石墨烯对PDMS基磁流变弹性体粘弹性影响的实验研究毕业论文
2020-02-18 10:02
摘 要
磁流变材料是一类具有流变特性的智能材料，在磁场的作用下，其流变特性可发生连续的、迅速的变化，近10年来关于磁流变材料的研究引起了学术界和工业界的普遍关注，尤其是磁流变弹性体优越的性能取代了磁流变液的作用，更加得到广大研究者的关注。
本文着重研究石墨这种添加物对PDMS基磁流变弹性体的性能的影响，探究制备石墨烯和磁性粒子在PDMS基体中均匀分布的磁流变弹性体的实验方案，在不预加磁场的情况下制备不同含量石墨烯PDMS基磁流变弹性体(MRE)，并且确定石墨烯和磁性颗粒在基体中分布均匀，通过进行动态流变实验和准静态压缩试验，分析石墨烯的添加以及石墨烯的含量对于PDMS基磁流变弹性体的性能影响，得到以下结论:
（1）石墨烯会提高PDMS基磁流变弹性体的储能模量，在一定条件下，石墨烯的含量越高，储能模量的数值越大。
（2）石墨烯低于2.0%的PDMS磁流变弹性体，石墨烯的添加对弹性体的压缩弹性模量有增强效果。
（3）磁场对于添加石墨烯的PDMS基磁流变弹性体的压缩刚度、储能模量和损耗模量都有增强效果。
关键词：磁流变弹性体；石墨烯；PDMS；复合材料
Abstract
Magnetorheological materials are a kind of intelligent materials with rheological properties. Under the action of magnetic field, their rheological properties can change continuously and rapidly. In recent 10 years, the research on Magnetorheological materials has attracted widespread attention in academia and industry. Especially, the superior properties of magnetorheological elastomers have replaced the role of magnetorheological fluids, which has attracted more attention of researchers.
In this paper, the effect of graphite additive on the properties of PDMS-based magnetorheological elastomer is studied. The experimental scheme of preparing magnetorheological elastomer with uniform distribution of graphene and magnetic particles in PDMS matrix is explored. Through dynamic rheological and quasi-static compression tests, the effects of graphene addition and graphene content on the properties of PDMS-based magnetorheological elastomers were analyzed. The following conclusions were drawn:
The influence of magnetic field on the modulus of samples under different test frequencies is studied. It is concluded that the higher the test frequency is, the greater the stiffness of MR elastomer is. The greater the values of storage modulus and loss modulus are, the greater the relative change of storage modulus is than that of loss modulus.
(1) Graphene can improve the storage modulus of PDMS-based magnetorheological elastomers. Under certain conditions, the higher the content of graphene, the greater the storage modulus.
(2) In the static compression experiment, the effect of different graphene content on the compressive elastic modulus of PDMS magnetorheological elastomer is studied. The results show that graphene is less than 2.0% of PDMS magnetorheological elastomer, and the addition of graphene can enhance the compressive elastic modulus of PDMS magnetorheological elastomer.
(3) In the experiment of the effect of magnetic field on the modulus of PDMS-based magnetorheological elastomer containing graphene, it is concluded that magnetic field can enhance the compressive stiffness, storage modulus and loss modulus of PDMS-based magnetorheological elastomer with graphene.
Key Words：Graphene；Magnetorheological elastomer；Composite material； PDMS
目 录
第1章 绪论 1
1.1 磁流变材料 1
1.2 磁流变弹性体介绍 1
1.3 磁流变弹性体研究进展 2
1.4 PDMS复合材料 4
1.5 本课题的研究内容和目的 4
第2章 含不同石墨烯量磁流变弹性体的制备 5
2.1实验原料与器材 5
2.2 GO/PDMS 磁流变弹性体的制备 7
2.3 SEM表征 9
2.4 本章小结 11
第3章 磁流变弹性体的流变实验 12
3.1 磁流变弹性体动态粘弹性测试 12
3.2磁流变弹性体动态粘弹性测试结果 14
3.3 本章小结 20
第4章 磁流变弹性体的准静态实验 21
4.1 磁流变弹性体准静态压缩试验测试 21
4.2准静态压缩试验测试结果 22
4.3 本章小结 25
第5章 结论 26
参考文献 27
致 谢 28
第1章 绪论
1.1 磁流变材料
磁流变材料（Magnetorheological material，MR material）通常主要由磁性颗粒、非磁性基体以及其他的添加剂构成[1]。最早被人们发现和使用的的是磁流变液（Magnetorheological Fluid,MRF），因为磁流变液的流变性能能够通过磁场进行控制和调控，所以用组合的单词和流变进行命名。磁流变材料是将微纳米级的磁性颗粒掺杂于的基体材料中而成的复合材料体系。磁流变材料是一种具有流变性质的智能材料，在磁场的影响下，它的流变特性能够发生连续、迅速和可逆的变化，通过调节磁场的大小来控制材料的力学、电学和磁学的性能，这类材料在航空航天、汽车、振动控制等各种领域有广阔的应用前景，关于磁流变材料的研究和探索在近些年在学术界和工业界引起广泛的关注。
磁流变材料发展到现在已经形成了种类各样而且十分丰富的材料体系，包括不同的尺寸，形态和磁性颗粒与不同形态和材料基体混合形成的材料体系，主要的基体的类型大致可以分为三类及其衍生物，包括磁流变液（MRF）、磁流变胶（MRG，Magnetorheological gels）与磁流变弹性体（MRE,Magnetorheological elastomers）等。磁流变弹性体是一种比较新型的磁流变材料，需要进一步探索。
1.2 磁流变弹性体介绍
磁流变弹性体是通过物理或化学等手段,将微米级软磁性颗粒散布在粘塑性态的高分子聚合物基体中,固化后形成的高弹性的复合材料[2]。磁流变弹性体中的载液被橡胶所代替，所以磁流变材料中的颗粒不会随着时间的推移而发生沉降，这是它显著的优点,而且也不需要把磁流变材料保持在工作位置保持密封得状态。磁流变弹性体和磁流变液相比在制备工艺与工作原理上都有很大的区别，磁流变液在不加磁场的情况下特磁性颗粒是处于自由热运动状态的，在对其施加外磁场后，被磁化的颗粒会在基液内部形成链状或者柱状的结构，这使得磁流变液出现类似于固体的状态，发生“相变”现象，其剪切屈服强度会瞬间增加。但是对于磁流变弹性体来说，一般情况，它内部的颗粒都是被固定的，在外磁场作用下磁性颗粒的移动会受到限制，所以在外磁场作用后磁流变弹性体不会发生“相变”的现象[3][4][5][6]。与磁流变液不同，磁流变弹性体中的磁性颗粒被基体固定，不能通过外加磁场修复材料屈服后被破坏的链状颗粒结构，只能在材料屈服前的阶段工作，磁流变液的智能控制是通过外部磁场改变剪切屈服强度来实现，而磁流变弹性体是通过外部磁场改变模量及阻尼等性能来实现的，磁流变弹性体只能工作于屈服前的状态，即具有可受到磁场控制的弹性模量，而磁流变液通常工作于屈服后的状态。这就赋予了磁流变液和磁流变弹性体不同的特性，两者不能相互代替[3]。
磁流变弹性体广泛应用于机械传动、减振隔振，机器人和智能执行机构等领域，用磁流变弹性体可以用于制作各种减振系统、直升机旋翼部件、武器反后坐系统、精密电子设备的振动隔离、旋转机械和发电设备的支座、制造自动化系统的运动控制等，可以大大简化机械结构，提高系统的控制性能，完成一些传统机械结构难以实现的功能[4]。利用磁流变弹性体在外加磁场下的磁制效应，有些公司和科研人员已经设计制作出基于磁流变弹性体的器材，如福特公司设计出能在轴向和径向实现不同的刚度控制的轴衬；中国科技大学设计出剪切型磁流变弹性体主动移频调谐式动力吸振器,在实际应用中磁流变弹性体受到越来越多的关注[5]。
1.3 磁流变弹性体研究进展
自1995年Shiga等人首次用硅树脂制备磁流变弹性体原型以来，大量研究者致力于磁流变弹性体的研究与开发。为了提高磁流变弹性体材料的性能，广泛采用了磁粉含量、颗粒形状和预施加磁场等多种制备影响因素[6]。2002年，Demchuk用三种不同尺寸的磁性颗粒制备了磁流变弹性体。研究了磁流变弹性体的粒度与性能之间的关系。实验结果表明，基体中颗粒尺寸越大形成的链结构越好，颗粒尺寸越大，磁流变效应越大。2000年Bossis等研究了预结构磁场和铁磁颗粒含量对硅橡胶基磁流变弹性材料性能的影响。结果表明，预结构材料的磁流变效应明显高于非预结构材料，材料的磁流变效应随磁性颗粒含量的增加呈线性增加。2003年，瑞典的Stenberg等人制备了不同粒径和形状的磁流变弹性体样品。研究了粒度和形状对材料性能的影响。结果表明，在没有磁场的情况下，由不规则磁性颗粒制备的材料具有明显的绝对磁流变效应[7]。并指出可在试样中加入增塑剂。为了提高天然橡胶基磁流变弹性体的相对磁流变效应，研究了不同模量橡胶基体对磁流变弹性体性能的影响。以不同规格硅橡胶为基体制备了磁流变弹性体样品。试验结果表明，橡胶基体越软(基体模量越小)，制备的材料的磁流变效应越大,2007年Boczkowska等人用聚氨酯制备了磁流变弹性体。讨论了预构磁场强度和铁磁颗粒含量对材料内部结构和磁流变效应的影响。结果表明，磁流变弹性体中颗粒含量越多，形成的结构越复杂[8]。Woods等建立了一种室温硫化制备硅橡胶基磁流变弹性体的方法，研究了铁磁性颗粒体积分数对磁流变弹性体力学性能的影响[8]。2008年，Pariss等人以硅橡胶为基体，制备了不同尺寸和尺寸的铁磁颗粒的磁流变弹性体。对不同尺寸的磁流变弹性体进行了力学性能测试。实验结果表明，制备过程中加入的小颗粒越少，材料的磁流变效应越明显。
我国对磁流变材料的研究起步较晚，而且研究范围主要集中于磁流变流体和使用方面，自2002年以来才有关于磁流变弹性体相关文章发表。中国科技大学王桦等研制了一种磁流变弹性体，并建立了测试系统对其性能进行测试[9]。
2005年，中科大张先舟以704硅橡胶为原料，采用室温硫化法制备了磁流变弹性体。研究了磁流变弹性体的性能与制备条件的关系，如磁性粒子的体积比和无预结构磁场的增塑剂的含量,结果表明，在没有预结构磁场的情况下，磁性粒子可以形成自适应结构，对磁流变弹性体性能造成影响;2005年，王银玲以704硅橡胶和聚氨酯为基体，在无场条件下制备了复合材料磁流变弹性体，在制备过程中，可以通过添加硅油来调整两种基体之间的结合能力。结果表明，复合材料磁流变弹性体材料的磁流变效果优于单一的硅酮橡胶基或聚氨酯基磁流变弹性体材料。为改善材料性能，在磁流变弹性体中加入表面活性剂。结果表明，添加表面活性剂可以提高磁流变弹性体的机械强度，因为表面活性剂有助于提高磁流变弹性体的机械强度[10]。
陈琳在2007年发表的论文中，系统地研究了磁性粒子用量、预结构磁场强度、预结构温度、增塑剂用量等制备因素对天然橡胶基磁流变弹性体性能的影响。张先舟还分析了磁性颗粒在磁流变弹性体晶格排列中的磁流变效应，提出了一种新的材料制备方法,通过设计铁磁粒子的排列，制备了磁流变弹性材料，实现了对材料性能的控制[11]。2008年，陈琳还研究了炭黑掺入MR弹性体对材料性能的影响。结果表明，炭黑掺杂能有效地提高材料的磁流变弹性模量，降低材料的阻尼，同时降低材料的磁流变效应。张玮采用辐射硫化法制备了硅酮橡胶基磁流变弹性体。对辐照硫化和热硫化后试样的性能进行了测试和比较。结果表明，辐射硫化法制备的试样具有较好的耐久性能和较低的力学性能，但热硫化法制备方法较短，操作方便,姚静静用不同表面活性剂处理的铁磁颗粒制备了磁流变弹性体。研究了不同表面活性剂对磁流变弹性体性能的影响。实验结果表明，表面活性剂能显著提高磁流变弹性体的磁流变效应[11]。
磁性粒子是MRE的活性组分，其提供MRE的机械性质的变化。这些磁性颗粒的典型尺寸为几百纳米至几微米，远大于聚合物网络的网眼尺寸。在外部磁场下磁化直到饱和磁化强度以及颗粒的形状，尺寸和体积浓度的能力强烈地影响MRE的机械性能
综上所述，目前MRE材料制备方法的研究主要集中在以下几种方面上:磁性颗粒体积比、颗粒形状、颗粒大小、预构磁场强度和增塑剂表面活性剂[12]。
1.4 PDMS复合材料
天然橡胶是弹性体。天然橡胶的提纯后的形式是异戊二烯，它可以进行综合生产。硫化硅橡胶通常需要加热，硅橡胶和硫化硅密封剂在室温下与硅油混合后能够 改变它的延展性。聚二甲基硅氧烷，即PDMS，是硅橡胶的一个例子.PDMS具有低的表面张力，并且能够润湿大部分表面。该体系的稳定性和化学中性也使得粘合剂与金属结合。
聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有优异的热稳定性，这源于硅氧键高的解离能，所以在运用硅橡胶的制品的时候，硅橡胶有较宽的使用温度，从-100摄氏度到300摄氏度，耐高温和低温；同时PDMS具有优异的耐候性能，这源于聚二甲基硅氧烷可以透过可见光的紫外线，耐臭氧，抗氧原子，耐电晕放电和电弧放电等优良的性能；它还拥有优异的介点性能和绝缘性能，之源于聚二甲基硅氧烷低的内聚能密度，削弱空间位阻效应，使得甲基可以无拘束自由旋转，因此PDMS具有很低的介电常数，良好的绝缘性能，击穿电压强度在18kV~36kV/mm。所以广泛被用作高压下的电绝缘材料；PDMS还有生理惰性、低的表面能和表面张力，这源于聚二甲基硅氧烷高的分子柔顺性[10]。高分子量的聚二甲基硅氧烷为无色无味粘稠状流体，对眼睛皮肤没有明显的刺激作用，对人体没有排斥反应；PDMS还具有高的透气性，可以作为硅橡胶薄膜，分离气体或者液体，其透气性比普通硅橡胶及塑料膜更高，而且对气体具有选择透过功能。
1.5 本课题的研究内容和目的
本课题选用PDMS基磁流变弹性体作为研究的对象，通过向内部添加石墨烯这一增强的填料，来观测石墨烯的添加是否对磁流变弹性体的力学性能尤其是粘弹性力学性能产生影响。通过实验测试和理论研究的方法进行探究。
以下为实验的主要内容：
1、探索石墨烯、磁性颗粒均匀分布于PDMS橡胶基体的制备方法；
2、采用流变仪测试PDMS基磁流变弹性体的粘弹性力学性能；
3、采用流变仪测试石墨烯/PDMS基磁流变弹性体的粘弹性力学性能；
4、分析石墨烯对PDMS基磁流变弹性体粘弹性力学性能的影响。
第2章 含不同石墨烯量磁流变弹性体的制备
本章选用PDMS为高分子基体、羰基铁粉为填料的磁流变弹性体，以石墨烯作为添加料，制备相关试样。以石墨烯的含量为变量，对PDMS基磁流变弹性体进行流变实验和准静态实验，探究石墨烯含量的改变是否会对磁流变弹性体的粘弹性力学性能产生影响，并且对其微观结构、磁化性能等进行表征，并对观察结果进行初步分析。
2.1实验原料与器材
本实验溶剂热法制备所用的主要原材料见表2.1。
表2.1 实验试剂
名称 | 分子式 | 规格 | 生产厂家 | |
聚二甲基硅氧烷 | (C2H6OSi)n | 工业级 | 美国道康宁公司 | |
石墨烯 | 无 | 纯度gt;98% | 无锡澄宜教育科技有限公司 | |
羰基铁粉 | Fe | Fegt;97.8% | 陕西旭立恒新材料有限公司 | |
PDMS固化剂 | 美国道康宁公司 | |||
四氢呋喃 | C4H8O | 分析纯 | 国药集团化学试剂有限公司 | |
本实验所用的主要实验仪器见表2.2
表2.2 主要实验器材一览图
