磁流变弹性体(MRE)是由铁磁性颗粒和聚合物类基体制备而成的一种磁敏智能复合材料,其材料性能,如模量、阻尼、形变、阻抗等,可以通过外磁场进行快速、可逆的控制。并且由于MRE的基体为固态的聚合物材料,不存在颗粒沉降和样品封装泄露等问题,所以MRE的性能同时具备稳定、可重复性强等优势。因此,MRE在实际应用中特别是振动控制领域,已经得到了广泛而深入的研究。目前MRE力学性能与模型的相关研究中主要考虑的是内部磁性颗粒的磁相互作用,并未将聚合物基体力学性能中最大特点之一的黏弹性特征引入到理论分析中来,因此往往难以合理地解释一定条件下MRE磁致力学性能所呈现的黏弹性特征,如力学性能的时间依赖性和温度依赖性。这不仅会阻碍MRE综合理论模型的发展,而且也会限制MRE作为一种性能优异的智能聚合物复合材料在实际工程中的广泛应用。因此为了进一步完善MRE力学模型和拓展其工程应用,本文从颗粒增强型聚合物复合材料的角度,对MRE进行了一系列的实验研究;综合考虑颗粒的磁性能以及基体力学性能对MRE磁致力学性能的影响,将聚合物基体的黏弹性力学模型引入到了MRE的力学性能分析中。本文的主要研究内容如下:1.硬磁性MRE磁致力学性能的研究。为实现MRE“负刚度”功能的工程需要,采用硬磁颗粒钕铁硼(NdFeB)制备了新型的硬磁性MRE,研究了硬磁性MRE在循环磁场下的力学性能变化。其研究结果显示,通过在不同方向上加载外磁场时,能够实现硬磁性MRE模量的升高和降低,即硬磁MRE能够同时具有负刚度和正刚度两种功能。同时发现硬磁MRE的模量变化与内部硬磁颗粒的磁特性密切相关。模量变化曲线的对称性由测试磁场与磁化磁场的相对大小决定。当测试磁场大小或等于磁化磁场时,模量变换曲线是对称的;而当测试磁场小于磁化磁场情况下,其模量变化曲线会出现不同程度的不对称性。最后根据MRE经典磁偶极子假设以及硬磁材料独特的磁学性能,解释了硬磁性MRE在不同加载方式的外磁场作用下的多种力学行为,探究出硬磁材料第一反转曲线(FORC)的磁场加载方式是解决硬磁MRE在实际应用中实现性能的可重复性问题的有限手段。2.MRE阶跃磁场下磁致力学性能的时间相关性研究。首先制备了基于羰基铁粉和聚二甲基硅氧烷(PDMS)的各向异性的软磁性MRE,并测试了MRE的剪切储能模量和损耗模量在不同阶跃磁场下随时间的变化曲线。其结果显示MRE储能模量和损耗模量随时间的变化都表现出明显的“黏弹性”特征。这种黏弹性特征归因于外磁场所导致MRE内部磁性颗粒结构的重新排布。其次,基于MRE经典的磁偶极子假设和聚合物基体的黏弹性力学分析,提出磁偶极-黏弹性综合力学模型。通过颗粒与基体的相互作用,推导得到了颗粒在基体内部运动的特点:磁场加载阶段,颗粒运动的特征时间随着阶跃磁场的增加而减小,而磁场撤去阶段,颗粒的运动特征时间随着阶跃磁场的变化基本保持不变。最后在颗粒运动表达式的基础上,进一步得到与粒子运动相关的宏观力学性能,即磁致储能模量和损耗模量随时间变化的表达形式,并与实验数据合结果吻合的非常好。3.MRE磁致力学性能的温度相关性研究。测试了MRE在不同温度和磁场下的剪切储能模量,分析了不同温度下MRE磁致模量的变化。其结果发现MRE的初始模量和磁致模量都会随着温度的升高而降低。这两者随温度升高而降低的原因并不相同。初始模量的降低是由于温度对聚合物基体分子链热运动的加剧所导致的分子链之间相对滑动。而磁致模量的降低则是由于颗粒链在基体内部的转动所导致,温度的升高和磁场的增大,都会使得颗粒链偏转的角度增大,从而导致磁致模量的降低。基于颗粒链的转动和基体的阻碍两方面的分析,得到了磁致模量与相应温度的初始模量、外磁场大小的关系式。为了更好地展示颗粒链在基体内偏转的存在以及温度对颗粒链偏转的影响,设计了一个两阶段的应力松弛实验,进一步证明了磁场作用下内部磁性颗粒链的偏转的存在,并且其偏转角度会随着温度的升高而增大。