石墨烯/硅橡胶基磁流变弹性体的磁控电学特性研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:archer007
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磁流变弹性体作为一类新型的智能材料,其特征性能主要包括磁控力学特性与磁控电学特性。目前,磁流变弹性体的磁控电学特性主要应用于智能集成传感执行元件领域,但由于传统磁流变弹性体的导电性与介电性较差,其发展空间被大幅度限制。针对上述问题,本文提出了一种添加石墨烯的硅橡胶基磁流变弹性体(GR/RTV MREs),通过仿真、数值计算和实验对其磁控电学性能进行了研究。本文主要工作内容分为以下几个方面:首先,对GR/RTV磁流变弹性体的磁控电学特性进行了仿真分析。基于细观力学方法与等效模量思想,使用Comsol对不同石墨烯体积分数的磁流变弹性体的磁控电学性能进行了多尺度仿真分析,得到了不同磁感应强度下的压力-电阻曲线。曲线分析结果表明,随着体积分数的增加,GR/RTV磁流变弹性体的导电性随之提高。其次,建立了GR/RTV磁流变弹性体的磁控电学模型。为描述GR/RTV磁流变弹性体的磁控压阻特性,基于Fowler-Nordheim公式与磁偶极子模型建立了用于描述材料电阻与磁场和外界压力的磁控压阻模型。为描述模型中初始电阻与石墨烯含量的关系,基于通用有效介质方程,建立了适用于GR/RTV磁流变弹性体的电导率模型,数值计算得到了电导率与石墨烯体积分数的关系曲线。分析曲线可知,随着体积分数的增加,石墨烯对材料导电性影响由强变弱,最终趋于零。然后,完成了不同石墨烯体积分数的GR/RTV磁流变弹性体的制备。确定了基体材料为硅橡胶、导电填料为纳米石墨烯片的制备方案,使用溶液共混法制备了石墨烯体积分数分别为0,3%,6%,9%,12%,15%的GR/RTV磁流变弹性体。使用SEM和EDS对样品进行了形貌观察与元素种类含量分析。结果表明,样品表面形貌平整光滑,内部无填充气穴,铁磁颗粒导电链清晰完整,各元素含量与预期相符。最后,完成了GR/RTV磁流变弹性体的磁控压阻特性实验测试。搭建了磁流变弹性体磁控压阻特性实验装置,测试了0-120m T磁感应强度下,石墨烯含量对磁流变弹性体压阻特性的影响。实验结果表明,当石墨烯体积分数小于12%时,样品的磁控压阻特性与石墨烯体积分数存在明显的正相关关系;而超过12%时,石墨烯含量的提升对其电学性能的影响很小。同时,当磁感应强度大于80m T之后,磁场对磁流变弹性体压阻性能的影响趋近于零。基于实验数据对磁控电阻模型进行了修正,验证了理论模型的准确性。
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