面向风洞管道减振的磁流变弹性体的制备、表征与器件研究

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1、面向风洞管道减振的磁流变弹性体的制备、表征与器件研究重庆大学博士学位论文学生姓名：綦松指导教师：余淼教授专业：仪器科学与技术学科门类：工学重庆大学光电工程学院二O一七年十一月StudyonPreparation,CharacterizationandDevicesofMagnetorheologicalElastomersforVibrationReductionofWindTunnelPipelinesAThesisSubmittedtoChongqingUniversityInPartialFulfillmentoftheRequirementfortheD

2、octor’DegreeofEngineeringByQiSongSupervisedbyProf.YuMiaoSpecialty:InstrumentScienceandTechnologyCollegeofOptoelectronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaNovember,2017中文摘要摘要风洞作为空气动力研究和飞行器研制最基本的试验设备，在飞行器研发和定型中发挥着重要的作用。风洞管道的振动会影响被测飞行器模型的绕流，对测试结果造成强烈的干扰，甚至会造成一些动态试验失败。风洞管道系统

3、是具有分布参数的连续体结构，其大尺度的薄壁管道容易受其变化振源的影响，在工况下具有多个共振点。因此风洞管道复杂的振动特性给其减振技术带来了巨大的挑战。磁流变弹性体（MRE）是一种将微米级磁性颗粒分散到聚合物弹性体中制备而成的磁控智能材料，其不仅拥有颗粒增强复合材料的优异力学特性，还具备迅速、连续和可逆的磁控刚度特性。针对具有连续体结构的风洞管道的振动特性，基于MRE研发的减振器件能够根据变化的振动激励实时调节自身参数，因此可以实现更为有效的分布式减振。目前关于MRE的研究主要集中在材料制备表征、机理研究及器件应用研究三个方面。首先在MRE的磁控力学特性方面，磁流

4、变效应和机械强度具有一定的矛盾性。因此目前制备的MRE往往不能同时二者兼顾，较低的磁流变效应或机械强度限制了MRE在减振领域更深层次的工程应用。其次不同的MRE器件对MRE的材料性能提出了不同的要求，研制具有特定性能的MRE是提高各类减振器件性能的关键。此外关于MRE的力学性能的研究主要集中在动态力学性能上，对静态粘弹行为的研究较少。静态粘弹行为对MRE的微观结构非常敏感，通过系统地研究MRE的静态粘弹行为可以更加深入了解MRE的微观机理。因此开展MRE静态粘弹行为的研究具有重要的理论和工程应用价值。本文针对MRE在风洞管道减振方面潜在的工程应用，从材料制备表征

5、、机理研究及器件应用研究三个方面对MRE展开了研究。本文的主要内容简述如下：基体作为磁性颗粒的载体，对MRE的性能具有重要影响。本文首先制备了聚氨酯/环氧树脂互穿网络结构基MRE，并对其静态力学特性、磁控特性、阻尼特性、耐热性等性能进行了综合评价。分析发现互穿网络结构在保证一定的磁流变效应条件下，能大幅提高MRE的机械强度，耐热性和阻尼特性。另一方面，制备了具有高磁流变效应和低阻尼的铂催化硅橡胶基MRE。该MRE具有低阻尼及优异的力学特性，其磁流变效应可达691%。这些工作为高性能MRE的研制方法提供了参考，并为MRE在后续吸振器和隔振器方面的应用研究奠定了材料

6、基础。界面作为连接颗粒与基体的桥梁，关系着MRE力学特性的优劣。界面的改善可以提高羰基铁粉在基体中的分散特性，减小颗粒的团聚现象。本文利用聚苯胺对羰基铁粉进行了包覆，提高了各向同性MRE的磁致模量，并降低了损耗因子。I重庆大学博士学位论文此外，本文利用大振幅振荡剪切测试对MRE的佩恩效应进行了系统研究，讨论了界面和磁场对佩恩效应的影响。利用Kraus模型和修正Maier模型分别对实验结果进行了数值拟合，探讨了在外加磁场下MRE的颗粒-颗粒和颗粒-基体的耦合作用对佩恩效应的影响。该工作不仅为提高MRE界面结构的材料制备方法提供了思路，关于MRE佩恩效应的研究还可为

7、其工程应用提供理论支撑。磁性颗粒是MRE获得磁控特性的关键，本文通过将硬磁颗粒NdFeB替代羰基铁粉在一定条件下制备了具有剩磁的磁性MRE。首先对颗粒及MRE的微观结构、磁学特性进行了表征，然后对该MRE在不同磁场条件下的动态力学特性进行了测试，并提出了相应的物理机制对其磁致特性进行了讨论。基于硬磁颗粒的退充磁效应，硬磁颗粒之间的相互作用力会随磁场的变化增大或减小。因此该MRE的模量在变化磁场下会表现出增大和减小的趋势，即MRE的双向磁控刚度特性。此外，基于NdFeB颗粒本身及其磁畴的旋转引起的界面阻尼及磁滞阻尼，该MRE表现出优异的高阻尼特性。蠕变回复和应力松

8、弛是静态粘弹行为的两种主