树脂基磁致伸缩复合材料及其智能阻尼器

论文摘要

树脂粘结Terfenol-D颗粒形成的树脂基超磁致伸缩复合材料与Terfenol-D相比具有涡流损耗低,使用频率宽,抗拉强度高,可加工性好,成本低等优点。本文主要从性能理论预测、制备工艺改进、不同工艺因素作用机理分析、性能影响因素实验分析、在土木工程中的应用等五个方面对树脂基磁致伸缩复合材料展开研究。首先,在考虑退磁场效应的前提下,采用复合材料细观力学等效夹杂理论,建立磁致伸缩复合材料的理论模型,研究颗粒形状、含量及基体弹性模量对磁致伸缩复合材料磁致伸缩性能及弹性模量的影响,以及磁致伸缩系数及弹性模量与磁场强度的关系。结果表明,磁致伸缩复合材料的饱和磁致伸缩应变随颗粒含量、纵横比的增大而增大,随基体弹模的增大而减小;弹性模量随颗粒含量、颗粒纵横比、基体弹模的增大而增大;饱和磁场强度随颗粒含量减小或颗粒纵横比减小而增大;颗粒含量越大、纵横比越大,磁致伸缩应变随磁场强度的变化越快;弹性模量随磁场强度的增大而增大,其影响程度在颗粒体积含量和颗粒纵横比较大时尤为显著。其次,针对树脂基磁致伸缩复合材料已有制备工艺中的问题,根据不饱和聚酯树脂低粘度的特性,对已有工艺进行了改进,即先采用超声振荡法使颗粒均匀分散在基体材料中,然后在混合体系树脂凝胶过程中通过电磁场系统施加可调节的强磁场,待凝胶后再将复合体系置于高温条件下固化。实验对比证明,采用改进工艺制备的不饱和聚酯树脂基磁致伸缩复合材料具有颗粒分散均匀、磁致伸缩性能高等优点。继而,对制备工艺流程中影响最终树脂基磁致伸缩复合材料性能的因素进行了讨论。结果表明,制备过程中颗粒分散方法,凝胶过程中取向磁场强度,最后的固化温度等对树脂基磁致伸缩复合材料的性能具有显著的影响。接着,通过实验对取向磁场强度、颗粒含量、颗粒粒度分布、固化温度、基体种类以及掺杂其它颗粒对磁致伸缩复合材料各性能参数的影响进行了讨论分析。结果表明,磁致伸缩复合材料磁致伸缩性能、磁机械耦合系数以及弹性模量、抗压强度等性能参数均随凝胶过程中取向磁场强度的增加而提高,对不同颗粒含量的复合材料存在着不同的取向磁场强度的临界值;磁致伸缩复合材料动静态磁致伸缩系数、磁导率及弹性模量随颗粒含量增大而提高;采用窄分布颗粒制备的磁致伸缩复合材料,其动静态磁致伸缩系数随颗粒平均粒径增大而先增大后减小,而采用宽分布的颗粒所制备的试样其磁致伸缩系数大于所有采用窄分布颗粒所制备的试样;在固化温度小于临界固化温度时,磁致伸缩复合材料的磁致伸缩性能随固化温度的升高而升高,当固化温度超过临界温度时,磁致伸缩复合材料的性能开始下降;相同条件下制备的不饱和聚酯树脂基磁致伸缩复合材料与环氧基磁致伸缩复合材料相比,各性能参数均略有下降;掺杂羰基铁粉在提高磁致伸缩复合材料磁导率的同时降低了其磁致伸缩性能,而掺杂纳米SiO2可以提高树脂基磁致伸缩复合材料的力学性能及低磁场下的磁致伸缩性能。此外,本文还通过实验研究了磁流变弹性体（MRE）的磁致伸缩性能。结果表明,由于羰基铁粉颗粒与硅橡胶基体的相互作用,MRE也具有一定的磁致伸缩效应,其磁致伸缩系数随颗粒含量的增大而增大;在粒子含量相同时,MRE的饱和磁致伸缩量随垂直于磁场方向的颗粒所占比重的增大而增大;实验中测得的最大饱和磁致伸缩量与压电陶瓷材料的压电变形量相当,较Terfenol-D的磁致伸缩效应小1个数量级;MRE的磁致伸缩性能不稳定,其饱和磁致伸缩系数及残余磁致应变随加卸磁场次数增加而逐次减小。最后,设计了一款基于环氧基磁致伸缩复合材料的半主动摩擦阻尼器。小尺寸实验研究表明,以磁致伸缩复合材料棒材为驱动材料的阻尼器耗能性能良好,且性价比较其它材料高。用其对1:16的斜拉索模型进行振动控制实验,结果表明,该阻尼器能够有效减小斜拉索振动,而半主动控制效果更优。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 磁致伸缩复合材料研究现状
• 1.2.1 磁致伸缩复合材料制备
• 1.2.2 磁致伸缩复合材料性能的影响因素
• 1.2.3 磁致伸缩复合材料性能预测
• 1.2.4 超磁致伸缩稀土合金材料及其复合材料的应用
• 1.3 磁流变弹性体磁致伸缩效应研究进展
• 1.4 已有研究中存在的问题
• 1.5 本课题目的及意义
• 1.6 本课题主要研究内容
• 第2章 磁致伸缩复合材料性能理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 考虑退磁场的细观力学模型
• 2.2.1 退磁场效应
• 2.2.2 磁致伸缩复合材料的磁致应变细观模型
• 2.2.3 计算所用性能参数
• 2.3 影响饱和磁致伸缩应变的基本参数
• 2.3.1 颗粒含量
• 2.3.2 颗粒形状
• 2.3.3 基体弹性模量
• 2.4 影响弹性模量的基本参数
• 2.4.1 颗粒含量
• 2.4.2 颗粒形状
• 2.4.3 基体弹性模量
• 2.5 磁场强度与磁致伸缩应变及弹性模量的关系
• 2.5.1 磁场强度与磁致伸缩应变的关系
• 2.5.2 磁场强度与弹性模量的关系
• 2.6 本章小结
• 第3章 树脂基磁致伸缩复合材料制备工艺改进
• 3.1 引言
• 3.2 磁致伸缩材料性能评价指标与测试概述
• 3.2.1 静态与动态磁特性
• 3.2.2 阻抗频谱分析与磁机械耦合系数
• 3.2.3 力学性能
• 3.3 树脂基磁致伸缩复合材料制备工艺改进及评估
• 3.3.1 磁致伸缩复合材料制备工艺中的若干问题
• 3.3.2 对磁致伸缩复合材料已有制备工艺的改进
• 3.3.3 试样制备方案
• 3.3.4 改进效果评估
• 3.4 影响树脂基磁致伸缩复合材料性能的工艺因素
• 3.4.1 超声分散
• 3.4.2 取向磁场
• 3.4.3 固化温度
• 3.5 本章小结
• 第4章 磁致伸缩复合材料性能影响因素实验分析
• 4.1 引言
• 4.2 树脂基磁致伸缩复合材料制备方案
• 4.2.1 Terfenol-D颗粒性能
• 4.2.2 基体性能
• 4.2.3 掺杂颗粒
• 4.2.4 模具设计
• 4.2.5 试样制备方案
• 4.3 取向磁场对磁致伸缩复合材料性能的影响
• 4.3.1 Vf=20%复合材料磁致伸缩性能
• 4.3.2 Vf=20%复合材料磁机械耦合系数
• 4.3.3 Vf=20%复合材料力学性能
• 4.3.4 Vf=50%复合材料磁致伸缩性能
• 4.3.5 结果分析与讨论
• 4.4 颗粒体积含量对磁致伸缩复合材料性能的影响
• 4.4.1 磁致伸缩性能
• 4.4.2 磁导率
• 4.4.3 磁机械耦合系数
• 4.4.4 力学性能
• 4.4.5 结果分析与讨论
• 4.5 颗粒粒度分布对磁致伸缩复合材料性能的影响
• 4.5.1 磁致伸缩性能
• 4.5.2 磁机械耦合系数
• 4.5.3 力学性能
• 4.5.4 结果分析与讨论
• 4.6 固化温度对环氧基磁致伸缩复合材料性能的影响
• 4.6.1 磁致伸缩性能
• 4.6.2 磁机械耦合系数
• 4.6.3 力学性能
• 4.6.4 结果分析与讨论
• 4.7 采用不同基体制备磁致伸缩复合材料的性能比较
• 4.8 掺杂对磁致伸缩复合材料性能的影响
• 4.8.1 掺杂软磁颗粒的作用机理
• 4.8.2 掺杂微米羰基铁粉对磁致伸缩复合材料性能的影响
• 2 对磁致伸缩复合材料力学性能的影响'>4.8.3 掺杂纳米SiO₂对磁致伸缩复合材料力学性能的影响
• 4.9 磁流变弹性体的磁致伸缩性能影响因素
• 4.9.1 MRE制备
• 4.9.2 MRE的磁致伸缩性能及影响因素
• 4.9.3 MRE磁致伸缩机理分析
• 4.10 本章小结
• 第5章 基于磁致伸缩复合材料的半主动摩擦阻尼器设计与应用
• 5.1 引言
• 5.2 基于树脂基磁致伸缩复合材料的摩擦阻尼器设计
• 5.2.1 阻尼器工作原理与基本结构
• 5.2.2 磁致伸缩摩擦阻尼器理论设计
• 5.3 基于磁致伸缩复合材料的半主动摩擦阻尼器性能实验
• 5.3.1 实验概况
• 5.3.2 阻尼器滞回性能实验结果
• 5.3.3 阻尼器平均耗能与等效阻尼系数
• 5.3.4 采用不同驱动材料的摩擦阻尼器性能与经济性比较
• 5.4 斜拉索—智能摩擦阻尼控制系统实验
• 5.4.1 斜拉索—阻尼控制系统数学模型
• 5.4.2 斜拉索—阻尼控制系统控制算法
• 5.4.3 斜拉索—阻尼控制系统实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历