磁流變彈性體(MRE)制備材料及磁場計算分析

MRE隔振器(擠壓工作模式)MRE-BasedIsolator(Squeezemode)12023/1/151

材料的選取選用常用的兩相組分配方：基體材料：使用

704

硅橡膠(彈性模量E=3Mpa)作為基體材料，該橡膠在室溫下即可固化。磁性顆粒：選用直徑為

3～8

μm左右的球形羰基鐵粉。按體積濃度為27%的比例量取原材料(Davis指出，該體積濃度下磁流變彈性體將有最佳的磁控性能）。22023/1/15常用的基體材料為：softsiliconeelastomers

軟質(zhì)硅橡膠,

poly(vinylalcohol)聚乙烯醇gelatin

明膠hardnaturalrubber硬質(zhì)天然橡膠RTVpolyurethanesealant室溫硫化的聚氨酯密封膠32023/1/15

由于對磁流變彈性體的剛度的控制需要使用變化范圍較大的交變磁場(0-800mT)，因此隔振器的導(dǎo)磁材料應(yīng)滿足以下要求:導(dǎo)磁材料42023/1/151)具有較高的導(dǎo)磁率

導(dǎo)磁材料的主要作用是使勵磁線圈產(chǎn)生的磁場按照設(shè)計的磁路順暢通過，盡量減小磁場的損失。在對磁流變彈性體隔振器的控制中需要施加較大的磁場，因此必須保證導(dǎo)磁材料具有較大的磁導(dǎo)率，不能在磁路中形成磁通瓶頸。

此外，當(dāng)勵磁線圈匝數(shù)、勵磁電流一定時，較高的磁導(dǎo)率能產(chǎn)生較大的磁場。通常這類材料屬于軟磁材料，其磁滯回線所包括的面積小，矯頑力低，磁化曲線在飽和前上升陡。52023/1/152)具有良好的退磁性能

斷掉勵磁電流時要求導(dǎo)磁材料能快速退磁，使磁流變彈性體的模量迅速減小，即剛度迅速變小，達(dá)到對隔振器進(jìn)行有效控制的目的。62023/1/1573)具有較小的溫度系數(shù)、減落系數(shù)和老化系數(shù)由于磁流變彈性體隔振器有可能長時間工作，因此其溫度變化范圍較大，因此要求導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率在一定的溫度、時間范圍內(nèi)具有較小的溫度系數(shù)、減落系數(shù)和老化系數(shù)，使隔振器能長期穩(wěn)定工作。2023/1/154)具有較高的性價比

器件任何材料的選擇在滿足相關(guān)性能的條件下，避免采用價格昂貴的材料減小隔振緩沖器的制造成本，有利于器件的大規(guī)模推廣使用。

82023/1/159綜合以上分析，本設(shè)計選擇純鐵作為磁流變彈性體隔振緩沖器的導(dǎo)磁材料。純鐵具有較高的磁導(dǎo)率和磁飽和感應(yīng)強(qiáng)度值，矯頑力小、價格低、冶煉方便、加工性能良好，同時也滿足對隔振器的剛度要求。

2023/1/152MRE制作工藝為獲得更大的磁流變效應(yīng)，提高系統(tǒng)的靈敏度，在有磁場的條件下制備磁流變彈性體。將硅橡膠與球形羰基鐵粉攪拌均勻后，把混合物放入φ50mm×20mm的模具中施加均勻高磁場經(jīng)過12h固化，即可得到所需的磁流變彈性體材料。（真空）102023/1/153

工作模式本隔振器選取擠壓工作模式，如下圖所示。在這一工作模式下的磁流變彈性體，其外加磁場方向與顆粒的成鏈方向一樣也是平行的，而外加載荷方向與成鏈方向也平行，即基體中的顆粒受到擠壓，因此稱之為擠壓式。在這一工作模式下的磁流變彈性體減振器具有非常強(qiáng)的非線性，但其結(jié)構(gòu)簡單，可以承受較大的載荷。112023/1/154MRE隔振器結(jié)構(gòu)示意圖擠壓式MRE隔振器結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示，隔振器通過螺栓將設(shè)備與基座相連，以保證其在擠壓模式下工作。

122023/1/155初始性能（理論值）根據(jù)Guth在1945年提出的公式，我們可以確定添加了球形羰基鐵粉后硅橡膠在零磁場作用下的彈性模量,參見(1)式：E0=E(1+2.5φ+14.1φ2)(1)式中：E—基體材料，即硅橡膠的彈性模量，取2-4Mpa。

φ—球形羰基鐵粉的體積含量，取27%132023/1/15盡管上式是基于各向同性，即顆粒隨機(jī)分布的材料而言的，Meinecke和Taftaf在1988年已經(jīng)通過試驗證實，對于本設(shè)計中采用的這種顆粒預(yù)先成鏈的混合材料公式也是成立的。進(jìn)而，磁流變彈性體的初始彈簧剛度可以通過(2)式推算得到：

（2）式中：E0—初始彈性模量，由(1)式確定A—MRE截面面積L—MRE高度142023/1/15由于本設(shè)計中,MRE是在有磁場作用下制備的,根據(jù)Bossis等1999年提出的研究成果，此時鐵磁性顆粒制備的彈性體要比非磁性顆粒制備的彈性體剛度高出20%，因而，MRE彈性體的初始剛度由(3)式確定：

K0=(1+20%)K(3)

152023/1/156勵磁線圈匝數(shù)的確定一方面，勵磁線圈匝數(shù)必須足夠多，以保證產(chǎn)生較大的磁場，使磁流變彈性體達(dá)到磁飽和狀態(tài);另一方面需要考慮隔振器結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、發(fā)熱要求等因素，因此需要計算得到最少線圈匝數(shù)值。162023/1/15磁路概念的建立是基于鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率大大超過了非鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo)率，也就是說，由磁導(dǎo)率大的導(dǎo)磁體構(gòu)成磁通的路徑，則磁通主要在這種路徑——磁路中通過。以下的設(shè)計計算中忽略了磁漏效應(yīng)。

172023/1/1518由于磁通的連續(xù)性，在忽略漏磁通以后，磁路就與電路相似，在一條支路中有處處相同的磁通，如下圖所示：2023/1/15

由導(dǎo)磁體構(gòu)成一個閉合磁路，若在N匝線圈中流過I(A)的電流，(a)圖，則在磁路中產(chǎn)生相當(dāng)于(b)圖所示電路的電勢的物理量，稱為磁勢，用F表示。

F=NI

192023/1/15

因此在磁路中就產(chǎn)生了相當(dāng)于電路中電流的物理量，稱為磁通Φ。此外還采用類似于電路中電阻的物理量——磁阻Rm來表示磁路的特性。202023/1/15磁路電路磁勢FF=NI電勢UU=Ed磁阻Rm電阻R磁通Φ電流I磁路與電路對比212023/1/1522若磁路的面積為S，磁路的平均長度為l，相對磁導(dǎo)率為μ，則與電阻類似：2023/1/1523磁通Φ又可表示為：其中：B為通過面積S的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

類比于電路的歐姆定律：2023/1/1524磁感應(yīng)強(qiáng)度線圈匝數(shù)電流大小2023/1/15252023/1/15[1]MKallio,T

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