【摘要】：作為近些年新興的一類電磁智能材料,磁敏顆粒夾雜復(fù)合軟材料具有非接觸、遠(yuǎn)程、磁場可調(diào)控的力學(xué)與力磁耦合特性,特別是在外場作用下可產(chǎn)生快速、可逆、超大變形,使其在智能驅(qū)動與傳感、主動減震降噪、仿生機(jī)器人等現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出誘人潛力和應(yīng)用前景。由于該類復(fù)合材料的主要承載體是具有軟物質(zhì)特性的橡膠類高分子聚合物材料,其磁控力學(xué)響應(yīng)與力磁耦合性能更易受夾雜相的磁學(xué)特性、微結(jié)構(gòu)分布特征以及外加磁場、溫度等環(huán)境因素的影響。深入探究與磁敏顆粒夾雜復(fù)合軟材料基礎(chǔ)力學(xué)性能相關(guān)聯(lián)的主要影響因素與多場行為,是該類智能復(fù)合材料多場性能表征和揭示耦合行為機(jī)制的基礎(chǔ)與核心課題�；诨A(chǔ)實(shí)驗(yàn)測試、理論與數(shù)值分析等手段與方法,本文較系統(tǒng)地制備并表征了不同組分比、不同磁性磁敏顆粒夾雜復(fù)合軟材料與結(jié)構(gòu)在均勻、非均勻磁場以及溫度場下的基本性能。在此基礎(chǔ)上,提出和設(shè)計(jì)了兩類新型的磁敏顆粒夾雜復(fù)合軟材料的智能微結(jié)構(gòu),并深入開展了多場下的耦合行為與特征研究。1、基于膠料、交聯(lián)劑以及磁敏顆�；旌系闹苽涔に�,成功制備了性能穩(wěn)定的含有不同粒徑羰基鐵粉的復(fù)雜多相材料,開展了相關(guān)的力磁性能實(shí)驗(yàn)表征。進(jìn)一步,將描述聚合物材料循環(huán)變形的本構(gòu)關(guān)系推廣應(yīng)用于磁敏顆粒夾雜復(fù)合軟材料在磁場下的加、卸載變形行為研究,較好地解釋了加、卸載過程中的力磁行為。其次,針對不同磁學(xué)特性鐵粉、鈷粉混合的多相復(fù)合材料,分析了材料微結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性等基本性能,并探討了其力磁耦合性能。相關(guān)結(jié)果解釋了夾雜相對材料性能的影響機(jī)制,并為充分發(fā)揮材料的特性及提高性能作出了可供參考的依據(jù)。2、針對外加非均勻磁場中的磁敏顆粒夾雜復(fù)合軟材料,實(shí)驗(yàn)研究了梯度磁場分布對其準(zhǔn)靜態(tài)剪切性能和動態(tài)粘彈特性的影響規(guī)律�；诖排紭O子理論模型分析了材料力學(xué)行為的磁場依賴機(jī)制,進(jìn)一步提出并發(fā)展了一種新的、簡單、有效表征磁致粘彈力學(xué)特性的方法—軸向共振法。基于提高磁場利用效率和一體化設(shè)計(jì)思想,將線圈埋置于復(fù)合軟材料內(nèi)部用于產(chǎn)生局部高梯度磁場,制備了驅(qū)動與響應(yīng)一體化的磁敏智能復(fù)合材料。測試結(jié)果表明:該系統(tǒng)具有雙向驅(qū)動、高磁流變效應(yīng)的顯著性能,對于一些高效、微驅(qū)動與響應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。3、磁敏顆粒夾雜復(fù)合軟材料的主要組成部分往往具有溫度敏感性。為此,基于研究組研制的低溫力學(xué)多場測試系統(tǒng),擴(kuò)展了背景磁場和溫控功能,開展了溫度與磁場共同作用下復(fù)合材料多場性能和準(zhǔn)靜態(tài)剪切力學(xué)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。通過綜合考慮磁場、溫度對磁勢能和應(yīng)變能的影響,建立了一描述剪切變形模式下磁敏復(fù)合軟材料多場行為的超彈性本構(gòu)模型,含有較少材料參數(shù)且模型參數(shù)具有明確物理意義并可實(shí)驗(yàn)測得;模型的理論預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合良好,實(shí)現(xiàn)了力-磁-熱多場共同作用下磁敏顆粒夾雜復(fù)合軟材料剪切行為的有效表征與預(yù)測。4、首次設(shè)計(jì)和研制了一種具有響應(yīng)迅速、可逆大變形和多環(huán)境適應(yīng)性的磁驅(qū)動花瓣?duì)钗⒔Y(jié)構(gòu)。從實(shí)驗(yàn)和理論分析兩個(gè)方面,開展了該智能柔性微結(jié)構(gòu)在外磁場驅(qū)動下的力學(xué)響應(yīng)和力磁耦合特征研究,測試并實(shí)現(xiàn)了該微結(jié)構(gòu)不同液體環(huán)境中對不規(guī)則形狀與軟表面物塊的抓取和搬運(yùn),可拓展應(yīng)用于非接觸、遠(yuǎn)程磁場驅(qū)動的柔性機(jī)械操縱平臺。進(jìn)一步,提出了一種磁驅(qū)動的柔性仿生魚概念模型,建立了仿生魚磁-流-固多場耦合行為的數(shù)值模型并進(jìn)行了定量仿真研究,探討了仿生魚在外加磁場驅(qū)動下的運(yùn)動模式與機(jī)制。相關(guān)結(jié)果可望為該類仿生器件在智能遠(yuǎn)場驅(qū)動、藥物輸送等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB33

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本文編號：2588455