导电性磁流变弹性体的研制和性能研究

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磁流变弹性体(magnetorheological elastomer,MRE)是一种把磁性颗粒分散在高分子弹性基体中形成的新型智能材料。MRE利用高弹态基体替换了传统的液态基体,因此MRE具有良好的弹性和稳定的力学性能。由于内部的磁性颗粒可以在外加磁场下产生相互作用,MRE的力学性能如储能模量等可以随磁场发生改变,这被称作磁流变效应。由于MRE具有这种独特的力学特性,它吸引了学者们的极大兴趣,被广泛应用于振动控制、航空航天、智能降噪等领域中。学者们通过对基体进行改性、对颗粒进行修饰或掺杂各种添加剂等,使MRE的力学性能得到了较大的提升。近年来,MRE的电学性能逐渐走入了学者们的视野中,其独特的力-电-磁耦合特性使其在柔性传感器领域具有潜力。然而传统MRE的导电性较差,难以满足柔性传感设备的需求,因此学者们开发出导电性MRE。目前,有关导电性MRE的研究已经取得了一定的进展,但是仍主要集中于磁性颗粒与高分子基体的改性。而关于导电性MRE的结构优化以及对应柔性传感器件的开发仍存在较多问题,如灵敏度低和功能性单一等。为了解决这些问题,本文通过掺杂不同种类的导电填料并优化设计内部结构,研制出多种具有不同响应特性和多功能性的新型导电性MRE,揭示了其内部微观结构演变与力-电-磁耦合性能的内在关联,还探究了其在行为监测、智能显示、智能报警、自适应传感器件和软机器人等领域中的应用前景。主要研究内容如下:1、银纳米线掺杂导电性MRE的研制以及传感性能研究。研究了银纳米线掺杂导电性MRE传感器的响应特性。通过增加基体的交联比,基体交联密度增加,导致其磁致模量降低。当施加20%拉伸应变和10%压缩应变时,其电阻分别增加了 91.8%和67.6%。而在428mT磁场下,其电阻增加了 100%。再基于实验结果,提出了可能的机理来描述其传感特性,并将这种银纳米线掺杂导电性MRE传感器应用于运动鞋上以进行人体行走监测。2、室温液态金属掺杂导电性MRE的研制以及传感性能研究。研究了室温液态金属掺杂导电性MRE传感器的响应特性。由于聚二甲基硅氧烷基体具有良好的弹性,而且铁磁颗粒在外加磁场下会产生磁相互作用,这种导电性MRE传感器对外加力和磁场均高度敏感。此外,因为室温液态金属具有流动性,其还表现出良好的电愈合能力。在40%压缩应变下,其相对电阻变化高达1038%,并且在循环拉伸和弯曲下其电学性能也能显着地改变。有趣的是,施加300 mT磁场时,其电阻能降低7.4%。因此可以通过其区分磁场加载和力加载,并提出了一种可能的机制来描述这种独特的力-磁解耦特性。还开发出基于室温液态金属掺杂导电性MRE传感器阵列的智能柔性写字板,证明其在未来智能设备(如人造电子皮肤和软机器人)中的应用前景。3、高温液态金属掺杂导电性MRE的研制和传感与变形性能研究。研制出高温液态金属掺杂导电性MRE传感器,系统地研究了在不同温度下,外加压缩应变和磁场强度对其响应特性的影响。还对其热学特性进行了测试和分析,并根据高温液态金属和聚己内酯的相变过程描述了其三重形状记忆效应的机理。开发出基于高温液态金属掺杂导电性MRE的智能可擦写盲文显示系统,证明了其在未来柔性电子显示设备中的潜力。4、高温液态金属掺杂导电性磁敏柔性材料的研制和传感与致动性能研究。在高温液态金属掺杂导电性MRE的基础上,继续研制出一种具有三重形状记忆效应,高应变和磁场灵敏度以及可切换磁驱动特性的高温液态金属掺杂导电性磁敏柔性材料。独特的三重形状记忆效应使其能够自适应外部环境,以检测任意形貌的物体。而依赖于外界激励的电导率使其检测到外加力、磁场和温度变化时均可产生对应的电信号。可切换的磁驱动特性进一步拓宽了其实际应用范围(例如柔性智能抓手)。因此,这种高温液态金属掺杂导电性磁敏柔性材料是未来智能电子设备(如电子皮肤,软机器人,复杂结构制造和生物医学)的理想选择。
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