專(zhuān)利名稱(chēng)：相變型磁流變材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能材料技術(shù)，尤其涉及一種相變型磁流變材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
磁流變材料是當(dāng)前智能材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，通常是由磁性分散相顆粒(Pm級(jí))、基體和添加劑等均勻混合而成。在施加外磁場(chǎng)后，該種材料的機(jī)械性能(流變性能或粘彈性能等)會(huì)迅速發(fā)生顯著且可逆的變化?；谶@一特性，自20世紀(jì)40年代末J. Rabinow首先發(fā)現(xiàn)磁流變液以來(lái),這種智能材料引發(fā)了新的研究熱潮并被廣泛應(yīng)用在工程和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。當(dāng)前磁流變材料主要包括磁流變液、磁流變膠和磁流變彈性體三大種類(lèi)，各類(lèi)磁流變材料均具有磁場(chǎng)可控的力學(xué)性能，同時(shí)也有其獨(dú)特之處。三者最主要的區(qū)別在于基體材料不同，磁性顆粒、基體以及顆粒與基體之間的相互作用都會(huì)影響材料的性能，在優(yōu)化磁性顆粒的含量、改變顆粒在基體中的分布情況、增強(qiáng)顆粒與基體之間的相容性 等方面，人們已經(jīng)做了大量的研究工作，在改善基體的性能方面同樣如此?；w本身的屬性在很大程度上影響著磁流變材料的力學(xué)性能，目前，基于液態(tài)載液為分散介質(zhì)的磁流變液在外加磁場(chǎng)下具有很高的磁流變效應(yīng)，可滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求，但顆粒與載液之間大的密度差易導(dǎo)致磁性顆粒沉降，難以同時(shí)兼顧高的磁致效應(yīng)和高穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種兼具高的磁致效應(yīng)和高穩(wěn)定性的相變型磁流變材料及其制備方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的相變型磁流變材料，包括基體材料、磁性顆粒、表面活性劑,所述基體材料包括石蠟與白凡士林以I. 5 1-1 I. 5的質(zhì)量比混合，所述磁性顆粒為羰基鐵粉，所述表面活性劑為以下任一種或多種硬脂酸、油酸、硬脂酸鈉、聚乙二醇、硅烷偶聯(lián)劑、吐溫；所述基體材料、磁性顆粒、表面活性劑按以下質(zhì)量份配比基體材料38.2 — 69. I 份；磁性顆粒30 — 60份；表面活性劑:0. 9 — I. 8份。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的相變型磁流變材料，由于包括基體材料、磁性顆粒、表面活性劑以38. 2 — 69. I :30 — 60 :0. 9 — I. 8的質(zhì)量份混合，基體材料包括石蠟與白凡士林以I. 5 : I — I : I. 5的質(zhì)量比混合，磁性顆粒為羰基鐵粉，兼具高的磁致效應(yīng)和高穩(wěn)定性，在室溫下，該種材料具有非溶劑型磁流變彈性體的物理特性，在稍高的溫度時(shí)(50°C附近)，由于基體材料的相變特性，材料由粘塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)化成流體狀態(tài)，具有典型的磁流變液的特征，即可以隨溫度變化在磁流變液和磁流變彈性體之間自由轉(zhuǎn)換。


圖I為本發(fā)明的實(shí)施例中50wt%樣品的差示掃描量熱曲線(DSC)；圖2為本發(fā)明的實(shí)施例中不同鐵粉含量的樣品儲(chǔ)能模量(G')隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線；圖3為本發(fā)明的實(shí)施例中不同鐵粉含量的樣品儲(chǔ)能模量隨應(yīng)變(Y )的變化關(guān)系曲線；圖4為本發(fā)明的實(shí)施例中不同溫度下，30wt%樣品儲(chǔ)能模量隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化關(guān)系曲線；圖5a、圖5b為本發(fā)明的實(shí)施例中50°C時(shí)，50wt%樣品的流變特性曲線，其中圖5a為剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化關(guān)系曲線；圖5b為粘度隨剪切速率的變化關(guān)系曲線；圖6為本發(fā)明的實(shí)施例中不同溫度下50wt%樣品的剪切應(yīng)力隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。本發(fā)明的相變型磁流變材料，其較佳的具體實(shí)施方式
是包括基體材料、磁性顆粒、表面活性劑,所述基體材料包括石臘與白凡士林以1.5 I - I I. 5的質(zhì)量比混合，所述磁性顆粒為羰基鐵粉，所述表面活性劑為以下任一種或多種硬脂酸、油酸、硬脂酸鈉、聚乙二醇、硅烷偶聯(lián)劑、吐溫；所述基體材料、磁性顆粒、表面活性劑按以下質(zhì)量份配比基體材料38.2 - 69. I 份；磁性顆粒30 — 60份；表面活性劑:0. 9 — I. 8份。所述羰基鐵粉的平均粒徑為0. I — 50 m。本發(fā)明的上述的相變型磁流變材料的制備方法，其較佳的具體實(shí)施方式
包括以下步驟將基體材料和表面活性劑按照上述質(zhì)量稱(chēng)量后，加入容器中加熱融化，并攪拌使其混合均勻；按照上述用量稱(chēng)取羰基鐵粉，加入所述容器中；停止加熱，并持續(xù)攪拌至物料冷卻至室溫，固化后的物料即為制得的相變型磁流變材料。所述加熱融化的加熱溫度為80°C。本發(fā)明的相變型磁流變材料，兼具高的磁致效應(yīng)和高穩(wěn)定性，在室溫下，該種材料、具有非溶劑型磁流變彈性體的物理特性，在稍高的溫度時(shí)(50°C附近)，由于基體材料的相變特性，材料由粘塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)化成流體狀態(tài)，具有典型的磁流變液的特征，即可以隨溫度變化在磁流變液和磁流變彈性體之間自由轉(zhuǎn)換。本發(fā)明中
磁性顆粒本發(fā)明選用羰基鐵粉作為磁性分散相，該種磁性顆粒與其他粉體相比，具有更高的純度和飽和磁化強(qiáng)度，以其制備的磁流變材料具有更高的磁流變特性；基體本發(fā)明選用石蠟(或微晶蠟)和白凡士林的混合物作為基體，該種基體在室溫下呈粘彈性固態(tài)，其相變溫度為49. 78°C，超過(guò)相變溫度，基體即發(fā)生液化，是一種典型的相變型基體材料。另外，該種基體材料無(wú)毒無(wú)污染，一定溫度下，暴露在空氣中可長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的物理狀態(tài)，可以作為磁流變材料的理想基體；表面活性劑本發(fā)明選用的表面活性劑分子的極性基團(tuán)與磁性顆粒表面結(jié)合，非極性基團(tuán)分散在基體中，可以提高磁性顆粒與基體的相容性，改善材料的磁流變性能。與現(xiàn)有的磁流變材料相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明是一種多功能的相變型磁流變材料，可以隨溫度變化在磁流變彈性體和磁 流變液之間自由轉(zhuǎn)換。材料的相變溫度適中，低于相變溫度材料為磁流變彈性體，表現(xiàn)出可控且很高的磁致模量，室溫下50wt %的樣品相對(duì)磁流變效應(yīng)可達(dá)305 %;溫度超過(guò)相變溫度后，材料變?yōu)榇帕髯円?，表現(xiàn)出很高的磁流變效應(yīng)。在高于相變溫度的條件下使用后，只要將材料冷卻至室溫，便不存在磁性顆粒的沉降問(wèn)題。具體實(shí)施例I :取下列質(zhì)量分?jǐn)?shù)的原料羰基鐵粉(平均粒徑3. 5 ii m) 30% ；表面活性劑0. 9%石蠟34.55%凡士林34.55%本發(fā)明所涉及材料的制備步驟如下將上述質(zhì)量的石蠟、白凡士林、表面活性劑加入錐形瓶中，加熱到80°C使三種物質(zhì)完全融化，并攪拌使混合均勻；稱(chēng)取上述質(zhì)量的擬基鐵粉，加入維形瓶中；停止加熱，并持續(xù)攪拌至體系冷卻至室溫，體系固化后取出樣品,清洗實(shí)驗(yàn)器材并干燥。本發(fā)明磁流變材料基體的相變溫度為49. 78°C，溫度適中、易達(dá)到，簡(jiǎn)單的加熱即可實(shí)現(xiàn)相變，見(jiàn)圖I ;低于相變溫度時(shí)，材料為磁流變彈性體，表現(xiàn)粘彈特性。在線性粘彈性范圍內(nèi)，材料的儲(chǔ)能模量隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增大，相同磁場(chǎng)強(qiáng)度下，儲(chǔ)能模量隨鐵顆粒含量的增加而增大，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0. 8T時(shí)，儲(chǔ)能模量最高可達(dá)6. 09MPa，磁致儲(chǔ)能模量最高可達(dá)4. 23MPa，相對(duì)磁流變效應(yīng)高達(dá)427%，見(jiàn)圖2 ;在線性粘彈性范圍內(nèi)，樣品的儲(chǔ)能模量基本上都不隨應(yīng)變變化，儲(chǔ)能模量隨鐵顆粒含量的增加而增大，見(jiàn)圖3 ;隨溫度升高，基體吸熱，逐漸變軟直至融化，材料的儲(chǔ)能模量減小，超過(guò)50°C后其儲(chǔ)能模量幾乎不再隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，說(shuō)明材料在高于50°C時(shí)已由磁流變彈性體轉(zhuǎn)變?yōu)榇帕髯円?，?jiàn)圖4 ;基體液化后的材料具有典型的磁流變效應(yīng)，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，其剪切應(yīng)力迅速增大2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，并呈現(xiàn)明顯的“剪切變稀”現(xiàn)象，50°C時(shí)，材料的剪切應(yīng)力高達(dá)7. 2kPa，見(jiàn)圖5a、圖5b ；在50 — 80°C測(cè)試溫度區(qū)間內(nèi)，溫度升高，相同條件下材料的剪切應(yīng)力有所下降，但下降幅度不大，且在80°C時(shí)仍可高達(dá)5. 93kPa，說(shuō)明該材料在50 — 80°C溫度區(qū)間內(nèi)均可呈現(xiàn)高的剪切應(yīng)力，可滿足絕大多數(shù)工程應(yīng)用的需求，見(jiàn)圖6。
本發(fā)明所制備的磁流變材料在一定程度上克服了磁性顆粒沉降的困擾，室溫下樣品呈固態(tài)(a，C)，鐵顆粒均勻分散于其中，沒(méi)有沉降現(xiàn)象。加熱后基體發(fā)生相變，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，鐵顆粒懸浮分散在其中，在持續(xù)的攪拌或振動(dòng)下鐵顆粒不會(huì)沉降，將樣品瓶?jī)A斜或倒置，并將樣品逐漸冷卻至室溫，樣品又固化(b，d)。因此這種相變型的磁流變材料在室溫下為磁流變彈性體，呈固態(tài)，不會(huì)發(fā)生沉降，而溫度超過(guò)相變溫度，基體液化后樣品變?yōu)榇帕髯円?，由于在?shí)際的使用過(guò)程中(如減震器、阻尼器等)，磁流變液處于不斷地被振蕩或攪拌的狀態(tài)，因而并不會(huì)發(fā)生沉降，在使用結(jié)束后只要將這種磁流變材料逐漸冷卻至室溫，就不會(huì)再發(fā)生沉降現(xiàn)象，因此可以說(shuō)，這種相變型的磁流變材料在一定程度上解決了磁流變液的沉降問(wèn)題。 具體實(shí)施例2 取下列質(zhì)量分?jǐn)?shù)的原料羰基鐵粉(平均粒徑3. 5 ii m) 40% ；表面活性劑1. 2%石蠟29.4%凡士林29.4%其他同實(shí)施例I。具體實(shí)施例3 取下列質(zhì)量分?jǐn)?shù)的原料 羰基鐵粉(平均粒徑3. 5 ii m) 50% ；表面活性劑1. 5%石蠟24.25%凡士林24.25%其他同實(shí)施例I。具體實(shí)施例4 取下列質(zhì)量分?jǐn)?shù)的原料羰基鐵粉(平均粒徑3. 5 ii m) 60% ；表面活性劑1. 8%石蠟19.1%凡士林19.1%其他同實(shí)施例I。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種相變型磁流變材料，其特征在于，包括基體材料、磁性顆粒、表面活性劑，所述基體材料包括石蠟與白凡士林以1.5 I - I I. 5的質(zhì)量比混合，所述磁性顆粒為羰基鐵粉，所述表面活性劑為以下任一種或多種硬脂酸、油酸、硬脂酸鈉、聚乙二醇、硅烷偶聯(lián)劑、吐溫； 所述基體材料、磁性顆粒、表面活性劑按以下質(zhì)量份配比 基體材料38. 2 — 69. I份； 磁性顆粒30 — 60份； 表面活性劑0. 9-1.8份。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的相變型磁流變材料，其特征在于，所述羰基鐵粉的平均粒徑為 0. I — 50 u m。
3.—種權(quán)利要求I或2所述的相變型磁流變材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 將基體材料和表面活性劑按照上述質(zhì)量稱(chēng)量后，加入容器中加熱融化，并攪拌使其混合均勻； 按照上述用量稱(chēng)取羰基鐵粉，加入所述容器中； 停止加熱，并持續(xù)攪拌至物料冷卻至室溫，固化后的物料即為制得的相變型磁流變材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的相變型磁流變材料的制備方法，其特征在于，所述加熱融化的加熱溫度為80°C。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種相變型磁流變材料及其制備方法，包括基體材料、磁性顆粒、表面活性劑以38.2－69.130－600.9－1.8的質(zhì)量份混合，基體材料包括石蠟與白凡士林以1.5∶1－1∶1.5的質(zhì)量比混合，磁性顆粒為羰基鐵粉。兼具高的磁致效應(yīng)和高穩(wěn)定性，在室溫下，該種材料具有非溶劑型磁流變彈性體的物理特性，在稍高的溫度時(shí)(50℃附近)，由于基體材料的相變特性，材料由粘塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)化成流體狀態(tài)，具有典型的磁流變液的特征，即可以隨溫度變化在磁流變液和磁流變彈性體之間自由轉(zhuǎn)換。
文檔編號(hào)H01F1/44GK102737803SQ20121022207
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者宣守虎, 張燕麗, 江萬(wàn)權(quán), 許陽(yáng)光, 龔興龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)