磁流变弹性体轴向磁流变效应与剪切磁流变效应对比研究
(1. 大连理工大学土木工程学院, 大连 116024
2. 海南大学土木建筑工程学院, 海口 570228
3. 大连理工大学材料科学与工程学院, 大连 116024
4. 北京宇航系统研究所, 北京 100076)
摘要: 磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomer, MRE)的磁流变效应表现为其黏弹性可由磁场实时可逆调控。MRE智能变刚度隔震装置主要利用材料在剪切方向的磁流变效应, 因此对MRE磁流变效应的研究集中在剪切方向, 然而在竖向隔震中主要依赖于MRE的轴向磁流变效应, 为此, 本文通过试验对MRE在轴向荷载作用下的磁流变效应进行研究, 并将其与剪切荷载下的磁流变效应进行对比分析。基于电子万能试验机及励磁装置设计轴向磁流变效应测试系统, 并采用旋转流变仪研究其剪切磁流变效应。两种模式下, 磁场强度在0~184kA/m 间调节, 应变幅值范围为5%~15%。测试得到不同磁场下MRE的拉压滞回曲线及剪切滞回曲线, 并计算其在不同工况下的黏弹性力学参数。试验结果表明, MRE在轴向荷载下具有良好的磁致变模量、变阻尼特性; 与剪切工作模式相比, 拉压工作模式下的储能模量及损耗模量均有提高, 而阻尼损耗因子较小。
DOI: 10.48014/pcms.20220327004
引用格式: 李江涛,王奇,佟昱,等.磁流变弹性体轴向磁流变效应与剪切磁流变效应对比研究[J]. 中国材料科学进展,2022,1(1):1-10.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2022-03-27
接收日期: 2022-04-08
出版日期: 2022-06-28
0 引言
我国目前已有的住宅和工业建筑中，使用了大量的振动设备，比如民用建筑中的风机、制冷机、压气机，工业建筑中的汽轮机、选煤设备(振动筛、离心机等)、水压机等。建筑物前期设计时，设备荷载通常考虑为设备重量对结构物的作用，对于后期生产过程中出现的振动无法充分考虑，导致设备运行、更新换代以及生产工艺提升过程中出现一系列振动问题。振动过大不仅影响设备的使用寿命和安全生产、危害生产工人的身心健康，甚至可能对建筑结构造成破坏性的损坏[1-4]。一般的设备减振隔振装置无法根据振动工况的变化实时调整系统的刚度或阻尼，甚至存在放大振动的风险。开发具有刚度或阻尼可调的智能减隔振装置是亟待解决的问题。具有动态黏弹性实时调节特性的智能材料是智能减隔振装置设计开发的基础。
磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomer，MRE)作为一种新型磁流变智能材料，其动态黏弹性(储能模量、损耗模量和损耗因子)可以通过外加磁场迅速、连续、可逆地进行控制，其在土木工程结构及运载工程结构的智能减隔振中具有广阔的应用前景[5-10]。磁流变弹性体通常由磁性颗粒分散于弹性体基体中制备而成。为增强其剪切磁流变效应，在薄片形MRE制备过程中，通常沿其厚度方向施加取向磁场，使磁性颗粒在基体中形成链状预结构。现有的MRE变刚度隔震支座主要用于控制结构在水平荷载下的振动[11-17]，利用的是薄片形MRE在平面剪切方向(垂直于颗粒成链方向)的磁流变效应，因此目前对MRE的力学性能评价主要关注其在不同磁场下的剪切动态黏弹性[18-23]。
然而，建筑物上的振动设备通常以竖向振动为主要振动模式，MRE智能隔振支座主要承受轴向拉压荷载，此时须关注MRE在平行于颗粒成链方向的磁流变效应[24]，即轴向磁流变效应。Kallio等[18]利用材料试验机测试了MRE压缩方向的力学特性，得到了其压缩模量和阻尼特性随磁场强度、频率和应变幅值的变化趋势;Popp等[25]建立了理论分析模型，预测MRE在不同轴向应变幅值和频率下的储能模量，理论值与单自由度振动试验吻合较好;王宇飞等[26]利用MTS试验机对MRE进行了动态压缩性能测试，结果表明预压缩量增加时MRE的磁流变效应减小;Fereidooni等[27]利用MTS858疲劳试验机对MRE进行了动态拉压试验，探究了储能模量、损耗模量、损耗因子随磁场强度、加载频率变化的变化规律。
为测试MRE在不同磁场下的轴向动态黏弹性，上述研究普遍采用在疲劳试验机测试系统中附加励磁装置的方法。受测试环境的限制，该测试方法存在结构复杂、磁场强度较小、稳定性差等问题。相较于轴向磁流变效应测试系统，基于旋转流变仪的剪切磁流变效应测试技术更为成熟，测试系统结构较为简单，磁场强度更高，且试验误差相对较小。因此，建立MRE剪切磁流变效应与其轴向磁流变效应的关系，对于评价MRE轴向磁流变效应，指导MRE竖向隔震支座的设计具有实际意义。
1 实验设置
1.1 样品制备
制备MRE使用的填充相材料为平均粒径4μm的羰基铁粉(德国巴斯夫有限责任公司提供)，基体为室温固化的双组分RTV硅橡胶(珠海市固加新材料有限公司提供)。MRE制备过程中，使用黏度为100cSt的二甲基硅油以减少磁性颗粒的团聚。羰基铁粉的体积分数为30%，液态硅橡胶和二甲基硅油的质量比为1∶1，固化剂的质量为液态硅橡胶质量的2%。橡胶类材料的拉压力学性能会受到第一形状系数S1的影响，其计算公式为:
(1)
式中，D为样品的横截面直径，t为样品厚度。MRE拉压动态黏弹性测试普遍采用的第一形状系数在0.56到1之间，本文取第一形状系数为1，样品直径为20mm，厚度为5mm。根据旋转流变仪的测试要求及前人研究，剪切动态黏弹性测试样品直径为20mm，厚度为1mm。
1.2 实验方法和原理
轴向磁流变效应测试系统包括微机控制电子万能试验机(CMT4504GD)、数据采集系统、供磁装置三个部分。如图1所示，电子万能试验机用于施加轴向拉压循环荷载;数据采集系统主要包括LVDT、力学传感器、IMC采集系统三个部分，用于采集位移及加载力;供磁装置为MRE样品施加可控磁场，主要包括供磁线圈、隔磁外套、铁芯等。隔磁外套一方面与铁芯形成闭合磁路，减小磁阻，增加样品处的磁场强度，另一方面可以减小磁场泄露对加载设备和测量设备的影响。隔磁外套的正面开探测孔，以便应用高斯计对磁场强度与线圈两端电流的关系进行标定。样品置于上部铁芯和下部铁芯之间，通过铝块与铁芯相连。铝块的作用是增加样品处的磁阻，避免加载过程中因样品高度变化导致样品处磁场强度发生明显改变。对MRE进行循环加载，位移幅值分别为0.25m、0.5mm、0.75mm(换算为应变幅值为5%、10%、15%)，供磁装置施加磁场强度分别为0kA/m、46kA/m、92kA/m、139kA/m、186kA/m。根据Vatandoost等[24]的研究，不同预加压应变(6%、11%和21%)会对MRE的拉压力学特性产生影响。由于在本试验中为了探究MRE在较大应变幅值(5%~15%)下的轴向磁流变效应，同时为了避免将样品压坏，将MRE的预加压应变取为5%(预压缩量为0.25mm)。本试验共计测试15个工况。
图1 轴向磁流变效应测试系统结构示意图
Fig.1 Structural diagram of test system for axial magnetorheological effect
储能模量
的计算公式为:
(2)
式中，
、
分别为滞回曲线受拉侧和受压侧的对角线斜率。按照黏弹性力学的理论，损耗因子可以按照式(3)计算:
(3)
式中，WD为阻尼能，即单位体积的阻尼材料在交变应力及应变下每周耗散的能量，数值上等于应力应变滞回曲线所包围的面积;WS为弹性应变能，是指材料在MRE在应变幅值处的弹性储能，按照式(4)计算:
(4)
损耗模量的计算公式如式(5)所示:
(5)
剪切磁流变效应采用MCR 301旋转流变仪(Anton Paar公司)测试。为避免MRE样品与加载头之间发生滑移，对MRE样品施加预加压力(20N左右)。设置剪切加载应变幅值为5%、10%、15%，磁场强度为0kA/m、46kA/m、92kA/m、139kA/m、186kA/m。MRE的剪切滞回曲线、储能模量、损耗模量、阻尼损耗因子等参数均可由流变仪数据采集分析系统直接输出。
2 结果与讨论
2.1 拉压动态黏弹性
图2(a)、(b)分别为零场及186kA/m磁场下，不同应变幅值下的应力-应变滞回曲线。可以看出，随着应变幅值的增加，滞回曲线的非线性特征更为显著。其中，在应变幅值为5%时，滞回曲线基本为椭圆形，接近于线性黏弹性的特性，而当应变幅值为15%时，滞回曲线呈现出不规则的椭圆形状，受拉侧和受压侧曲线明显不对称。造成这种与应变幅值有关的非对称性的原因是，当样品受拉时样品的截面面积减小导致测得的应力小于真实应力，导致受拉侧储能模量随着应变幅值的增加而减小，而当样品受压时截面面积增加导致测得的应力大于真实应力，受压侧储能模量随着应变幅值的增加而增加。图2(c)、(d)分别为5%及15%轴向应变幅值下，MRE在不同磁场强度的滞回曲线，从图中可以看出，随着磁场强度的增加，MRE拉压滞回曲线的对角线斜率增加，且滞回圈面积增加，表明MRE的轴向储能模量及耗能能力随磁场强度的增大而增大。如图2(d)所示，磁场强度的增加也会导致滞回曲线的非线性特征更为显著，受拉侧和受压侧曲线不对称性更为明显，这是因为，当材料受拉时，磁性颗粒之间的间距增加，颗粒之间的磁相互作用力减小导致储能模量随着应变幅值的增加而减小，当材料受压时，由于磁性颗粒之间的间距减小，颗粒之间的磁相互作用力增加导致储能模量随着应变幅值的增加而增加。
图3为轴向储能模量、损耗模量、损耗因子等黏弹性参数在不同磁场下随应变幅值的变化曲线。由图可以看出，各参数均随着应变幅值的增加而减小，并随着磁场强度的增加而增加。其中，轴向损耗因子随着应变幅值的增加而减小，这是因为，当材料受到压缩时，材料的内部结构更为紧密，磁性颗粒的间距减小导致颗粒间的磁相互作用力增加，材料的压缩刚度随着应变幅值的增加而增加。但是压缩也会导致颗粒间的可移动范围减小，因此颗粒与基体间的摩擦耗能随着应变幅值的增加提升不明显。
图2 MRE在不同轴向加载工况下的滞回曲线
Fig.2 Hysteresis curve of MRE under different axial loading conditions
图3 不同磁场下MRE轴向储能模量、损耗模量、损耗因子随应变幅值的变化
Fig.3 Variation of axial storage modulus，loss modulus and loss factor of MRE
with strain amplitude under different magnetic field strength
2.2 剪切动态黏弹性
图4(a)、(b)分别为零场下和186kA/m磁场下，不同应变幅值下的剪切滞回曲线，可以看出，与拉压模式不同，剪切滞回曲线的形状呈现出典型的椭圆形状，具备明显的线性黏弹性特点。随着应变幅值的增加，滞回曲线对角线斜率明显减小，表明其储能模量减小。图4(c)、(d)分别为5%及15%剪切应变幅值下，MRE在不同磁场强度的滞回曲线，从图中可以看出随着磁场强度的增加，滞回曲线的对角线斜率增加，且滞回面积明显增加，表明MRE的剪切储能模量和耗能能力随磁场强度的增大而增大。
图5为剪切储能模量、损耗模量、损耗因子等黏弹性参数在不同磁场下随应变幅值的变化曲线。从图中可以看出，储能模量、损耗模量随着应变幅值的增加而降低，随着磁场强度的增加而增加。损耗因子随着应变幅值的增加而增加，随着磁场强度的增加而增加。其中，损耗因子随着应变幅值的增加而增加，这是因为，在剪切受力过程中，随着应变幅值的增加，磁性颗粒的距离增加，磁相互作用力减弱，储能模量随着应变幅值的增加而降低，而随着应变幅值的增加，磁性颗粒与基体之间的摩擦耗能随着应变幅值的增加而增加。
图4 MRE在不同剪切工况下的滞回曲线
Fig.4 Hysteresis curve of MRE under different shear conditions
2.3 轴向磁流变效应和剪切磁流变效应对比
MRE在轴向荷载和剪切荷载下均表现出显著的磁流变效应。图6为应变幅值为5%和15%时，MRE轴向储能模量及剪切储能模量均随磁场强度的变化曲线。由图可以看出，在相同磁场强度下，MRE的轴向储能模量高于其剪切储能模量，这是因为MRE的基体材料为硅橡胶，硅橡胶本身作为一种各向同性材料，轴向模量高于剪切模量。随着磁场强度的增加，轴向模量与剪切模量的差值几乎保持不变，在5%应变幅值下，其轴向储能模量较之剪切储能模量平均提高199kPa;在15%应变幅值下，平均提高幅度为200kPa。
图5 不同磁场强度下MRE剪切储能模量、损耗模量、损耗因子随应变幅值的变化
Fig.5 Variation of MRE shear storage modulus，loss modulus and loss factor
with strain amplitude under different magnetic field strength
图6 MRE轴向储能模量及剪切储能模量随磁场强度的变化
Fig.6 Variation of MRE axial storage modulus and shear storage modulus with magnetic field strength
图7(a)、(b)为应变幅值分别为5%和15%时，剪切和拉压损耗模量随磁场强度的变化曲线，MRE在轴向荷载和剪切荷载下的损耗模量都表现出随磁场强度的增加而增加的趋势。从图中可以看出，在相同的磁场强度下，MRE的轴向损耗模量高于剪切损耗模量。在5%的应变幅值下，其轴向损耗模量较之剪切损耗模量平均提高73kPa;在15%的应变幅值下，平均提高幅度为4kPa。
图8(a)、(b)所示为剪切和轴向受力模式下损耗因子随磁场强度的变化曲线，从图中可以看出，MRE在轴向荷载和剪切荷载下的损耗因子都呈现出随磁场强度增加而增加的变化趋势，且MRE的剪切损耗因子高于轴向损耗因子。在5%的应变幅值下，其剪切损耗因子相较于轴向损耗因子平均提高0.16;在15%的应变幅值下，平均提高幅度为0.23。
图7 MRE轴向损耗模量及剪切损耗模量随磁场强度的变化
Fig.7 Variation of axial loss modulus and shear loss modulus of MRE with magnetic field strength
图8 MRE轴向损耗因子及剪切损耗因子随磁场强度的变化
Fig.8 Variation of axial loss factor and shear loss factor of MRE with magnetic field strength
3 结论
(1)MRE在轴向荷载和剪切荷载下都表现出显著的磁流变效应，其储能模量、损耗模量、损耗因子等黏弹性参数均随磁场强度的增加而增加。
(2)MRE轴向及剪切储能模量、损耗模量均随应变幅值的增加而减小;轴向损耗因子随着应变幅值的增加而减小，剪切损耗因子随着应变幅值的增加而增加。
(3)MRE的轴向储能模量和损耗模量高于剪切储能模量和损耗模量;轴向损耗因子小于剪切损耗因子。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[①] *通讯作者 Corresponding author:马宁，maning@dlut.edu.cn;董旭峰，dongxf@dlut.edu.cn
收稿日期:2022-03-27; 录用日期:2022-04-08; 发表日期:2022-06-28
基金项目:国家自然科学基金项目(52178459)资助
参考文献(References)
[1] 张荣山.工程振动与控制[M].北京:中国建筑工业出版 社,2003.
[2] 吴体,肖承波,熊峰.建筑结构中的振动问题与对策[J]. 四川建筑科学研究,2006,32(6):3.
[3] 中国工程建设标准化协会建筑振动专业委员会.建筑振 动工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[4] 徐建,尹学军,陈骝.工业工程振动控制关键技术研究进 展[J].建筑结构.2015,45(19):7.
[5] Blom P,Kari L.Smart audio frequency energy flow control by magneto-sensitive rubber isolators[J].Smart Materials & Structures,2008,17(1):015043.
https://doi.org/10.1088/0964-1726/17/1/015043.
[6] Opie S,Yim W.Design and control of a real-time variable modulus vibration isolator[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2011,22(2):113-125.
https://doi.org/10.1177/1045389X10389204.
[7] Opie S,Yim W.Design and control of a real-time variable stiffness vibration isolator[C]//2009 IEEE/ASME international conference on advanced intelligent mechatronics. IEEE,2009:380-385.
https://doi.org/10.1109/AIM.2009.5229983.
[8] Lerner A A,Cunefare K A.Performance of MRE-based vibration absorbers[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2008,19(5):551-563.
https://doi.org/10.1177/1045389X07077850.
[9] Deng H X,Gong X L.Application of magnetorheological elastomer to vibration absorber[J].Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation,2008,13 (9):1938-1947.
https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2007.03.024.
[10] Kim Y K,Koo J H,Kim K S,et al.Developing a real time controlled adaptive MRE-based tunable vibration absorber system for a linear cryogenic cooler[C]//2011 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM).IEEE,2011:287-290.
https://doi.org/10.1109/AIM.2011.6026978.
[11] Behrooz M,Wang X,Gordaninejad F.Performance of a new magnetorheological elastomer isolation system[J].Smart Materials and Structures,2014,23(4):045014.
https://doi.org/10.1088/0964-1726/23/4/045014.
[12] Jung H J,Eem S H,Jang D D,et al.Seismic performance analysis of a smart base-isolation system considering dynamics of MR elastomers[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2011,22(13):1439-1450.
https://doi.org/10.1177/1045389X11414224.
[13] Koo J H,Jang D D,Usman M,et al.A feasibility study on smart base isolation systems using magneto-rheological elastomers[J].Structural Engineering and Mechanics, 2009,32(6):755-770.
http://dx.doi.org/10.12989/sem.2009.32.6.755.
[14] Eem S H,Jung H J,Koo J H.Application of MR elastomers for improving seismic protection of base-isolated structures[J].IEEE Transactions on Magnetics, 2011,47(10):2901-2904.
https://doi.org/10.1109/TMAG.2011.2156771.
[15] Behrooz M,Sutrisno J,Wang X,et al.A new isolator for vibration control[C]//Active and passive smart structures and integrated systems 2011.SPIE,2011,7977:351-359.
http://dx.doi.org/10.1117/12.881871.
[16] Li Y,Li J,Tian T,et al.A highly adjustable magnetorheological elastomer base isolator for applications of real-time adaptive control[J].Smart Materials and Structures,2013,22(9):095020.
http://dx.doi.org/10.1088/0964-1726/22/9/095020.
[17] Wang Q,Dong X,Li L,et al.Study on an improved variable stiffness tuned mass damper based on conical magnetorheological elastomer isolators[J].Smart Materials and Structures,2017,26(10):105028.
http://dx.doi.org/10.1088/1361-665X/aa81e8.
[18] Kallio M,Lindroos T,Aalto S,et al.Dynamic compression testing of a tunable spring element consisting of a magnetorheological elastomer[J].Smart Materials and Structures,2007,16(2):506-514.
http://dx.doi.org/10.1088/0964-1726/16/2/032.
[19] Li J,Gong X,Xu Z B,et al.The effect of pre-structure process on magnetorheological elastomer performance [J].International Journal of Materials Research,2008, 99(12):1358-1364.
https://doi.org/10.3139/146.101775.
[20] Zhou G Y.Shear properties of a magnetorheological elastomer[J].Smart Materials and Structures,2003,12 (1):139-146.
http://dx.doi.org/10.1088/0964-1726/12/1/316.
[21] Jolly M R,Carlson J D,Munoz B C,et al.The Magnetoviscoelastic response of elastomer composites consisting of ferrous particles embedded in a polymer matrix [J].Journal of Intelligent Material Systems & Structures, 1996,7(6):613-622.
https://doi.org/10.1177/1045389X9600700601.
[22] Dong X,Ma N,Qi M,et al.The pressure-dependent MR effect of magnetorheological elastomers[J].Smart materials and structures,2012,21(7):075014.
https://doi.org/10.1088/0964-1726/21/7/075014.
[23] Tian T F,Li W H,Alici G,et al.Microstructure and magnetorheology of graphite-based MR elastomers[J]. RheologicaActa,2011,50(9-10):825-836.
https://doi.org/10.1007/s00397-011-0567-9.
[24] Vatandoost H,Sedaghati R,Rakheja S,et al.Effect of pre-strain on compression mode properties of magnetorheological elastomers[J].Polymer Testing,2021, 93:106888.
https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.106888.
[25] Popp K M,Kröger M,Li W,et al.MRE properties under shear and squeeze modes and applications[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2010,21(15):1471-1477.
https://doi.org/10.1177/1045389X09355666.
[26] 王宇飞,何琳,杨雪.磁流变弹性体的动态压缩性能 [J].高分子材料科学与工程,2011,27(5):4.
[27] Fereidooni A,Martins A,Wickramasinghe V,et al. Fabrication and characterization of highly controllable magnetorheological material in compression mode[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2020,31(14):1641-1661.
https://doi.org/10.1177/1045389X20930081.
Comparative Study on Axial Magnetorheological Effect and Shear Magnetorheological Effect of Magnetorheological Elastomer
(1. School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
2. School of Civil and Architectural Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China
3. School of Materials Science and Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
4. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China)
Abstract: The magnetorheological effect of magnetorheological elastomer (MRE) suggests that the viscoelasticity of MRE can be reversibly regulated by magnetic fields in real time. Presently, MRE intelligent variable stiffness isolation device mainly employs the magnetorheological effect of materials in the shear direction, in which case the research on MRE magnetorheological effect is largely focused on the shear direction. However, in the vertical isolation, such study mainly deals with the axial magnetorheological effect of MRE. Our paper, which studies the magnetorheological effect of MRE under axial load through experiments, tries to draw a comparative analysis between the magnetorheological effect with that under shear load. Based on the electronic universal testing machine and excitation device, the axial magnetorheological effect test system was designed, and the shear magnetorheological effect was studied by rotating rheometer. Under the two operating modes, the magnetic field intensity was adjusted between 0~184kA/m, whereas the strain amplitude range varied from 5% to 15%. The tension-compressive hysteretic curves and shear hysteretic curves of MRE under different magnetic fields were obtained, and the viscoelastic mechanical parameters under different working conditions were calculated. The test results show that MRE has good characteristics of magnetostrictive variable modulus and variable damping under axial load. Compared with shear mode, the storage modulus and loss modulus under tension-compressive mode are improved, while the damping loss factor is relatively smaller.
Keywords: Magnetorheological elastomer, axial magnetorheological effect, shear magnetorheological effect
DOI: 10.48014/pcms.20220327004
Citation: LI Jiangtao,WANG Qi,TONG Yu,et al.Comparative study on axial magnetorheological effect and shear magnetorheological effect of magnetorheological elastomer[J].Progress in Chinese Materials Science, 2022,1(1):1-10.