁流变弹性体。

实施例2

用发明方法制备如图2所示的圆鼓形磁流变弹性体。根据需成形的圆鼓形构件的形状，将需制备的磁流变弹性体在轴向分成7等份(即图中的①～⑦)，每份所添加的磁性粒子含量分别为20％、40％、60％、80％、60％、40％和20％，相应橡胶基体的含量分别为70％、50％、30％、10％、30％、50％和70％，添加剂含量均为10％；按照上述比例对原材料进行称量，将称量好的天然橡胶胶乳溶液与添加剂混合均匀并将所得混合物置于烘箱中预热3～5min；将称量好的羰基铁粉加入混合物并用高速搅拌机进行搅拌混合10～15min，使羰基铁粉在天然橡胶胶乳溶液中均匀分布；使用真空泵对天然橡胶胶乳溶液、羰基铁粉和添加剂的混合物进行抽真空30min，去除其中气泡，将脱泡后的混合物注入高压聚乙烯所制的定型模具中；将模具置于由两块永磁铁所产生的磁感应强度为0.5T的匀强磁场中，使磁性粒子结构化分布，待混合物固化成型后取出得到磁流变效应单体；将8份磁流变效应单体按磁性粒子所占质量分数递增的顺序放置于最终定型模具中，在模具轴向两端加温加压，使磁流变效应单体之间黏结、固化成型，得到作为圆鼓形构件压力成形介质的磁流变弹性体。

实施例3

用发明方法制备如图3所示的圆柱形磁流变弹性体。根据需成形的圆柱形构件的形状，将需制备的磁流变弹性体在长度方向分成7等份(即图中的①～⑦)，每份所添加的磁性粒子含量分别为80％、60％、40％、20％、40％、60％和80％，相应橡胶基体的含量分别为10％、30％、50％、70％、50％、30％和10％，添加剂含量均为10％；按照上述比例对原材料进行称量，将称量好的天然橡胶胶乳溶液与添加剂混合均匀并将所得混合物置于烘箱中预热3～5min；将称量好的羰基铁粉加入混合物并用高速搅拌机进行搅拌混合10～15min，使羰基铁粉在天然橡胶胶乳溶液中均匀分布；使用真空泵对天然橡胶胶乳溶液、羰基铁粉和添加剂的混合物进行抽真空30min，去除其中气泡，将脱泡后的混合物注入高压聚乙烯所制的定型模具中；将模具置于由两块永磁铁所产生的磁感应强度为0.5T的匀强磁场中，使磁性粒子结构化分布，待混合物固化成型后取出得到磁流变效应单体；将8份磁流变效应单体按磁性粒子所占质量分数递增的顺序放置于最终定型模具中，在模具轴向两端加温加压，使磁流变效应单体之间黏结、固化成型，得到作为圆滚形构件压力成形介质的磁流变弹性体。

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

1.一种精确控制磁性粒子轴向分布的磁流变弹性体的制备方法，其特征在于，制备步骤为：(1)获得目标磁流变弹性体三维模型，根据目标磁流变弹性体在某一轴向上的磁流变效应变化要求，将目标磁流变弹性体按照一定分割顺序分割为若干段磁流变效应单体，预制所述磁流变效应单体，每一段磁流变效应单体具有一个特定的磁性粒子所占质量分数；(2)将预制得到的磁流变效应单体按顺序叠放在与所述三维模型形状一致的最终定型模具中，得到和目标磁流变弹性体形状一致、且满足磁流变效应变化要求的组合体，将组合体经加温加压成形后得到目标磁流变弹性体。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：预制所述磁流变效应单体的具体方法为：(A)按照每一段磁流变效应单体对应的磁性粒子所占质量分数称量磁性粒子、基底材料和添加剂；将基底材料与添加剂混合均匀并将所得混合物置于烘箱中预热3～5min，以减少后续添加的磁性粒子在橡胶基体中运动所受阻力，便于磁性粒子形成有序结构；(B)将磁性粒子与步骤(A)所得混合物通过高速搅拌机进行搅拌混合10～15min，使磁性粒子在基底材料中均匀分布；(C)使用真空泵对步骤(B)所得混合物进行抽真空30min，去除其中气泡；(D)将抽真空后所得混合物置于单体定型模具中，然后将单体定型模具置于由两块永磁铁所产生的匀强磁场中使磁性粒子结构化分布，待混合物固化成型后取出得到磁流变效应单体。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述分割为等分分割。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：基体材料均采用未硫化的天然橡胶胶乳溶液，磁性粒子均为羰基铁粉，添加剂包括引发剂和硫化促进剂。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)具体方法为：将步骤(1)制备得到的磁流变效应单体按磁性粒子所占质量分数递增或递减或先递增后递减的顺序放置于最终定型模具中，在最终定型模具两端加压并将定型模具整体放入烘箱中加热，使磁流变效应单体接触面之间黏结、最终固化成型，得到目标磁流变弹性体。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中制备圆台磁流变弹性体，将需制备的磁流变弹性体沿着圆台垂直底面的轴向分成8等份，每份所添加的磁性粒子含量分别为10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％和80％，相应橡胶基体的含量分别为80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％和10％，添加剂含量均为10％。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中制备圆鼓磁流变弹性体，根据需成形的圆鼓形构件的形状，将需制备的磁流变弹性体在轴向分成7等份，每份所添加的磁性粒子含量分别为20％、40％、60％、80％、60％、40％和20％，相应橡胶基体的含量分别为70％、50％、30％、10％、30％、50％和70％，添加剂含量均为10％。

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中制备圆柱形磁流变弹性体，将需制备的磁流变弹性体在长度方向分成7等份，每份所添加的磁性粒子含量分别为80％、60％、40％、20％、40％、60％和80％，相应橡胶基体的含量分别为10％、30％、50％、70％、50％、30％和10％，添加剂含量均为10％。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的单体定型模具和最终定型模具所用材料为高压聚乙烯。

10.根据权利要求1-9任一所述制备方法获得的精确控制磁性粒子轴向分布的磁流变弹性体。