摘 要:以磁化硅橡膠為基體,在有磁場和無磁場條件下制備了多種組分微米級(粒徑 5~ 8μm)和亞微米級(粒徑200nm)軟磁顆粒摻雜的磁敏彈性體(MSE)試樣,通過電導試驗裝置和磁 致電導測試系統研究了不同 MSE試樣的磁致電導特性,探究磁致電導機理。結果表明:在有磁場 條件下制備微米級顆粒填充的 MSE 的磁致電導特性隨著顆粒含量的增加而顯著增強;隨著亞微 米級顆粒摻雜量的增加,在有磁場條件下制備微米級和亞微米級顆粒摻雜的 MSE 中微米與亞微 米顆粒間產生吸附效應,零場電導與磁致電導增加值均大幅度衰減,磁致電導特性較弱;在無磁場 條件下制備不同粒徑顆粒摻雜的 MSE 中

關鍵詞:磁敏彈性體;顆粒摻雜;磁致電導;導電通道 

中圖分類號:O631 文獻標志碼:A 文章編號:1000-3738(2022)02-0010-05

0 引 言

磁流變材料是一類具有磁致流變特性的智能材 料,在外磁場作用下其流變特性可以發生連續、快速 和可逆的變化。磁敏彈性體(MSE)也稱為磁流變 彈性體,是該智能材料中的一種重要材料,主要由軟 磁顆粒、高分子聚合物基體組成,可看作磁流變液 (MRF)的固體形式[1]。MSE克服了 MRF易沉降、 穩定性差、顆粒易磨損等缺點,具備優異的磁致力學 性能,目前 MSE 的磁致力學特性及其在振動控制 方面的應用已得到深入研究[2-5]。

MSE除了具有優良的磁致力學性能外,還具有在外激勵作用下,鏈狀結構中顆粒間距發生變化而 導致其電導特性發生變化的特性。鄧益民等[6]研究 了影響 MSE 壓阻特性的主要因素并進行了理論推 導;BICA 等[7-8]對 MSE 的電導特性如電阻、電容、 電流與磁場之間的關系進行了大量研究;BOSSIS 等[9]研究了 MSE 在不同外界載荷下的電阻變化, 并對其變化規律進行分析;KCHIT 等[10]對 MSE在 不同壓力及溫度下的導電機理進行研究。不同導電 材料,如石墨顆粒、碳納米管、金屬包裹填料等的摻 雜都可改善 MSE 的電學特性[11-13]。除添加導電材 料外,對高分子聚合物基體使用添加劑也會對 MSE 的電導特性產生顯著影響[10]。與其他導電橡膠類 材料相比,MSE的電導特性和力學性能都可以通過 外界磁場激勵控制,且具有反應靈敏、響應速度快等 顯著特性,使得 MSE 在電子產業、機械傳感技術等 領域具有廣泛的應用前景[14]。MSE 的磁致電導特 性主要與填充顆粒有關,但是目前未見有關填充顆 粒粒徑對磁致電導特性影響的報道。因此,作者選 用微米級羰基鐵粉與亞微米級鐵粉為軟磁顆粒,硫 化硅橡膠為基體制備 MSE,建立電導試驗裝置研究 MSE的磁致電導特性,探究其磁致電導機理,并研 究了有磁場與無磁場制備條件對 MSE 磁致電導特 性的影響,以期對 MSE 在智能傳感及器件領域中 的應用起到促進作用。

1 試樣制備與試驗方法 

1.1 試樣制備

制備硅橡膠基 MSE 用基體為雙組分加成型室 溫硫化硅橡膠,型號為 HT-9825,由深圳市宏圖硅 膠科技有限公司生產;軟磁顆粒分為2種,一種是微 米級羰基鐵粉(粒徑5~8μm,純度99.5%,吉林基 恩鎳業股份有限公司生產),另外一種是亞微米級鐵 粉(粒徑200nm,純度99.7%,廣州金屬冶金集團有 限公司生產)。試樣制備流程:先利用電子天平精確 稱取軟磁顆粒并攪拌均勻,同時將雙組分室溫硫化 硅橡膠 AB 組分以質量比1∶1混合后攪拌均勻;將 軟磁顆粒加入硅橡膠組分混合物中,充分攪拌后放 入真空箱中濾除氣泡,再注入鋁合金模具中,預結構 化試樣是指在釹鐵硼永磁體提供的磁場(磁感應強度 800mT)中常溫固化得到,非結構化試樣是指在無磁 場條件下常溫自然固化得到,歷經24h后脫模便可 制備出 MSE 試樣,試樣尺寸為20 mm×20 mm× 1mm。MSE 的制備條件及組分如表1所示,通過1# ~4# 試樣研究不同微米級軟磁顆粒含量下預結 構化 MSE 的磁致電導特性,通過3# ,5# ~8# 試樣 研究不同粒徑顆粒摻雜下預結構化 MSE 的磁致電 導特性,通過6# ,9# 試樣研究有磁場與無磁場制備 條件下的磁致電導特性。

1.2 試驗方法

圖1 MSE電導試驗裝置結構示意 Fig.1 SchematicofMSEconductancedevicestructure 采用設計的電導試驗裝置研究 MSE的磁致電導 特性,具體結構如圖1所示,主要由 MSE試樣、電極 板、絕緣套與引腳組成。上下兩塊銅制電極板與中間 MSE試樣構成三明治結構,并將該三明治結構封裝 于塑料絕緣套內,避免試驗中其他電導材料干擾;在 兩塊電極板上分別焊接金屬引腳與測試系統夾具相 連接。磁致電導特性的測試流程如圖2(a)所示:采用 兩塊以正對位置安裝的電磁鐵作為磁場發生裝置,電 導裝置置于電磁鐵的 N 與S極之間;可編程線性直 流電源與磁場發生裝置相連,以提供勵磁電流,不同 的勵磁電流可使激勵磁場發生裝置產生不同大小的 磁場,從而改變電導裝置處的測試磁場;LCR數字電 橋測試夾具與電導試驗裝置引腳連接,當測試磁場發 生變化時,計算機可實時讀取磁致電導測試數據,并 進行結果分析。磁致電導測試磁路如圖2(b)所示, 兩電磁鐵磁極間隙處緊密銜接,用電工純鐵加工的導磁環構成閉合磁回路,閉合磁力線與電導裝置表面垂 直,可有效增強測試電磁場強度,從而實現測試磁感 應強度在0~700mT范圍內變化。 

2 試驗結果與討論

2.1 磁致電導特性 

由圖3可以看出:預結構化 MSE 零場電導和 磁致電導均隨著微米級軟磁顆粒含量的增加而顯著 提高,當微米級軟磁顆粒質量分數由10% 增加到 70%時,零場電導由24.9nS增加至1780.0nS,增 加了70.5倍;隨著測試磁感應強度的增強,具有不 同含量微米級軟磁顆粒 MSE 的電導均隨著測試磁 感應強度的增強而升高,且顆粒含量越高,在測試磁 場作用下電導變化越明顯。在0~700 mT 測試磁 感應強度范圍內,當微米級軟磁顆粒質量分數分別 為10%,30%,50%,70%時,MSE 的電導增加值分 別為6.4,22.0,127.4,500.0nS。

由圖4可以看出:隨著微米級顆粒摻雜含量的 降低,即亞微米級顆粒摻雜含量的升高,MSE 的零 場電導與磁致電導均降低;隨著測試磁感應強度的 增強,不同質量比微米級顆粒和亞微米級顆粒摻雜 制備得到 MSE 的電導均隨著測試磁感應強度的增 強而升高,且隨著亞微米級顆粒摻雜含量的升高,磁 致電導增加值降低。當僅存在亞微米級顆粒時零場 電導與磁致電導增加值僅分別為51.0,27.3nS

2.2 磁致電導機理 

圖5 預結構化 MSE的微觀等效電路模型 Fig.5 Microscopicequivalentcircuitmodelofpre-structuredMSE 目前已有研究[15-16]證明,在有磁場制備條件下 不同軟磁顆粒含量的 MSE 內部軟磁顆粒呈現明顯 的鏈狀有序排列。基于此結論可知,MSE內部軟磁 顆粒通過磁相互作用力形成大量鏈狀結構,且軟磁 顆粒是相互作用力的傳導介質,顆粒含量的不同將 直接影響鏈路結構形態,根據典型的鏈路形態可將 不同軟磁顆粒含量的預結構化 MSE 等效為如圖5 所示的電路模型。在該模型中,軟磁顆粒可視作導 電粒子,在微米級軟磁顆粒質量分數為10%~30% 時,顆粒分布比較稀疏,等效為絕緣回路或間斷回 路,由于硅橡膠基體屬于絕緣材料,基體與稀疏顆粒 形成的基體界面層電容起主導作用;但根據隧道導電理論,材料內部的熱振動仍可引起電子在導電粒 子間躍遷,因此在低顆粒含量下,MSE 仍具有電導 性;隨著磁場的增強,顆粒相互作用力加強,相鄰顆 粒間距縮小,隧道效應更為明顯,同時也因顆粒原始 鏈間間距較大,磁相互作用力有限,導致在低顆粒含 量的預結構化 MSE 中電導隨磁感應強度的變化幅 度較 小。當 微 米 級 軟 磁 顆 粒 質 量 分 數 為 50% ~ 70%時,由于顆粒數量的大量增加,鏈間顆粒接觸較 為緊密,形成了比較完整的鏈狀回路,此時回路視為 由顆粒電導與顆粒接觸電導形成的串聯電路。微米 級顆粒是優良的導電粒子,因此顆粒接觸電導決定 MSE的電導特性。顆粒接觸電導取決于相鄰顆粒 間的基體層厚度,當相鄰顆粒間相互作用力逐漸增 強時,基體層逐漸被破壞或因擠壓使其厚度明顯減 小,導致顆粒接觸電導顯著增強,鏈狀回路形成導電 通道,宏觀上表現為有高含量微米級軟磁顆粒的預 結構化 MSE具有優良的磁致電導特性。 

在亞微米級顆粒質量分數為0時,即填充顆粒 完全為微米級顆粒時,導電粒子間電流密度J 可以 用 Fowler-Nordheim 方程[17]表示: J=αEV2exp -EβV (1) 式中:α,β 為 常 溫 下 與 MSE 相 關 的 電 流 常 數 項; EV 為相鄰顆粒間的電場。 滕桂榮等[18]基于式(1)推導出 MSE 理論電導 率σ,計算公式為 σ=3φ K1EVexp -K2 EV +K3 ???? ????r2 (2) 式中:φ,K1,K2,K3 均為與 MSE相關的常數項;r 為相鄰顆粒間基體層半徑,即 MSE 電導正比于相 鄰顆粒間基體層半徑的平方。 由此可得 MSE的理論電導G 的計算公式為 G =3φ AL K1EVexp -K2 EV +K3 ???? ????r2 (3) 式中:A,L 均為與 MSE相關的常數項。 在有磁場條件下顆粒間磁相互作用力 F 與顆 粒半徑R 存在如下關系[19]: F ∝R6 (4)

微米級顆粒粒徑是亞微米級顆粒的25~40倍, 即微米級顆粒之間將產生遠大于亞微米級顆粒的磁 相互作用力,導致在有磁場固化下部分亞微米級顆粒 被微米級顆粒吸附,隨著亞微米級顆粒含量的增大, 微米級顆粒周邊將吸附更多的亞微米顆粒,形成如 圖6所示的吸附聚集效應。根據式(3)及導電通道理 論,微米級顆粒在導電通道中占主導地位,亞微米級 顆粒含量增大致使微米級顆粒表面吸附更多的亞微 米級顆粒,導電通道中的顆粒接觸電導隨之減小,即 使外界施加磁場作用,因大量亞微米級顆粒被吸附, 隨著磁場的增強,顆粒接觸電導增量也會受到限制。

2.3 制備條件對磁致電導特性的影響

圖7 預結構化和非結構化微米級和亞微米級顆粒摻雜 MSE試樣的 電導與磁感應強度之間的關系曲線 Fig.7 Curvesofconductanceofpre-structuredandunstructured MSEsampleswithmicronandsubmicronparticlesdoping vsmagneticfluxdensity 由圖7可以看出,在微米級及亞微米級顆粒含 量相同的條件下,與非結構化 MSE 相比,預結構化 MSE的磁致電導效應更顯著,二者零場電導差值達 44.6nS。預結構化 MSE在800mT的磁感應強度下 制備,顆粒被磁極化后,大量亞微米級顆粒被微米級 顆粒吸附,在強磁場下微米級顆粒間的作用力遠大于 亞微米級顆粒,因此沿磁場方向仍會形成較為完整的 鏈狀有序結構,導致固化后該結構被固定于基體中形 成導電通道;亞微米級顆粒粒徑小,大量吸附于微米 級顆粒表面導致顆粒接觸電導變小,隨著測試磁感應 強度的增大,鏈狀有序結構中顆粒間距縮短,在一定 程度上增大了顆粒接觸電導,因此磁致電導效應較顯 著。非結構化 MSE在自然條件下固化過程中,亞微 米與微米級顆粒之間不會相互吸附,且隨機無序分散 于基體中,顆粒間距較結構化 MSE明顯增大,難以形成有效的導電通道;無序排列的顆粒在測試磁場作用下被極化后,相互間磁作用力易被平衡抵消,顆粒接 觸電導小,因此磁致電導效應不明顯。

3 結 論 

(1)對 于 微 米 級 軟 磁 顆 粒 填 充 的 預 結 構 化 MSE,當顆粒質量分數由10%增加到70%時,零場 電導由24.9nS增加至1780.0nS,測試磁感應強度 增加到700 mT 時的磁致電導增加值分別為 6.4, 500.0nS,磁致電導隨著顆粒含量的增加而增大;在 微米級顆粒含量高的預結構化 MSE 中顆粒接觸電 導較大,可形成有效導電通道,磁致電導特性顯著。

(2)對于微米級與亞微米級軟磁顆粒摻雜預結 構化 MSE,隨著亞微米顆粒含量的增加,在有磁場 制備條件下微米與亞微米顆粒間產生吸附效應,零 場電導與磁致電導增加值均大幅度衰減,磁致電導 特性較弱。

(3)微米級與亞微米級顆粒摻雜預結構化 MSE 與非結構化 MSE的零場電導差值達44.6nS;非結構 化 MSE內部顆粒無序隨機分布,無法形成有效導電 通道,顆粒接觸電導小,導致磁致電導增加值明顯低 于預結構化 MSE,且磁致電導效應不明顯。 

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< 文章來源>材料與測試網 > 機械工程材料 > 46卷 >