本文關(guān)鍵詞：磁流變塑性體磁致力學行為及其微觀結(jié)構(gòu)演化機理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：磁流變塑性體是一類新型的磁敏智能軟材料,其物理性質(zhì)或力學性質(zhì)可以通過外磁場進行調(diào)控。通常情況下,磁流變塑性體由將微米級磁敏顆粒摻雜到非磁敏的高分子聚合物基體中而制備得到。在無外加磁場時,磁流變塑性體表現(xiàn)為柔軟的橡皮泥性狀,其內(nèi)部的磁敏顆粒由于基體的約束而均勻穩(wěn)定地分散于基體中。但在有一定強度的外加磁場時,磁流變塑性體內(nèi)部磁敏顆粒間產(chǎn)生的磁相互作用力能夠使顆�？朔w的約束而運動,并聚集形成一定形式的微觀結(jié)構(gòu)。伴隨著磁流變塑性體微觀顆粒聚集結(jié)構(gòu)的形成和演化,其宏觀電磁學、力學、熱學、聲學等方面的性質(zhì)也會發(fā)生相應(yīng)的變化,這使得磁流變塑性體在磁控阻尼器、吸振器、隔振器、激勵器、傳感器等減振降噪器件以及其它方面具有巨大的應(yīng)用潛力。 目前,針對磁流變塑性體的研究正處于起步階段,迫切需要進一步考察其磁致力學行為和探究相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)演化機理,這對深入認識磁流變塑性體的力磁耦合行為具有十分重要的意義。鑒于此,本文考察了磁流變塑性體的準靜態(tài)磁致力學行為,建立了磁流變塑性體微觀顆粒聚集結(jié)構(gòu)的力學分析模型,揭示了磁流變塑性體宏觀磁致力學行為與其微觀磁敏顆粒聚集結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,為進一步分析研究磁流變塑性體或其它磁流變材料宏觀物理性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。本文主要研究內(nèi)容和相關(guān)研究結(jié)論如下： 首先,對磁流變塑性體在外磁場作用下的磁致變形和在靜態(tài)約束條件下的磁致應(yīng)力進行了考察,研究了磁流變塑性體在準靜態(tài)循環(huán)剪切加載條件下的力學行為,發(fā)現(xiàn)磁流變塑性體具有較大的磁致變形效應(yīng)和較高的磁致阻尼性能。研究表明：在無外磁場作用時,磁流變塑性體是一類低屈服強度、高粘度、具有較好塑性延展性的材料。磁流變塑性體在簡單剪切加載下的力學行為可以用常規(guī)的粘塑性賓漢流體模型來描述,其剪切力學性能表現(xiàn)出明顯的率相關(guān)效應(yīng)。在有外磁場作用時,磁流變塑性體對外磁場具有非常敏感的響應(yīng)特性,其在靜態(tài)約束條件下的磁致應(yīng)力能夠通過外磁場在較大范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié),但磁致應(yīng)力在外磁場加載過程中會出現(xiàn)不可預測的突然減小現(xiàn)象。外磁場強度和剪切率均對磁流變塑性體的剪切力學行為具有較大影響,磁流變塑性體的阻尼性能在有外磁場作用時會大幅度增強。此外,也可以看到,磁流變塑性體在循環(huán)剪切加載條件下的磁致法向應(yīng)力會呈現(xiàn)出大幅值的周期性變化。 然后,對磁流變塑性體微觀顆粒聚集結(jié)構(gòu)進行了力學建模分析,并應(yīng)用顆粒動力學方法,著重研究了磁流變塑性體在外磁場作用下其微觀顆粒聚集結(jié)構(gòu)的形成和演化過程,揭示了磁流變塑性體宏觀磁致力學行為與其微觀顆粒聚集結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。研究中提出了相對簡單易用的半經(jīng)驗公式,對常規(guī)的點磁偶極子模型進行了修正,使其更適合于近距磁性顆粒間磁相互作用力的計算。研究表明：在均恒外磁場作用下,磁流變塑性體內(nèi)部顆粒聚集微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)會經(jīng)歷初始的隨機分布狀態(tài),隨后不穩(wěn)定短鏈結(jié)構(gòu)狀態(tài),然后長鏈結(jié)構(gòu)狀態(tài),最后達到穩(wěn)定的簇狀結(jié)構(gòu)狀態(tài)。伴隨著磁流變塑性體內(nèi)部顆粒聚集微觀結(jié)構(gòu)的形成和演化,磁流變塑性體的磁勢能會出現(xiàn)急劇變化,并大幅度快速減小,隨后逐漸趨于平穩(wěn),整個磁勢能變化過程滿足能量最低原理。同時,磁流變塑性體的磁致應(yīng)力卻是首先急速增大,然后逐漸趨于平穩(wěn)的。在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)外磁場作用下,磁流變塑性體內(nèi)部的磁敏顆粒會聚集形成平行于外磁場旋轉(zhuǎn)平面的分離式片層狀結(jié)構(gòu)。在空間變化外磁場的作用下,可以通過外磁場對磁流變塑性體的微觀顆粒聚集結(jié)構(gòu)進行調(diào)控,并且發(fā)現(xiàn)在外磁場多種變化方式下能夠得到多種形式的微觀顆粒聚集結(jié)構(gòu)。與此同時,磁流變塑性體的磁勢能和應(yīng)力狀態(tài)也會在微觀顆粒聚集結(jié)構(gòu)調(diào)控過程中發(fā)生激烈的變化,且磁勢能和磁致應(yīng)力變化越大的地方,體系內(nèi)磁敏顆粒聚集結(jié)構(gòu)的差異越明顯。概括而言,研究表明磁流變塑性體宏觀磁勢能和應(yīng)力狀態(tài)的變化,是與其內(nèi)部磁敏顆粒聚集微觀結(jié)構(gòu)的形成和變化過程直接相關(guān)的。 最后,針對不同磁性顆�；旌戏稚Ⅲw系,本文建立了其微觀結(jié)構(gòu)的力學分析模型,研究了該分散體系在外磁場作用下其微觀顆粒聚集結(jié)構(gòu)的變化,預測了該分散體系相對于單一顆粒分散體系具有的磁致應(yīng)力增強效應(yīng)。研究表明：對于“順磁-反磁”顆�；旌戏稚Ⅲw系,在均勻外磁場作用下其內(nèi)部顆粒會聚集形成二維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或三維相互嵌入式鏈簇狀結(jié)構(gòu)。當分散體系內(nèi)顆粒體積分數(shù)大于12.5%后,隨著反磁顆粒比例的增加,分散體系不僅沿垂直外磁場方向的橫向應(yīng)力會大幅度增強,且沿外磁場方向的軸應(yīng)力也會增強。橫向應(yīng)力的增強來源于順磁鏈接構(gòu)與反磁鏈結(jié)構(gòu)的橫向交替延伸作用,縱向軸應(yīng)力的增強來源于同磁性顆粒鏈接構(gòu)的貢獻和不同磁性顆粒鏈結(jié)構(gòu)間緊密并列吸附的貢獻。此外,對于無磁和順磁顆�；旌象w系,無磁顆粒的加入會極大地影響顆粒體系的微觀結(jié)構(gòu),減弱體系的靜態(tài)磁致力學性能,同時也會對顆粒體系的動態(tài)力學性能產(chǎn)生較大影響。
【關(guān)鍵詞】：磁流變塑性體 磁致力學行為 微觀結(jié)構(gòu) 顆粒動力學 循環(huán)剪切 混合顆粒體系
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O344
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 圖目錄14-18
• 表目錄18-19
• 符號說明19-21
• 第1章 緒論21-41
• 1.1 引言21
• 1.2 磁流變材料概述21-33
• 1.2.1 磁流變液23-26
• 1.2.2 磁流變膠26-27
• 1.2.3 磁流變彈性體27-30
• 1.2.4 磁流變塑性體30-33
• 1.3 磁流變材料的微觀結(jié)構(gòu)模型33-38
• 1.3.1 磁流變液的微觀結(jié)構(gòu)模型33-35
• 1.3.2 磁流變彈性體的微觀結(jié)構(gòu)模型35-38
• 1.4 當前研究工作中存在的問題38-40
• 1.5 本文的研究目標和內(nèi)容40-41
• 第2章 磁流變塑性體的磁致變形和磁致應(yīng)力41-59
• 2.1 引言41
• 2.2 磁流變材料的磁致變形行為41-48
• 2.2.1 磁流變液的磁致性狀變化41-44
• 2.2.2 磁流變彈性體的磁致伸縮效應(yīng)44-46
• 2.2.3 磁流變塑性體的磁致形貌變化46-48
• 2.3 磁流變塑性體在約束情況下的磁致應(yīng)力48-58
• 2.3.1 均勻外磁場作用下的磁致應(yīng)力49-55
• 2.3.2 非均勻外磁場作用下的磁致應(yīng)力55-58
• 2.4 本章小結(jié)58-59
• 第3章 磁流變塑性體在準靜態(tài)剪切加載下的力學行為59-77
• 3.1 引言59
• 3.2 準靜態(tài)簡單剪切下的力學行為59-62
• 3.2.1 無外磁場作用下的簡單剪切力學行為59-60
• 3.2.2 有外磁場作用下的簡單剪切力學行為60-62
• 3.3 無外磁場作用下的準靜態(tài)循環(huán)剪切力學行為62-69
• 3.3.1 準靜態(tài)循環(huán)剪切63-65
• 3.3.2 顆粒含量對比65-66
• 3.3.3 剪切速率對比66-67
• 3.3.4 剪切幅值對比67-68
• 3.3.5 小幅值剪切條件下的力學行為68-69
• 3.4 有外磁場作用下的準靜態(tài)循環(huán)剪切力學行為69-73
• 3.4.1 磁場強度對比69-70
• 3.4.2 剪切速率對比70-71
• 3.4.3 小幅值剪切條件下的力學行為71-73
• 3.5 準靜態(tài)循環(huán)剪切加載下的法向約束應(yīng)力73-76
• 3.5.1 大幅值剪切條件下的磁致法向約束應(yīng)力74-75
• 3.5.2 小幅值剪切條件下的磁致法向約束應(yīng)力75-76
• 3.6 本章小結(jié)76-77
• 第4章 磁流變塑性體微觀結(jié)構(gòu)的演化機理77-127
• 4.1 引言77
• 4.2 磁流變塑性體微觀結(jié)構(gòu)分析模型77-85
• 4.2.1 顆粒的力學模型78-82
• 4.2.2 基體的力學模型82-84
• 4.2.3 磁流變塑性體的屈服流動行為84-85
• 4.3 磁敏顆粒運動方程的建立85-99
• 4.3.1 磁敏顆粒在外磁場中的磁化85-87
• 4.3.2 顆粒與顆粒間的磁相互作用力87-95
• 4.3.3 顆粒與顆粒間的其它相互作用力95-96
• 4.3.4 顆粒與基體的相互作用力96-98
• 4.3.5 磁敏顆粒的運動方程98-99
• 4.4 磁流變塑性體在均恒外磁場作用下的微觀結(jié)構(gòu)演化99-110
• 4.4.1 顆粒體系參數(shù)說明100-101
• 4.4.2 二維情況下的磁致微觀結(jié)構(gòu)演化101-105
• 4.4.3 三維情況下的磁致微觀結(jié)構(gòu)演化105-110
• 4.5 磁流變塑性體在非穩(wěn)定外磁場作用下的微觀結(jié)構(gòu)演化110-123
• 4.5.1 面內(nèi)旋轉(zhuǎn)外磁場作用下的微觀結(jié)構(gòu)演化110-120
• 4.5.2 空間變化外磁場作用下的微觀結(jié)構(gòu)演化120-123
• 4.6 磁流變塑性體在外磁場和剪切加載共同作用下的微觀結(jié)構(gòu)123-125
• 4.7 本章小結(jié)125-127
• 第5章 不同磁性顆�；旌象w系的磁致微觀結(jié)構(gòu)127-141
• 5.1 引言127
• 5.2 不同磁性顆粒混合體系127-129
• 5.3 混合顆粒體系的力學分析模型129-133
• 5.4 混合顆粒體系的磁致微觀結(jié)構(gòu)及力學性能133-140
• 5.5 本章小結(jié)140-141
• 第6章 總結(jié)與展望141-145
• 6.1 工作總結(jié)及創(chuàng)新點141-144
• 6.2 工作展望144-145
• 參考文獻145-161
• 致謝161-162
• 在讀期間發(fā)表的學術(shù)論文及其它研究成果162-163

【參考文獻】

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  本文關(guān)鍵詞：磁流變塑性體磁致力學行為及其微觀結(jié)構(gòu)演化機理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：306646