磁流变弹性体导电特性研究

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磁流变弹性体(magnetorheological elastomers, MRE)是将微米级铁磁性颗粒分散于液态高分子聚合物中,在外加磁场作用下发生磁流变效应,颗粒磁化并形成有序链状结构,在保持磁场作用的同时聚合物固化而形成的弹性固体。链状结构能够作为导电通道使得MRE具有导电性。与普通的导电高分子复合材料相比,MRE具有电阻小、制备简单、变化参数多等优点,存在较高的实用价值。本文对MRE的制备工艺和颗粒结构进行了分析,对外界压力、工作磁场、温度等影响MRE导电性能的因素进行了研究。通过分析MRE对组成材料的性能要求,确立了 MRE的基本制备工艺。以羰基铁粉作为分散相、硅橡胶作为基体材料,制备了不同颗粒体积比的MRE样品。通过实验观察了 MRE样品的内部微观结构,分析了固化磁场强度和颗粒体积比对链状结构的影响。在颗粒结构分析的基础上分析了 MRE的导电机理,验证了基于隧道电流和传导电流组合的MRE导电机理模型。在电场强度较小时,传导电流起主要作用。隧道电流在电场强度较大时起主要作用,而且由于隧道电流的作用,MRE的电导率与电场强度之间存在明显的非线性关系。基于Hertz接触理论和MRE的导电机理模型推导了 MRE压敏特性理论模型。对MRE的导电性和压敏特性开展了实验分析,测试结果与理论模型预测符合的很好。开展了外加磁场对MRE导电性能影响的研究。基于磁化颗粒的偶极子模型,分析了相邻颗粒的相互作用磁场力。磁场力导致颗粒间导流面积发生变化,从而影响MRE的磁敏效应。设计实验装置对MRE电阻率与磁感应强度的关系进行了研究。研究结果表明MRE的电阻率随着磁场强度的增大而减小,当磁场强度再继续增大电阻率下降趋势逐渐趋于缓和,最后达到平稳状态。以MRE的导电机理为理论基础,对MRE的导电性能受温度的影响进行了分析。MRE导电填料和基体材料热膨胀率的不同,随着温度的升高颗粒间间隙发生变化,进而影响MRE的导电性能。对MRE进行温度特性实验研究,发现MRE表现出明显的温度效应,随着温度的升高MRE的导电性减弱。
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