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(jī)械性能優(yōu)異等特點(diǎn),常被應(yīng)用于減振隔振,地震防護(hù)等領(lǐng)域。在實(shí)際工程應(yīng)用中,加載MRE時(shí)常會(huì)對(duì)MRE產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力,然而目前對(duì)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(lǐng)域的應(yīng)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(shí)驗(yàn)方法研究了 MRE膜的全場(chǎng)磁控變形,深入研究了 MRE膜的吸聲性能,設(shè)計(jì)了基于MRE膜的致動(dòng)器,初步探索了 MRE膜的智能應(yīng)用。本文主要的研究?jī)?nèi)容如下:1.研究了不同CIP含量MRE在預(yù)應(yīng)力作用下的力學(xué)性能,通過理論推導(dǎo)提出了 MRE力學(xué)性能的機(jī)理模型。隨著預(yù)應(yīng)力的增加,MRE的零場(chǎng)模量、磁致模量和最大模量都呈現(xiàn)先增加到最大值然后再減小的趨勢(shì),這個(gè)過程中MRE與轉(zhuǎn)子的接觸可以分為三個(gè)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(duì)于完全接觸區(qū)間,施加預(yù)應(yīng)力可以改變顆粒間距,從而改變MRE的宏觀力學(xué)性能。為了研究MRE在完全接觸區(qū)間的力學(xué)性能,基于理論推導(dǎo),提出了 MRE在完全接觸區(qū)間的力學(xué)模型,該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,利用該模型能夠預(yù)測(cè)MRE在完全接觸區(qū)間的力學(xué)性能。2.利用數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation,DIC)和激光多普勒測(cè)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(xiàn),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(dāng)撤去磁場(chǎng)時(shí),MRE膜能夠迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。DIC與LDV方法所得結(jié)果基本一致,當(dāng)電流為1 A、2 A和3 A時(shí),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(jì)算了 MRE膜在3 A電流下的內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)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(nèi),其變形穩(wěn)定可控。3.研制了 MRE 膜吸聲結(jié)構(gòu)(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(jìn)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(qiáng)MRE膜在磁場(chǎng)下的變形能力,同時(shí)增強(qiáng)MRE膜-SSS的MSAF受磁場(chǎng)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(qiáng)MRE膜-SSS的MSAF受磁場(chǎng)改變的能力。同時(shí)薄膜厚度越小,MRE膜-SSS的MSAF和最大吸聲系數(shù)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(dòng)器,研究了其磁-力-電耦合性能,通過理論推導(dǎo)建立了其磁-力-電耦合模型,并設(shè)計(jì)了基于MRE膜致動(dòng)器的智能抓手。MRE膜致動(dòng)器對(duì)振幅非常敏感且重復(fù)性好。實(shí)驗(yàn)和理論研究表明,MRE膜致動(dòng)器的純彎曲感應(yīng)電荷與PVDF膜的變形角度呈正比關(guān)系。利用MRE膜致動(dòng)器研制的智能抓手能夠在磁場(chǎng)控制下抓取、運(yùn)輸和釋放超過自身重量3倍的物體,同時(shí)其觸角的變形能夠被實(shí)時(shí)測(cè)量并反饋至計(jì)算機(jī)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB381
【部分圖文】：

在線性運(yùn)動(dòng)器件的基礎(chǔ)上，研宄者開發(fā)出了旋轉(zhuǎn)器件。其中ＭＲＦ制動(dòng)器就??屬于典型的旋轉(zhuǎn)器件。最初的ＭＲＦ制動(dòng)器被設(shè)計(jì)用于有氧運(yùn)動(dòng)健身器材上，隨??后被逐漸應(yīng)用于其他行業(yè)如圖１．３所示，ＭＲＦ制動(dòng)器主要包括轉(zhuǎn)子、定子、??線圈和ＭＲＦ［２６］。ＭＲＦ制動(dòng)器具有鼓型、倒鼓型、Ｔ型、盤型、多盤型等型號(hào)網(wǎng)，??其中最常用的是盤型ＭＲＦ制動(dòng)器。當(dāng)線圈通入電流時(shí)，磁場(chǎng)能夠減小轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)??的角頻率，從而提供相應(yīng)的制動(dòng)力。美國(guó)Ｌｏｒｄ公司研制的ＭＲＦ制動(dòng)器己經(jīng)能夠??提供較大的制動(dòng)力，同時(shí)在小電流供應(yīng)下平穩(wěn)運(yùn)行。這類ＭＲＦ制動(dòng)器一般工作??在剪切模式下，其制動(dòng)效果受磁場(chǎng)強(qiáng)度、有效面積、間隙、旋轉(zhuǎn)速率等因素影響。??另一個(gè)常用的旋轉(zhuǎn)器件是ＭＲＦ離合器，其可以用作汽車中發(fā)動(dòng)機(jī)與輔助設(shè)備間??的輔助動(dòng)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Ｐ１。由于ＭＲＦ器件??能夠產(chǎn)生較大的阻尼力并能夠受磁場(chǎng)控制，其在橋梁方面具有非常大的應(yīng)用前景。??如圖１．４所示，荷蘭的Ｅｉｌａｎｄ大橋已經(jīng)采用ＭＲＦ阻尼器作為重要的減振元件［３８］。??重慶大學(xué)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(diào)，其性能高于傳統(tǒng)懸掛系統(tǒng)。香港中文大學(xué)的高飛［４（１］等人設(shè)計(jì)了基于??ＭＲＦ阻尼器的人體假肢，該假肢能夠在磁場(chǎng)作用下幫助身體有缺陷的人進(jìn)行自??由活動(dòng)，同時(shí)提供足夠的支撐。紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)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(chǎng)的大小，同時(shí)該裝置非常穩(wěn)定且??可重復(fù)性高。??

（ａ）?（ｂ）??圖１．３典型的ＭＲＦ制動(dòng)器結(jié)構(gòu)（ａ）示意圖和（ｂ）實(shí)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(dòng)力學(xué)方法??進(jìn)行拋光，其克服了傳統(tǒng)拋光技術(shù)的許多缺點(diǎn)，已經(jīng)被越來越多的研究者關(guān)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(jīng)應(yīng)用于光學(xué)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(qū)動(dòng)致動(dòng)器＠１。??ＭＲＦ液壓閥主要由線圈、液壓管道、ＭＲＦ等構(gòu)成，當(dāng)對(duì)繞組施加電流時(shí)，氣缸??內(nèi)的壓力會(huì)發(fā)生變化隨即帶動(dòng)活塞發(fā)生相應(yīng)的位移［？。ＭＲＦ的另一個(gè)應(yīng)用是進(jìn)??行密封，Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉ?ｅｔ?ａＰ］于１９９６年提出將ＭＲＦ當(dāng)做密封媒介對(duì)物品進(jìn)行密封。??通過控制磁場(chǎng)的大小，能夠控制ＭＲＦ的粘度，進(jìn)而在需要密封的空隙中形成密??封圈
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