磁流变弹性体的制备与疲劳断裂机理的研究

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为了解决工程中的振动、噪音、控制等问题,人们利用高分子的黏弹性来吸振降噪,由于高分子受到交变应力时,会造成分子链间、分子链与填料间的滑动,这种滑动有能量耗散的作用,人们正是利用高分子的这种奇异特性,实现了减振降噪的目的。磁流变弹性体是一种新型材料,它的创新之处在于将减振降噪从过去的被动行为,变为主动行为,从而实现了材料的智能控制。  众所周知,工程构件的破坏80%以上属于疲劳失效,由于磁流变弹性体加入的磁性粒子不具备炭黑、白炭黑那样的补强性能,这些磁性粒子的大量加入,必将影响其疲劳寿命。由于磁流变弹性体通常要在周期性复杂应力状态下使用,在保证磁流变弹性体磁流变效应的基础上,磁流变弹性体的疲劳断裂性能往往决定材料的使用寿命,为了保证磁流变弹性体使用的安全性、可靠性,研究磁流变弹性体的疲劳特性及疲劳断裂的微观机理具有重要的科学和工程意义。本文从材料加工开始,通过磁流变弹性体的力学、疲劳寿命测试系统的搭建和测试,拟合出了其超弹性、黏弹性本构方程和疲劳扩展方程,对磁流变弹性体的疲劳寿命进行了较为系统的分析:  首先,通过对制备磁流变弹性体的原材料进行分析,选择较优的制备方案,制备了不同硫化体系、橡胶基体的磁流变弹性体,测试了其磁流变效应。  其次,由于疲劳裂纹扩展速率可以通过在纯剪切试样在撕裂能一定的条件下测得,再利用上述关系来计算出裂纹扩展方程参数;为此搭建了纯平面剪切测试和疲劳测试系统,设计平面剪切和疲劳测试方法,拟合出了磁流变弹性体的超弹性、黏弹性疲劳本构方程以及疲劳裂纹扩展模型的函数关系。  然后,对不同因素对疲劳寿命进行了测试,构建了不同疲劳裂纹扩展的函数关系,从函数的角度进行了分析,同时利用近现代测试技术对疲劳前后的材料表面进行了分析,并从细微观结构进行了分子机理解释。  最后,通过对磁流变弹性体样件的疲劳试验,与裂纹扩展模型方法的预测进行了对比,预测结果与实际只有 2.35%的误差,结果可信。为此对目前磁流变弹性体应用前景较好的汽车悬置进行预测,本文分析的是一款国产 SUV 汽车的悬置,从工程设计角度 ,对此磁流变弹性体悬置的磁流变效应、疲劳寿命如何平衡,以及以后改进的方向,提出了建议;同时从学术角度,提出了寻找弹性体基体、磁性粒子改性的方向。
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