一种由多孔磁流变弹性体和磁流变液组成的新型智能材料的制作方法

本发明涉及一种刚度和阻尼可调的智能材料，尤其涉及一种由多孔磁流变弹性体和磁流变液组成的新型智能材料，属于智能材料及结构技术领域。

背景技术

随着科技的发展，工程领域对于智能材料的需求越来越广泛，磁流变材料、形状记忆材料、压电材料、智能光纤、自组装材料等智能材料发展迅速。其中，磁流变材料主要包括磁流变液材料(magnetorheologicalfluid,mrf)和磁流变弹性体材料(magnetorheologicalelastomers,mre)，mrf材料为液体材料，mre材料为固体材料。但是，这两种材料都存在一些问题，影响其在工程领域中的应用。磁流变液材料存在易沉降、易泄漏、需要严格密封、成本高等问题，尤其是磁流变液在长期使用过程中出现的颗粒沉降和性能退化问题，已经成为难以解决的瓶颈问题。磁流变液材料存在强度低、密度大、刚度和阻尼可调范围小、抗冲击性差等问题。因此，需要开发一种刚度阻尼可调范围大、抗沉降、响应迅速、不需严格密封的新型磁流变智能材料，这种新型的智能材料可以应用于航空航天、车辆、船舶、土木等多个领域的减振降噪和冲击吸能结构中，前景非常广阔。

技术实现要素：

1、发明目的：

本发明为了解决上述背景技术中的问题，基于毛细管力作用原理，综合磁流变弹性体材料和磁流变液材料的优点，克服他们各自的缺点，提供一种结构简单、变形能力强的多孔磁流变弹性体-磁流变液混合智能材料，提高磁流变材料的主动控制特性和减振吸能性能。

2、技术方案：

本发明一种由多孔磁流变弹性体和磁流变液组成的新型智能材料，见附图1，该材料制备方法和技术方案如下：

步骤一、按照一定质量比例称取非磁性聚合物基体的基体(a组份)和固化剂(b组份)、磁流变弹性体中磁性颗粒、发泡剂、添加剂等材料，将基体(a组份)、磁流变弹性体中磁性颗粒和硅油等分散添加剂放入容器中搅拌均匀，可以使用超声波振动搅拌机或机械搅拌器等设备辅助分散，然后加入固化剂(b组份)和发泡剂，再次搅拌均匀，形成液态的预反应材料；

步骤二、将混合均匀的液态预反应材料导入已经清洁完毕并涂抹脱模剂的模具中，模具的形状可以为长方体、圆柱体等任意形状，根据应用场所设定形状和尺寸，模具材料选用具有高导磁率的金属材料，模具合模后置于强电磁场发生器的环境中，进行室温放置预固化，同时完成磁流变弹性体中磁性颗粒的磁化和取向化，然后将模具移入具有加热功能的真空干燥箱中，完成发泡和固化成型；

步骤三、固化完成后脱模，使用水刀设备对固化后多孔磁流变弹性体进行分块切割和通道加工，通道的直径不超过气泡孔的半径；

步骤四、将加工好的多孔磁流变弹性体放入带有真空泵和进胶管的真空罐或真空袋中，关闭进胶管，抽取真空，然后将进胶管插入由非磁性液体和非磁性液体中磁性颗粒组成的磁流变液中，通过真空泵将磁流变液吸入真空罐或真空袋内，借助真空的吸力和气泡孔和通道的毛细管力作用，使磁流变液进入多孔磁流变弹性体中的气泡孔和通道；

步骤五、使用快速固化聚合物或塑料薄膜对制得的多孔磁流变弹性体和磁流变液混合材料表面进行封装。

当制造规则有序多孔的磁流变弹性体和磁流变液混合智能材料时，见附图2，则具体制备方法和技术方案变为：

步骤(一)、按照一定质量比例称取非磁性聚合物基体的基体(a组份)和固化剂(b组份)、磁流变弹性体中磁性颗粒、添加剂等材料，将基体(a组份)、磁流变弹性体中磁性颗粒和硅油等分散添加剂放入容器中搅拌均匀，可以使用超声波振动搅拌机或机械搅拌器等设备辅助分散，然后加入固化剂(b组份)，再次搅拌均匀，形成液态的预反应材料；

步骤(二)、将混合均匀的液态预反应材料导入已经清洁完毕并涂抹脱模剂的模具中，模具的形状可以为长方体、圆柱体等任意形状，根据应用场所设定形状和尺寸，模具材料选用具有高导磁率的金属材料，模具预置一定数量涂抹脱模剂的球链状金属棍，形状与混合材料中一条气泡孔通道链相同，数量与通道数量相同，用于非磁性聚合物基体中空腔的形成，模具合模后置于强电磁场发生器的环境中，进行室温放置预固化，同时完成磁流变弹性体中磁性颗粒的磁化和取向化，然后将模具移入具有加热功能的真空干燥箱中，完成固化成型；

步骤(三)、固化完成后脱模，抽出球链状金属棍，因为固化后的非磁性聚合物基体为高弹性材料，变形性好，而且球链状金属棍上涂有脱模剂，所以可以顺利地将球链状金属棍抽出，进而制成气泡孔规则排布的多孔磁流变弹性体，使用水刀设备进行分块切割；

步骤(四)、将加工好的多孔磁流变弹性体放入带有真空泵和进胶管的真空罐或真空袋中，关闭进胶管，抽取真空，然后将进胶管插入由非磁性液体和非磁性液体中磁性颗粒组成的磁流变液中，通过真空泵将磁流变液吸入真空罐或真空袋内，借助真空的吸力和气泡孔和通道的毛细管力作用，使磁流变液进入多孔磁流变弹性体中的气泡孔和通道；

步骤(五)、使用快速固化聚合物或塑料薄膜对制得的多孔磁流变弹性体和磁流变液混合材料表面进行封装。

其中，在步骤一及步骤(一)中所述的“非磁性聚合物基体为高弹性聚合物”，是硅橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯橡胶、聚氨酯(polyurethane)、聚脲(polyurea)等聚合物，优选双组份聚合物材料，即由基体(a组份)和固化剂(b组份)化学反应而得的聚合物，利于磁性颗粒的分散；

其中，在步骤一及步骤(一)中所述的“磁流变弹性体中磁性颗粒”，是纳米级或微米级的无磁性金属粉末，为无磁性的羟基铁粉、钴粉、镍粉、钕铁硼粉、铁系合金粉、铝镍合金粉等，在强磁场环境下能够被磁化而具有磁性；

其中，在步骤四及步骤(四)中所述的“非磁性液体”，包含载液和添加剂，载液可以为矿物油、硅油、石油基油、聚酯、聚醛、合成碳氢油等液体材料，添加剂包含表面活性剂、触变剂、偶联剂等可以改变固-液界面性质和改善磁性颗粒在载液中沉降的材料；

其中，在步骤四及步骤(四)中所述的“非磁性液体中磁性颗粒”，是高磁导率、低磁滞性的纳米级或微米级软磁性颗粒，可以为具有磁性的羟基铁粉、钴粉、镍粉、钕铁硼粉、铁系合金粉、铝镍合金粉等；

其中，在步骤三中所述的“气泡孔”，均匀弥散于非磁性聚合物基体内部，通过物理发泡或化学发泡方法产生于聚合物基体内部，也可以通过增材制造(3d打印)成型的方式生成，气泡的数量和尺寸根据材料使用需求的刚度和阻尼特性进行设计，气泡的直径为毫米级；

其中，在步骤三中所述的“通道”，是连接多个气泡孔的通道，通过在模具中插入细棍，成型后取出而形成通道，也可以采用对成型后的材料体水切割钻孔的方式形成，使用增材制造(3d打印)成型工艺时，可以直接3d打印形成气泡孔之间的通道；

其中，在步骤(三)中所述的“气泡孔”，规则排布于非磁性聚合物基体内部，通过模具产生于聚合物基体内部，也可以通过增材制造(3d打印)成型的方式生成，气泡的数量和尺寸根据材料使用需求的刚度和阻尼特性进行设计，气泡的直径为毫米级；

其中，在步骤(三)中所述的“通道”，是连接多个气泡孔的通道，通过在模具中插入球链状金属棍，成型后取出而形成通道，也可以采用对成型后的材料体水切割钻孔的方式形成，使用增材制造(3d打印)成型工艺时，可以直接3d打印形成气泡孔之间的通道；

通过以上步骤，可以快速制造出多孔磁流变弹性体和磁流变液混合的智能材料，结构简单，变形能力强，刚度和阻尼可调节范围大，抗沉降，可应用于主动控制磁流变阻尼器件，解决目前的磁流变液阻尼器存在的阻尼力小、易沉降、寿命短、成本高等问题。

3、本发明一种由多孔磁流变弹性体和磁流变液组成的新型智能材料，相比现有技术具有以下进步和优点：

(1).可以实现刚度和阻尼的大范围调节，可控性好，可设计性强，响应速度快，结构简单。

(2).多孔气泡和通道都是毫米级的尺寸，可以产生毛细管力的作用，对其中填充的磁流变液体的磁性颗粒产生吸附作用，抗沉降性能好，解决了传统磁流变液材料易沉降的问题。

(3).减振吸能性能好，该材料内部存在的多个磁流变液填充的气泡孔和通道利于振动或冲击能量的耗散，提高材料的减振和吸能性能。

总之，该材料是一种刚度和阻尼可调的新型减振吸能智能材料，可以应用于各种复杂的振动和冲击工况，制成具有主动控制特性的新型阻尼器件，提高器件的减振和吸能效果。

附图说明

图1是本发明的实施例1智能材料的内部组成示意图。

图2是本发明的实施例2智能材料的内部组成示意图。

图中符号说明如下：1-非磁性聚合物基体、2-磁流变弹性体中磁性颗粒、3-气泡孔、4-通道、5-非磁性液体、6-非磁性液体中磁性颗粒。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明：

实施例1

如附图1所示，根据本发明一种由多孔磁流变弹性体和磁流变液组成的新型智能材料，其一方面，提供了一种随机分布孔位的多孔磁流变弹性体和磁流变液混合智能材料，包括非磁性聚合物基体1、磁流变弹性体中磁性颗粒2、气泡孔3、通道4、非磁性液体5、非磁性液体中磁性颗粒6，它们之间的关系是：非磁性聚合物基体1内部随机分布着多个磁性颗粒2和气泡孔3，多个气泡孔3之间通过通道4连接，非磁性液体5位于气泡孔3和通道4的内部，非磁性液体中磁性颗粒6分布于非磁性液体5内部。

所述非磁性聚合物基体1为高弹性聚合物，可以为硅橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯橡胶、聚氨酯(polyurethane)、聚脲(polyurea)等聚合物，优选双组份聚合物材料，即由基体(a组份)和固化剂(b组份)化学反应而得的聚合物，利于磁性颗粒的分散；

所述磁流变弹性体中磁性颗粒2为纳米级或微米级的无磁性金属粉末，可以为无磁性的羟基铁粉、钴粉、镍粉、钕铁硼粉、铁系合金粉、铝镍合金粉等，在强磁场环境下能够被磁化而具有磁性；

所述气泡孔3均匀弥散于非磁性聚合物基体1内部，通过物理发泡或化学发泡方法产生于聚合物基体内部，也可以通过增材制造(3d打印)成型的方式生成，气泡的数量和尺寸根据材料使用需求的刚度和阻尼特性进行设计，气泡的直径为毫米级；

所述通道4为连接多个气泡孔3的通道，通过在模具中插入细棍，成型后取出而形成通道，也可以采用对成型后的材料体水切割钻孔的方式形成，使用3d打印成型工艺时，可以直接3d打印形成气泡孔之间的通道；

所述非磁性液体5包含载液和添加剂，载液可以为矿物油、硅油、石油基油、聚酯、聚醛、合成碳氢油等液体材料，添加剂包含表面活性剂、触变剂、偶联剂等可以改变固-液界面性质和改善磁性颗粒在载液中沉降的材料；

所述非磁性液体中磁性颗粒6为高磁导率、低磁滞性的纳米级或微米级软磁性颗粒，可以为具有磁性的羟基铁粉、钴粉、镍粉、钕铁硼粉、铁系合金粉、铝镍合金粉等。

本实施例材料制备方法和技术方案如下：

步骤一、按照一定质量比例称取非磁性聚合物基体1的基体(a组份)和固化剂(b组份)、磁流变弹性体中磁性颗粒2、发泡剂、添加剂等材料，将基体(a组份)、磁流变弹性体中磁性颗粒2和硅油等分散添加剂放入容器中搅拌均匀，可以使用超声波振动搅拌机或机械搅拌器等设备辅助分散，然后加入固化剂(b组份)和发泡剂，再次搅拌均匀，形成液态的预反应材料；

步骤二、将混合均匀的液态预反应材料导入已经清洁完毕并涂抹脱模剂的模具中，模具的形状可以为长方体、圆柱体等任意形状，根据应用场所设定形状和尺寸，模具材料选用具有高导磁率的金属材料，模具合模后置于强电磁场发生器的环境中，进行室温放置预固化，同时完成磁流变弹性体中磁性颗粒2的磁化和取向化，然后将模具移入具有加热功能的真空干燥箱中，完成发泡和固化成型；

步骤三、固化完成后脱模，使用水刀设备对固化后多孔磁流变弹性体进行分块切割和通道4加工，通道4的直径不超过气泡孔3半径；

步骤四、将加工好的多孔磁流变弹性体放入带有真空泵和进胶管的真空罐或真空袋中，关闭进胶管，抽取真空，然后将进胶管插入由非磁性液体5和非磁性液体中磁性颗粒6组成的磁流变液中，通过真空泵将磁流变液吸入真空罐或真空袋内，借助真空的吸力和气泡孔3和通道4的毛细管力作用，使磁流变液进入多孔磁流变弹性体中的气泡孔3和通道4；

步骤五、使用快速固化聚合物或塑料薄膜对制得的多孔磁流变弹性体和磁流变液混合材料表面进行封装。

实施例2

如附图2所示，根据本发明一种由多孔磁流变弹性体和磁流变液组成的新型智能材料，其一方面，提供了一种规则有序分布孔位的多孔磁流变弹性体和磁流变液混合智能材料，包括非磁性聚合物基体1、磁流变弹性体中磁性颗粒2、气泡孔3、通道4、非磁性液体5、非磁性液体中磁性颗粒6，它们之间的关系是：磁流变弹性体中磁性颗粒2以链状规则分布在非磁性聚合物基体1的内部，气泡孔3以链状规则排列于非磁性聚合物基体1的内部，多个气泡孔3之间通过通道4连接，非磁性液体5位于气泡孔3和通道4的内部，非磁性液体中磁性颗粒6分布于非磁性液体5内部。

所述非磁性聚合物基体1为高弹性聚合物，可以为硅橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚氨酯橡胶、聚氨酯(polyurethane)、聚脲(polyurea)等聚合物，优选双组份聚合物材料，即由基体(a组份)和固化剂(b组份)化学反应而得的聚合物，利于磁性颗粒的分散；

所述磁流变弹性体中磁性颗粒2为纳米级或微米级的无磁性金属粉末，可以为无磁性的羟基铁粉、钴粉、镍粉、钕铁硼粉、铁系合金粉、铝镍合金粉等，在强磁场环境下能够被磁化而具有磁性；

所述气泡孔3规则排布于非磁性聚合物基体1内部，通过模具产生于聚合物基体内部，也可以通过3d打印成型的方式生成，气泡的数量和尺寸根据材料使用需求的刚度和阻尼特性进行设计，气泡的直径为毫米级；

所述通道4为连接多个气泡孔3的通道，通过在模具中插入球链状金属棍，成型后取出而形成通道，也可以采用对成型后的材料体水切割钻孔的方式形成，使用3d打印成型工艺时，可以直接3d打印形成气泡孔之间的通道；

所述非磁性液体5包含载液和添加剂，载液可以为矿物油、硅油、石油基油、聚酯、聚醛、合成碳氢油等液体材料，添加剂包含表面活性剂、触变剂、偶联剂等可以改变固-液界面性质和改善磁性颗粒在载液中沉降的材料；

所述非磁性液体中磁性颗粒6为高磁导率、低磁滞性的纳米级或微米级软磁性颗粒，可以为具有磁性的羟基铁粉、钴粉、镍粉、钕铁硼粉、铁系合金粉、铝镍合金粉等。

本实施例材料制备方法和技术方案如下：

步骤一、按照一定质量比例称取非磁性聚合物基体1的基体(a组份)和固化剂(b组份)、磁流变弹性体中磁性颗粒2、添加剂等材料，将基体(a组份)、磁流变弹性体中磁性颗粒2和硅油等分散添加剂放入容器中搅拌均匀，可以使用超声波振动搅拌机或机械搅拌器等设备辅助分散，然后加入固化剂(b组份)，再次搅拌均匀，形成液态的预反应材料；

步骤二、将混合均匀的液态预反应材料导入已经清洁完毕并涂抹脱模剂的模具中，模具的形状可以为长方体、圆柱体等任意形状，根据应用场所设定形状和尺寸，模具材料选用具有高导磁率的金属材料，模具预置一定数量涂抹脱模剂的球链状金属棍，形状与混合材料中一条气泡孔通道链相同，数量与通道4数量相同，用于非磁性聚合物基体1中空腔的形成，模具合模后置于强电磁场发生器的环境中，进行室温放置预固化，同时完成磁流变弹性体中磁性颗粒2的磁化和取向化，然后将模具移入具有加热功能的真空干燥箱中，完成固化成型；

步骤三、固化完成后脱模，抽出球链状金属棍，因为固化后的非磁性聚合物基体1为高弹性材料，变形性好，而且球链状金属棍上涂有脱模剂，所以可以顺利地将球链状金属棍抽出，进而制成气泡孔规则排布的多孔磁流变弹性体，使用水刀设备进行分块切割；

步骤四、将加工好的多孔磁流变弹性体放入带有真空泵和进胶管的真空罐或真空袋中，关闭进胶管，抽取真空，然后将进胶管插入由非磁性液体5和非磁性液体中磁性颗粒6组成的磁流变液中，通过真空泵将磁流变液吸入真空罐或真空袋内，借助真空的吸力和气泡孔3和通道4的毛细管力作用，使磁流变液进入多孔磁流变弹性体中的气泡孔3和通道4；

步骤五、使用快速固化聚合物或塑料薄膜对制得的多孔磁流变弹性体和磁流变液混合材料表面进行封装。

本发明按照设想实施特例进行了说明，但不局限于上述实例，凡是符合本发明的思路，采用相似结构及材料替换的方法所获得的技术方案，都属于本发明的保护范围之内。