基于微结构的磁流变胶剪切特性研究

作     者：黄宏志 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李海涛

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：磁流变胶 理论模型 数值模拟 剪切特性 微-宏观机理 

摘      要：磁流变胶(Magnetorheological Gel,简称MRG)是一类性能介于磁流变液和磁流变弹性体之间的新型智能材料,它因为兼具了良好的磁流变效应和灵活的磁控性能,而逐渐引起了国内外学者的关注。目前,对磁流变胶的研究还处于起步阶段,许多科学问题尚未弄清楚,其实际工程应用相对较少,相关的研究还需要深入开展。影响磁流变胶性能的因素很多,仅仅从宏观层面难以深刻理解其独特的力-磁响应特性。由于材料的力学性能受到其微观结构的影响,因此本文采用微-宏观的跨尺度分析方法,建立了计及微结构特征的磁流变胶理论模型,结合数值模拟以研究其微观结构与宏观力学表现的联系,分析了不同因素对材料性能的影响,并揭示出相关机理。本文主要工作如下:建立了一种基于局部微观结构的理论模型,以分析双分散系磁流变胶的剪切应力增强机理。通过相似性实验确定了双分散系磁流变胶中颗粒的典型局部构型,并通过微观结构模拟进行了验证。随后模拟了局部构型中大小颗粒的相对位置在剪切过程中的演变,并建立了相应的剪切抵抗力模型。研究发现,小颗粒附着在主链两侧间隙的局部微结构构型可以增加剪切抵抗力或剪切形变。根据局部微观结构中大小颗粒的相对位置演化分析了剪切抵抗力的增强机理。研究了大小颗粒的粒径比对双分散系磁流变胶性能的影响。通过模型计算,发现颗粒间存在一个最佳的粒径比使得磁流变胶获得更强的抗剪切能力。此外,还分析了剪切抵抗力的磁化特性。建立了一种可以具体量化基体和磁性颗粒之间相互作用力的理论模型,结合数值模拟分析磁流变胶的微结构演化对其宏观特性的影响。黏性阻力表达式全面考虑了基体的稠度系数和流型指数、颗粒直径和运动速度等因素的影响。以建立的颗粒动力学模型为基础,逐级模拟了磁流变胶的颗粒碰撞、链化以及剪切行为。从能量角度出发,分析了磁场强度、基体材料参数对颗粒接触和形成稳定链化结构所消耗时间的响应规律。磁流变液与磁流变胶的在链化过程中的差异表明链化的响应速率和系统的能量变化与基体和颗粒间的相互作用力以及微结构的演化进程密切相关。剪切特性的模拟表明,磁场强度对磁流变胶的剪切应力的影响符合颗粒的磁化特性;最大剪切应力和流变应力的变化幅度均受到基体特性和剪切速率的显著影响,可归因于承载剪切的链状结构的数量、强度以及游离态断链的重组速率等因素。根据磁流变胶的微观结构在高颗粒浓度下呈BCT构型分布且在剪切中产生的变形较小等特征,结合经典偶极子理论建立了小变形下的剪切屈服应力模型。从两种角度出发,分别以底面和底面中心处的颗粒为参考对象计算出对应的微观受力,从而推导出磁流变胶剪切屈服应力的宏观本构模型。将两种模型的计算结果与实验进行对比,发现单列BCT模型的计算值偏小,而空间的多列BCT模型的结果与实验吻合。采用全空间的多列BCT模型对高颗粒浓度磁流变胶的剪切屈服应力进行分析,讨论了其随颗粒体积分数、磁场强度等因素的变化。结果表明剪切屈服应力与颗粒的体积分数和磁化强度的平方呈线性正相关,随磁场强度的增加呈非线性增长,且其增长趋势同样符合颗粒的磁化规律。