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中國科大龔興龍教授課題組 Adv. Funct. Mater.：磁流變彈性體的力-磁耦合性能優化和仿生結構設計

2024-11-26 來源：高分子科技

磁流變彈性體（Magnetorheological Elastomers, MRE）作為一種新興的智能材料，因其優異的力學特性和快速、可逆的磁致增強效應，近年來受到了國內外研究人員的廣泛關注。與傳統的磁流變液和磁流變塑性體相比，磁流變彈性體能夠有效避免磁性顆粒的沉降和團聚問題，從而顯著提高材料體系的穩定性與承載能力。這一獨特優勢使得磁流變彈性體在功能性電子皮膚、生物醫療設備以及軟體機器人等高新技術領域的研發中得到了廣泛應用。然而，由于基體材料的性能限制，磁流變彈性體的力學性能，尤其是在復雜沖擊載荷環境下的承載能力較為有限。因此，如何在保持磁流變彈性體原有磁流變性能的基礎上，進一步優化材料的抗沖擊性能，具有十分重要的科學意義與應用價值。

針對上述問題，中國科學技術大學龔興龍教授課題組近日通過機械共混與高溫高壓硫化技術，研制出一種新型磁流變剪切變硬彈性體。研究團隊基于流變學剪切測試與單軸拉壓測試，系統表征了該類材料的力-磁耦合力學行為，探究磁流變剪切變硬彈性體的力學性能最優化合成配比。特別地，在該工作中，研究團隊創新性地構建了適用于磁流變剪切變硬彈性體在中應變率落錘與高應變率霍普金森壓桿沖擊載荷模式下的力-磁耦合測試裝置，詳細討論了磁場強度對于該類材料體系動態力學行為的影響。在此基礎上，受到甲蟲外殼中小梁結構的啟發，研究團隊利用研制的磁流變剪切變硬彈性體材料設計了一種仿生緩沖結構。該結構相比于傳統的柔性防護結構，表現出更加優異的能量吸收與緩沖效果，且可通過磁場實現緩沖性能的進一步增強。該研究成果在運動緩沖與吸能領域展現出廣闊的應用前景，也為柔性緩沖器件的設計提供了新的思路。相關工作以“Enhanced Mechanical-Magnetic Coupling and Bioinspired Structural Design of Magnetorheological Elastomers”為題發表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

圖1. 磁流變彈性體的制備過程、微觀結構表征以及基本磁學性能測試

該工作通過機械共混與高溫高壓硫化工藝，將羰基鐵粉均勻分散在聚硼硅氧烷基體中，成功制備了一種在常溫下具有穩定形態的磁流變剪切變硬彈性體（Magnetorheological Shear-Stiffening Elastomer, MSSE）。該彈性體復合材料不僅具有良好的可拉伸性能，還在外加磁場的作用下展現出顯著的可控磁致變形能力。

圖2 磁流變剪切變硬彈性體的基本力學性能表征

磁流變剪切變硬彈性體的力-磁耦合行為可通過調整材料體系中剪切變硬膠與羰基鐵粉的配比進行精確調控。流變學實驗結果表明，該材料展現出獨特的應變率強化效應與磁致增強效應。在準靜態壓縮循環加卸載實驗中，隨著羰基鐵粉質量分數的增加，MSSE復合材料的承載能力與能量吸收能力均明顯得到強化。

圖3 磁流變剪切變硬彈性體的落錘沖擊實驗

得益于MSSE體系中剪切變硬膠中所具有的獨特B-O動態交聯鍵，該復合材料在中應變率落錘沖擊載荷下表現出優異的防護性能。同時，羰基鐵粉的引入進一步優化了材料體系的承載能力。實驗結果表明，在沖擊能量為17.3 J的非穿透沖擊載荷下，羰基鐵粉質量分數為50%的MSSE，其峰值背襯力相較于未添加鐵磁顆粒的對照組材料減小41.9%。此外，在穿透沖擊載荷模式下，外加磁場的施加對材料的抗沖擊性能也起到了一定的提升作用。

圖4 磁流變剪切變硬彈性體的霍普金森桿動態沖擊實驗

進一步地，研究團隊構建了具備磁場加載功能的分離式霍普金森壓桿高應變率沖擊實驗平臺，探究加載速率與磁場強度對于MSSE力學性能的影響。實驗結果表明，隨著應變率的增加，MSSE的承載能力進一步增加；特別地，通過高速攝影技術的原位測量，清晰地觀察到羰基鐵粉的引入在沖擊過程中對復合材料結構的保護作用。

圖5 磁流變彈性體的仿生設計與吸能緩沖結構設計

受到自然界中甲蟲外殼內部小梁結構抗沖擊力學機理啟發，研究團隊充分發揮MSSE在多種載荷模式下穩定的承載能力，通過“沖壓-堆疊”工藝設計了一種兼具輕質與優異緩沖性能的陣列式纖毛結構。基于小球自由落體沖擊平臺，系統探究了纖毛堆疊方式與磁場參數對于結構能量耗散率與平均沖擊力的影響。

綜上所述，該工作提出了一種兼具磁流變效應與應變率強化效應的新型磁流變剪切變硬彈性體制備方法。該材料在不同載荷模式下均表現出良好的力學性能，在可調控力-磁耦合抗沖擊領域具有廣闊的應用前景。

論文第一作者為中國科學技術大學工程科學學院碩士研究生王東鵬，通訊作者為中國科學技術大學工程科學學院龔興龍教授和趙春宇博士后。該研究得到了中國國家自然科學基金、博士后創新人才支持計劃、中央高校基本科研業務費專項資金、安徽省自然科學基金以及中國科學技術大學微納研究與制造中心的資助和支持。

原文鏈接：

Dongpeng Wang, Chunyu Zhao, Junjie Yang, Shuyu Lai, Xinyi Wang, Xinglong Gong. Enhanced Mechanical-Magnetic Coupling and Bioinspired Structural Design of Magnetorheological Elastomers. Advanced Functional Materials, 2024, 2419111. DOI: 10.1002/adfm.202419111.

https://doi.org/10.1002/adfm.202419111.

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（責任編輯：xu）

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