中国科大龚兴龙教授课题组 Adv. Funct. Mater.：磁流变弹性体的力-磁耦合性能优化和仿生结构设计

学术 2024-11-26 12:24 江苏

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磁流变弹性体（Magnetorheological Elastomers, MRE）作为一种新兴的智能材料，因其优异的力学特性和快速、可逆的磁致增强效应，近年来受到了国内外研究人员的广泛关注。与传统的磁流变液和磁流变塑性体相比，磁流变弹性体能够有效避免磁性颗粒的沉降和团聚问题，从而显著提高材料体系的稳定性与承载能力。这一独特优势使得磁流变弹性体在功能性电子皮肤、生物医疗设备以及软体机器人等高新技术领域的研发中得到了广泛应用。然而，由于基体材料的性能限制，磁流变弹性体的力学性能，尤其是在复杂冲击载荷环境下的承载能力较为有限。因此，如何在保持磁流变弹性体原有磁流变性能的基础上，进一步优化材料的抗冲击性能，具有十分重要的科学意义与应用价值。

针对上述问题，中国科学技术大学龚兴龙教授课题组近日通过机械共混与高温高压硫化技术，研制出一种新型磁流变剪切变硬弹性体。研究团队基于流变学剪切测试与单轴拉压测试，系统表征了该类材料的力-磁耦合力学行为，探究磁流变剪切变硬弹性体的力学性能最优化合成配比。特别地，在该工作中，研究团队创新性地构建了适用于磁流变剪切变硬弹性体在中应变率落锤与高应变率霍普金森压杆冲击载荷模式下的力-磁耦合测试装置，详细讨论了磁场强度对于该类材料体系动态力学行为的影响。在此基础上，受到甲虫外壳中小梁结构的启发，研究团队利用研制的磁流变剪切变硬弹性体材料设计了一种仿生缓冲结构。该结构相比于传统的柔性防护结构，表现出更加优异的能量吸收与缓冲效果，且可通过磁场实现缓冲性能的进一步增强。该研究成果在运动缓冲与吸能领域展现出广阔的应用前景，也为柔性缓冲器件的设计提供了新的思路。相关工作以“Enhanced Mechanical-Magnetic Coupling and Bioinspired Structural Design of Magnetorheological Elastomers”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

图1. 磁流变弹性体的制备过程、微观结构表征以及基本磁学性能测试

该工作通过机械共混与高温高压硫化工艺，将羰基铁粉均匀分散在聚硼硅氧烷基体中，成功制备了一种在常温下具有稳定形态的磁流变剪切变硬弹性体（Magnetorheological Shear-Stiffening Elastomer, MSSE）。该弹性体复合材料不仅具有良好的可拉伸性能，还在外加磁场的作用下展现出显著的可控磁致变形能力。

图2 磁流变剪切变硬弹性体的基本力学性能表征

磁流变剪切变硬弹性体的力-磁耦合行为可通过调整材料体系中剪切变硬胶与羰基铁粉的配比进行精确调控。流变学实验结果表明，该材料展现出独特的应变率强化效应与磁致增强效应。在准静态压缩循环加卸载实验中，随着羰基铁粉质量分数的增加，MSSE复合材料的承载能力与能量吸收能力均明显得到强化。

图3 磁流变剪切变硬弹性体的落锤冲击实验

得益于MSSE体系中剪切变硬胶中所具有的独特B-O动态交联键，该复合材料在中应变率落锤冲击载荷下表现出优异的防护性能。同时，羰基铁粉的引入进一步优化了材料体系的承载能力。实验结果表明，在冲击能量为17.3 J的非穿透冲击载荷下，羰基铁粉质量分数为50%的MSSE，其峰值背衬力相较于未添加铁磁颗粒的对照组材料减小41.9%。此外，在穿透冲击载荷模式下，外加磁场的施加对材料的抗冲击性能也起到了一定的提升作用。

图4 磁流变剪切变硬弹性体的霍普金森杆动态冲击实验

进一步地，研究团队构建了具备磁场加载功能的分离式霍普金森压杆高应变率冲击实验平台，探究加载速率与磁场强度对于MSSE力学性能的影响。实验结果表明，随着应变率的增加，MSSE的承载能力进一步增加；特别地，通过高速摄影技术的原位测量，清晰地观察到羰基铁粉的引入在冲击过程中对复合材料结构的保护作用。

图5 磁流变弹性体的仿生设计与吸能缓冲结构设计

受到自然界中甲虫外壳内部小梁结构抗冲击力学机理启发，研究团队充分发挥MSSE在多种载荷模式下稳定的承载能力，通过“冲压-堆叠”工艺设计了一种兼具轻质与优异缓冲性能的阵列式纤毛结构。基于小球自由落体冲击平台，系统探究了纤毛堆叠方式与磁场参数对于结构能量耗散率与平均冲击力的影响。

综上所述，该工作提出了一种兼具磁流变效应与应变率强化效应的新型磁流变剪切变硬弹性体制备方法。该材料在不同载荷模式下均表现出良好的力学性能，在可调控力-磁耦合抗冲击领域具有广阔的应用前景。

论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院硕士研究生王东鹏，通讯作者为中国科学技术大学工程科学学院龚兴龙教授和赵春宇博士后。该研究得到了中国国家自然科学基金、博士后创新人才支持计划、中央高校基本科研业务费专项资金、安徽省自然科学基金以及中国科学技术大学微纳研究与制造中心的资助和支持。

原文链接：

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.