磁流变胶阻尼特性的研究开题报告.docx

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磁流变胶阻尼特性的研究开题报告

附件B：

毕业设计（论文）开题报告

1、课题的目的及意义（含国内外的研究现状分析或设计方案比较、选型分析等）

磁流变胶是介于磁流变液和磁流变弹性体之间的一类物质，其具有更加灵活可控的流变特性[1]。

磁流变胶是以溶胶作为连续相的母液,将微米级的磁性颗粒均匀地分散其中而形成[2]。

与磁流变液的最大区别是磁流变胶的零场粘度可以通过调整载体基质的组分含量来进行调整，这使得磁流变胶的制备具有很高的灵活性。

同时，将聚合物胶体加入到低粘度液体中可以有效抑制粒子沉降[3,4]。

此外，在解决沉降问题的同时，磁流变胶保持了磁流变液在外磁场控制下响应快速、表观粘度和剪切模量变化显著等特点。

以上分析表明，磁流变胶凭借其良好的性能可在许多应用领域取代磁流变液（比如阻尼器[5,6]、磁流变隔离器[7]、磁流变制动器[8]、振动控制[9]等等）或者应用于一些新的领域。

简而言之，磁流变胶的出现，填补了磁流变液[5]和磁流变弹性体[10-12]在磁流变性能方面的沟壑并且为磁流变材料的应用提供了更多的选择。

目前，许多国内外学者对磁流变胶进行了大量研究。

磁流变胶的概念最早由日本研究人员Shiga等于1995年提出，他们将磁性颗粒分散到硅树脂基体中，制备得出早期的磁流变胶并对其磁致压缩模量进行了理论分析[13]。

日本的Misumata等研究人员采用在聚乙烯醇（PVA）中添加钡铁氧体磁性颗粒的方法制备磁流变胶，并对其磁致压缩模量进行了研究[14]。

内华达大学的Wilson等研究人员采用聚氨酯和有机硅高分子凝胶作为基体制备磁流变胶，并通过调节稀释剂浓度以达到控制样品流动性的目的[15]。

Fuchs等研究人员采用活塞驱动型流变仪对有机硅高分子磁流变胶和聚氨酯磁流变胶的可调节流动性进行了测试。

结果表明，在较宽的剪切速率范围内，有机硅高分子磁流变胶具有高剪切屈服应力以及较低的粘度。

而聚氨酯基磁流变胶具有较低的颗粒沉降率。

在聚合反应过程中，磁性颗粒和聚合物的加料顺序直接影响了磁流变胶的零场粘度。

良好的颗粒分散性有助于提高样品的动态屈服应力[16]。

此外，他们还制备了超分子量聚合物基磁流变胶，这种磁流变胶具有粘度可控、稳定性高、颗粒沉降性低等特点。

中国科技大学的龚兴龙、叶兴柱等对磁流变胶的制备、流变性能[17]以及沉降和力学性能进行了研究[18],中国科技大学的魏冰研究了聚氨酯基磁流变胶的力学性能，并与聚氨酯基磁流变弹性体做了对比分析[19],中国科技大学的宣守虎对磁流变胶的制备和力学性能作了一定研究[20]。

这些研究为我们进一步研究磁流变胶的一些特殊性能奠定了基础。

但是，这些研究主要集中在磁流变胶的流变特性、制备方法、剪切应力与剪切速率以及磁场强度的关系等方面，而较少涉及磁流变胶的阻尼特性。

制造减震器或阻尼器是磁流变胶的主要应用之一。

减震器的阻尼大小与减震器的内部结构和减震液的粘度有关，阻尼力越大，振动消除得越快；但过大的阻尼力可能导致减震器连接件的损坏，同时使并联的弹性元件的作用不能充分发挥，从而影响整个系统的减震效果。

此外，常用于磁流变胶基体的聚氨酯本身就具有较高的阻尼因子，是很好的阻尼材料。

因此，为了提高磁流变胶减震器的性能，使其满足不同应用场合的需求，研究磁流变胶的阻尼特性是非常必要的。

为了对磁流变胶的阻尼特性进行研究，首先需要选定材料制备实验所需的磁流变胶。

在本实验中，选用以聚氨酯为基体的磁流变胶进行阻尼特性研究。

对聚氨酯基磁流变胶的制备，目前已有一些研究，可用于参考。

如YangguangXu等提出如下方法[21]：

首先在三颈圆底烧瓶中混合甲苯异氰酸酯（TDI,2,4≈80%,2,6≈20%,东京化学工业有限公司，日本）和聚丙二醇（PPG-1000,Mn=1000,西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司，中国），并在70℃的温度下持续搅拌2小时进行人工合成。

接着，混合物被冷却至40℃，与此同时，将二丙二醇（西格玛奥德里奇（上海）贸易有限公司，中国）加入混合物中。

20分钟以后，混合物被倒入烧杯中。

将1-甲基-2-吡咯烷酮（非极性溶剂，压强：

0.99mmHg（40℃），国药集团化学试剂有限公司，中国）和70wt%基体重量比的羰基铁粉（CN型，由德国巴斯夫公司提供，平均直径6μm）分别加入烧杯中。

在猛烈搅拌30分钟后，这些烧杯被放入40℃的恒温箱中静置12小时。

最终，制备成被溶剂膨胀的含有70wt%羰基铁粉的磁流变胶。

该过程用流程图表示如下：

接着，为了总结出温度、基体、添加剂、频率和铁粉含量等对于磁流变胶阻尼特性的影响，还将使用以上基本方法，根据控制变量法的原则制备不同的磁流变胶样品，并在动态热机械分析仪（DMA）的剪切模式下测试其阻尼特性，对数据进行处理、分析，总结出基本规律。

图1.1由不同配比的溶剂进行膨胀的磁流变胶的制备过程。

其中

是

的摩尔数，

是

的摩尔数，

、

和

分别代表甲苯异氰酸酯、聚丙二醇和二丙（撑）二醇的质量。

反应物的质量可根据流程图中公式进行计算[21]。

此外，聚氨酯基磁流变胶是国内外研究较早的高分子阻尼材料，其结构中含有大量的氢键、一定程度的微相分离结构和较高的损耗因子，因此可以通过改变软硬链段比例来调节阻尼温域[22]。

一些研究表明，采用接枝、嵌段及交联的方法对聚酯型聚氨酯（PU）阻尼材料进行改性，可显著提高其阻尼性能[23]（见表1-表3）。

因此，还将对聚氨酯本身的阻尼特性及其改进方法进行一定的研究。

最终得出影响聚氨酯基磁流变胶阻尼特性的因素及其变化规律，从而根据实际应用场合，制备出高性能的磁流变胶。

表1.1接枝对聚氨酯材料阻尼性能的影响

接枝率

0

10

20

30

tanδmax

0.78

0.84

1.01

1.02

tanδmax温度/℃

23.6

21.0

18

16.2

tanδ>0.3温度范围/℃

-0.4~60.8

-0.8~61.6

-2.8~67.6

-4.6~68.6

℃

61.2

62.4

70.4

73.2

表1.2嵌段对聚氨酯材料阻尼性能的影响

软段

POL-756T

POL-756T+POP36/28

tanδmax

0.78

0.76

tanδmax的温度/℃

23.6

13.2

Tanδ>0.3的温度范围/℃

-0.4~60.8

-14.0~50.7

℃

61.2

64.7

表1.3交联对聚氨酯材料阻尼性能的影响

扩链（交联）剂

TMP

MOCA

tanδmax

1.19

0.78

tanδmax的温度/℃

9.7

23.6

Tanδ>0.3的温度范围/℃

-9.9~54.7

-0.4~60.8

℃

61.2

64.4

2、课题任务、重点研究内容、实现途径

任务1：

通过论文数据库检索和阅读磁流变材料的相关文献，对磁流变胶（MRG）的研究现状、工作原理和应用领域进行综述。

重点研究内容：

磁流变胶的研究现状、工作原理和应用领域。

实现途径：

通过数据库检索已发表的论文和其他成果，进行归纳总结。

任务2：

了解目前MRG的基体的种类和制备方法及基体对MRG力学性能的影响。

结合目前MRG的应用领域，总结出工程应用对MRG力学性能参数的要求，尤其是对MRG阻尼特性的要求。

重点研究内容：

MRG的种类及制备，工程应用对其力学性能（尤其是阻尼特性）参数的要求。

实现途径：

学习材料力学、复合材料力学及流体力学在剪切、阻尼及流变特性方面的基础知识，查阅相关文献，找出MRG的应用领域，针对该领域对力学性能（尤其是阻尼特性）参数的要求，总结出工程应用对于MRG力学性能参数的要求。

任务3：

结合所选择的基体，准备相应的化学试剂，根据各种基体合成原理流程设计MRG的制备装置和工艺。

重点研究内容：

设计MRG的制备装置和工艺。

实现途径：

分析制备MRG基体所需的常用材料，选择出所需的基体种类。

根据所选基体，查阅相关合成方法，确定制备装置和工艺。

任务4：

制备出多种MRG样品，在剪切模式下测试出不同样品的阻尼特性的表现，并测试温度对阻尼特性的影响。

重点研究内容：

MRG阻尼特性测试所需的仪器和测试方法。

实现途径：

采用流变仪测试MRG在不同磁场强度下的阻尼比，并将温度设为一个变量，测试其对阻尼特性的影响。

任务5：

对测试数据进行处理，系统的分析基体、铁粉含量、添加剂、温度对MRG阻尼特性作用。

根据实际的应用场合，制备出高性能的MRG。

重点研究内容：

基体、铁粉含量、添加剂、温度等对MRG阻尼特性的影响规律。

实现途径：

分别以基体含量、铁粉含量、添加剂种类及含量、温度为变量，在应变不变的前提下，测试MRG的阻尼比，并对数据进行分析处理，总结出相应规律，从而根据不同的应用场合制备出高性能的MRG。

任务6：

对实验进行总结，完成毕业论文。

重点研究内容：

分析总结整个实验并以毕业论文形式提交。

实现途径：

学习数据分析处理的方法和技术，对实验数据进行分析总结。

查阅毕业论文写作方法及规范，完成毕业论文。

参考文献：

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[19]魏冰.聚氨酯基磁流变材料研究[D].中国科学技术大学,2010.DOI:

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[20]宣守虎.28.宣守虎——新型磁流变胶的制备与力学性能研究[C].//第二届实验力学青年学者学术研讨会论文集.2012:

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[21]YangguangXu,XinglongGongandShouhuXuan.Softmagnetorheologicalpolymergelswithcontrollablerheologicalproperties[J].SmartMaterialsandStructure,22（2013）075029

[22]钟发春,傅依备,尚蕾,等．聚氨酯弹性体的结构与力学性能[J]．材料科学与T程学报，2003,21

（2）：

211-214

[23]许利莎,刘德居,周海军等.聚酯型聚氨酯阻尼材料的改性研究[J].聚氨酯工业,2011,26

（1）:

21-24.

3、进度计划

序号

起止周次

工作内容

1

周至周

2

周至周

3

周至周

4

周至周

5

周至周

6

周至周

7

周至周

8

周至周

学生签名：

年月日

是否同意该设计（论文）进入实施阶段的结论。

签字必须手签。

此文本框读后删除！

！

4、指导教师意见

指导教师签名：

若没有请删除！

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校外指导教师签名：

年月日

说明：

1、开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计（论文）开始后两周内完成。

2、本页不够，请加页。