相變型磁流變材料及其製備方法
2023-06-12 15:53:46
專利名稱：相變型磁流變材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種智能材料技術，尤其涉及一種相變型磁流變材料及其製備方法。
背景技術：
磁流變材料是當前智能材料研究領域的一個重要分支，通常是由磁性分散相顆粒(Pm級)、基體和添加劑等均勻混合而成。在施加外磁場後，該種材料的機械性能(流變性能或粘彈性能等)會迅速發生顯著且可逆的變化。基於這一特性，自20世紀40年代末J. Rabinow首先發現磁流變液以來,這種智能材料引發了新的研究熱潮並被廣泛應用在工程和生物醫學等領域。當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，各類磁流變材料均具有磁場可控的力學性能，同時也有其獨特之處。三者最主要的區別在於基體材料不同，磁性顆粒、基體以及顆粒與基體之間的相互作用都會影響材料的性能，在優化磁性顆粒的含量、改變顆粒在基體中的分布情況、增強顆粒與基體之間的相容性 等方面，人們已經做了大量的研究工作，在改善基體的性能方面同樣如此。基體本身的屬性在很大程度上影響著磁流變材料的力學性能，目前，基於液態載液為分散介質的磁流變液在外加磁場下具有很高的磁流變效應，可滿足實際工程應用的需求，但顆粒與載液之間大的密度差易導致磁性顆粒沉降，難以同時兼顧高的磁致效應和高穩定性。
發明內容
本發明的目的是提供一種兼具高的磁致效應和高穩定性的相變型磁流變材料及其製備方法。本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發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、矽烷偶聯劑、吐溫；所述基體材料、磁性顆粒、表面活性劑按以下質量份配比基體材料38.2 — 69. I 份；磁性顆粒30 — 60份；表面活性劑:0. 9 — I. 8份。由上述本發明提供的技術方案可以看出，本發明提供的相變型磁流變材料，由於包括基體材料、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的質量比混合，磁性顆粒為羰基鐵粉，兼具高的磁致效應和高穩定性，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(50°C附近)，由於基體材料的相變特性，材料由粘塑性狀態轉化成流體狀態，具有典型的磁流變液的特徵，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換。
圖I為本發明的實施例中50wt%樣品的差示掃描量熱曲線(DSC)；圖2為本發明的實施例中不同鐵粉含量的樣品儲能模量(G')隨磁場強度的變化曲線；圖3為本發明的實施例中不同鐵粉含量的樣品儲能模量隨應變(Y )的變化關係曲線；圖4為本發明的實施例中不同溫度下，30wt%樣品儲能模量隨磁場強度的變化關係曲線；圖5a、圖5b為本發明的實施例中50°C時，50wt%樣品的流變特性曲線，其中圖5a為剪切應力隨剪切速率的變化關係曲線；圖5b為粘度隨剪切速率的變化關係曲線；圖6為本發明的實施例中不同溫度下50wt%樣品的剪切應力隨磁場強度變化的關係曲線。
具體實施例方式下面將對本發明實施例作進一步地詳細描述。本發明的相變型磁流變材料，其較佳的具體實施方式
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、矽烷偶聯劑、吐溫；所述基體材料、磁性顆粒、表面活性劑按以下質量份配比基體材料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。本發明的上述的相變型磁流變材料的製備方法，其較佳的具體實施方式
包括以下步驟將基體材料和表面活性劑按照上述質量稱量後，加入容器中加熱融化，並攪拌使其混合均勻；按照上述用量稱取羰基鐵粉，加入所述容器中；停止加熱，並持續攪拌至物料冷卻至室溫，固化後的物料即為製得的相變型磁流變材料。所述加熱融化的加熱溫度為80°C。本發明的相變型磁流變材料，兼具高的磁致效應和高穩定性，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(50°C附近)，由於基體材料的相變特性，材料由粘塑性狀態轉化成流體狀態，具有典型的磁流變液的特徵，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換。本發明中
磁性顆粒本發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度，以其製備的磁流變材料具有更高的磁流變特性；基體本發明選用石蠟(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，其相變溫度為49. 78°C，超過相變溫度，基體即發生液化，是一種典型的相變型基體材料。另外，該種基體材料無毒無汙染，一定溫度下，暴露在空氣中可長期保持穩定的物理狀態，可以作為磁流變材料的理想基體；表面活性劑本發明選用的表面活性劑分子的極性基團與磁性顆粒表面結合，非極性基團分散在基體中，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。與現有的磁流變材料相比，本發明的優點在於本發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 流變液之間自由轉換。材料的相變溫度適中，低於相變溫度材料為磁流變彈性體，表現出可控且很高的磁致模量，室溫下50wt %的樣品相對磁流變效應可達305 %;溫度超過相變溫度後，材料變為磁流變液，表現出很高的磁流變效應。在高於相變溫度的條件下使用後，只要將材料冷卻至室溫，便不存在磁性顆粒的沉降問題。具體實施例I :取下列質量分數的原料羰基鐵粉(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%本發明所涉及材料的製備步驟如下將上述質量的石蠟、白凡士林、表面活性劑加入錐形瓶中，加熱到80°C使三種物質完全融化，並攪拌使混合均勻；稱取上述質量的擬基鐵粉，加入維形瓶中；停止加熱，並持續攪拌至體系冷卻至室溫，體系固化後取出樣品,清洗實驗器材並乾燥。本發明磁流變材料基體的相變溫度為49. 78°C，溫度適中、易達到，簡單的加熱即可實現相變，見圖I ;低於相變溫度時，材料為磁流變彈性體，表現粘彈特性。在線性粘彈性範圍內，材料的儲能模量隨著磁場強度的增加而增大，相同磁場強度下，儲能模量隨鐵顆粒含量的增加而增大，當磁場強度為0. 8T時，儲能模量最高可達6. 09MPa，磁致儲能模量最高可達4. 23MPa，相對磁流變效應高達427%，見圖2 ;在線性粘彈性範圍內，樣品的儲能模量基本上都不隨應變變化，儲能模量隨鐵顆粒含量的增加而增大，見圖3 ;隨溫度升高，基體吸熱，逐漸變軟直至融化，材料的儲能模量減小，超過50°C後其儲能模量幾乎不再隨磁場強度的變化而變化，說明材料在高於50°C時已由磁流變彈性體轉變為磁流變液，見圖4 ;基體液化後的材料具有典型的磁流變效應，隨磁場強度的增加，其剪切應力迅速增大2-3個數量級，並呈現明顯的「剪切變稀」現象，50°C時，材料的剪切應力高達7. 2kPa，見圖5a、圖5b ；在50 — 80°C測試溫度區間內，溫度升高，相同條件下材料的剪切應力有所下降，但下降幅度不大，且在80°C時仍可高達5. 93kPa，說明該材料在50 — 80°C溫度區間內均可呈現高的剪切應力，可滿足絕大多數工程應用的需求，見圖6。
本發明所製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(a，C)，鐵顆粒均勻分散於其中，沒有沉降現象。加熱後基體發生相變，由固態變為液態，鐵顆粒懸浮分散在其中，在持續的攪拌或振動下鐵顆粒不會沉降，將樣品瓶傾斜或倒置，並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，不會發生沉降，而溫度超過相變溫度，基體液化後樣品變為磁流變液，由於在實際的使用過程中(如減震器、阻尼器等)，磁流變液處於不斷地被振蕩或攪拌的狀態，因而並不會發生沉降，在使用結束後只要將這種磁流變材料逐漸冷卻至室溫，就不會再發生沉降現象，因此可以說，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題。 具體實施例2 取下列質量分數的原料羰基鐵粉(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%其他同實施例I。具體實施例3 取下列質量分數的原料 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%其他同實施例I。具體實施例4 取下列質量分數的原料羰基鐵粉(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%其他同實施例I。以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1.一種相變型磁流變材料，其特徵在於，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、矽烷偶聯劑、吐溫； 所述基體材料、磁性顆粒、表面活性劑按以下質量份配比 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.根據權利要求I所述的相變型磁流變材料，其特徵在於，所述羰基鐵粉的平均粒徑為 0. I — 50 u m。
3.—種權利要求I或2所述的相變型磁流變材料的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟 將基體材料和表面活性劑按照上述質量稱量後，加入容器中加熱融化，並攪拌使其混合均勻； 按照上述用量稱取羰基鐵粉，加入所述容器中； 停止加熱，並持續攪拌至物料冷卻至室溫，固化後的物料即為製得的相變型磁流變材料。
4.根據權利要求3所述的相變型磁流變材料的製備方法，其特徵在於，所述加熱融化的加熱溫度為80°C。
全文摘要
本發明公開了一種相變型磁流變材料及其製備方法，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的質量比混合，磁性顆粒為羰基鐵粉。兼具高的磁致效應和高穩定性，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(50℃附近)，由於基體材料的相變特性，材料由粘塑性狀態轉化成流體狀態，具有典型的磁流變液的特徵，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換。
文檔編號H01F1/44GK102737803SQ20121022207
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月29日 優先權日2012年6月29日
發明者宣守虎, 張燕麗, 江萬權, 許陽光, 龔興龍 申請人:中國科學技術大學