磁流變彈性體(Magnetorheological elastomer,MRE)膜是一種薄膜狀的MRE,其屬于智能材料的范疇。傳統(tǒng)MRE主要是通過在橡膠基體中摻雜鐵磁性顆粒制備而成,其具有剛度可控,機械性能優(yōu)異等特點,常被應用于減振隔振,地震防護等領域。在實際工程應用中,加載MRE時常會對MRE產生一定的預應力,然而目前對此工況下MRE的性能研究還處于空白。此外,由于傳統(tǒng)MRE的厚度較厚,其可拉伸性和可彎曲性都較差,不利于MRE在某些特定領域的應用。因此,研究者研制出一種薄膜狀的MRE——MRE膜,該材料具有優(yōu)異的可拉伸性,可彎曲性和磁控特性。本文利用實驗方法研究了 MRE膜的全場磁控變形,深入研究了 MRE膜的吸聲性能,設計了基于MRE膜的致動器,初步探索了 MRE膜的智能應用。本文主要的研究內容如下:1.研究了不同CIP含量MRE在預應力作用下的力學性能,通過理論推導提出了 MRE力學性能的機理模型。隨著預應力的增加,MRE的零場模量、磁致模量和最大模量都呈現先增加到最大值然后再減小的趨勢,這個過程中MRE與轉子的接觸可以分為三個區(qū)間,即非完全接觸區(qū)間、完全接觸區(qū)間和過載區(qū)間。對于完全接觸區(qū)間,施加預應力可以改變顆粒間距,從而改變MRE的宏觀力學性能。為了研究MRE在完全接觸區(qū)間的力學性能,基于理論推導,提出了 MRE在完全接觸區(qū)間的力學模型,該模型與實驗結果吻合較好,利用該模型能夠預測MRE在完全接觸區(qū)間的力學性能。2.利用數字圖像相關(Digital Image Correlation,DIC)和激光多普勒測速(Laser Doppler velocimetry,LDV)方法研究了 MRE膜在自由和固定邊界條件下的變形特征。研究發(fā)現,MRE膜在自由和固定邊界條件下的變形分別呈月牙狀和碗狀,當撤去磁場時,MRE膜能夠迅速恢復到初始狀態(tài)。DIC與LDV方法所得結果基本一致,當電流為1 A、2 A和3 A時,其最大變形分別為0.10 mm、0.33 mm和0.63 mm。利用有限元分析方法粗略計算了 MRE膜在3 A電流下的內應力和內應變,其最大值分別為33 kPa和2.3%,研究表明MRE膜的變形仍處于彈性變形范圍內,其變形穩(wěn)定可控。3.研制了 MRE 膜吸聲結構(MRE 膜-based sound absorbing structure,MRE膜-SSS),利用DIC方法分析了 MRE膜-SSS中MRE膜的變形特征,并進一步研究了 MRE膜-SSS的吸聲性能。電流越大,MRE膜的變形越大,MRE膜-SSS 的最大吸聲頻率(Maximum sound absorption frequency,MSAF)也越大。增加CIP含量能夠增強MRE膜在磁場下的變形能力,同時增強MRE膜-SSS的MSAF受磁場改變的能力。在不加電流情況下,增加CIP含量能夠有效減小MRE膜-SSS的MSAF。減小薄膜厚度能增強MRE膜-SSS的MSAF受磁場改變的能力。同時薄膜厚度越小,MRE膜-SSS的MSAF和最大吸聲系數均越大。4.利用MRE膜和聚偏氟乙烯(PVDF)膜研制了薄膜狀的MRE膜致動器,研究了其磁-力-電耦合性能,通過理論推導建立了其磁-力-電耦合模型,并設計了基于MRE膜致動器的智能抓手。MRE膜致動器對振幅非常敏感且重復性好。實驗和理論研究表明,MRE膜致動器的純彎曲感應電荷與PVDF膜的變形角度呈正比關系。利用MRE膜致動器研制的智能抓手能夠在磁場控制下抓取、運輸和釋放超過自身重量3倍的物體,同時其觸角的變形能夠被實時測量并反饋至計算機。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TB381
【部分圖文】：

在線性運動器件的基礎上，研宄者開發(fā)出了旋轉器件。其中ＭＲＦ制動器就??屬于典型的旋轉器件。最初的ＭＲＦ制動器被設計用于有氧運動健身器材上，隨??后被逐漸應用于其他行業(yè)如圖１．３所示，ＭＲＦ制動器主要包括轉子、定子、??線圈和ＭＲＦ［２６］。ＭＲＦ制動器具有鼓型、倒鼓型、Ｔ型、盤型、多盤型等型號網，??其中最常用的是盤型ＭＲＦ制動器。當線圈通入電流時，磁場能夠減小轉子旋轉??的角頻率，從而提供相應的制動力。美國Ｌｏｒｄ公司研制的ＭＲＦ制動器己經能夠??提供較大的制動力，同時在小電流供應下平穩(wěn)運行。這類ＭＲＦ制動器一般工作??在剪切模式下，其制動效果受磁場強度、有效面積、間隙、旋轉速率等因素影響。??另一個常用的旋轉器件是ＭＲＦ離合器，其可以用作汽車中發(fā)動機與輔助設備間??的輔助動力傳輸裝置［２８］。??４??

ＭＲＦ器件能夠用于控制各種各樣的線性和旋轉運動Ｐ１。由于ＭＲＦ器件??能夠產生較大的阻尼力并能夠受磁場控制，其在橋梁方面具有非常大的應用前景。??如圖１．４所示，荷蘭的Ｅｉｌａｎｄ大橋已經采用ＭＲＦ阻尼器作為重要的減振元件［３８］。??重慶大學的余淼［３９］等人利用ＭＲＦ阻尼器研制了一套汽車懸掛系統(tǒng)，該懸掛系統(tǒng)??剛度可調，其性能高于傳統(tǒng)懸掛系統(tǒng)。香港中文大學的高飛［４（１］等人設計了基于??ＭＲＦ阻尼器的人體假肢，該假肢能夠在磁場作用下幫助身體有缺陷的人進行自??由活動，同時提供足夠的支撐。紐卡斯爾大學的Ｌｉｕ等人介紹了一種基于ＭＲＦ??的觸覺裝置，該裝置能夠通過表面力來反映磁場的大小，同時該裝置非常穩(wěn)定且??可重復性高。??

（ａ）?（ｂ）??圖１．３典型的ＭＲＦ制動器結構（ａ）示意圖和（ｂ）實物圖［２６】??此外，ＭＲＦ還可以用來制備拋光器件。ＭＲＦ拋光器件采用流體動力學方法??進行拋光，其克服了傳統(tǒng)拋光技術的許多缺點，已經被越來越多的研究者關注［２９】。??ＭＲＦ拋光器能夠清除物體表面凸起，使物體表面光滑平整。目前ＭＲＦ拋光器己??經應用于光學玻璃、陶瓷、塑料和一些非磁性材料的拋光處理［２９］。ＭＲＦ也可以??用來制作ＭＲＦ液壓閥，將ＭＲＦ作為工作媒介通過閥的控制來驅動致動器＠１。??ＭＲＦ液壓閥主要由線圈、液壓管道、ＭＲＦ等構成，當對繞組施加電流時，氣缸??內的壓力會發(fā)生變化隨即帶動活塞發(fā)生相應的位移［？。ＭＲＦ的另一個應用是進??行密封，Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉ?ｅｔ?ａＰ］于１９９６年提出將ＭＲＦ當做密封媒介對物品進行密封。??通過控制磁場的大小，能夠控制ＭＲＦ的粘度，進而在需要密封的空隙中形成密??封圈
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本文編號：2883653