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PDMS基磁性薄膜的磁致应力及其对薄膜光学性能的影响

徐锦涛  
【摘要】:随着复合材料的不断发展,对外界条件积极响应、变化可逆以及响应迅速的智能复合材料已经成为了研究的热点。磁流变弹性体作为一种新型的智能复合材料,通过将磁性颗粒掺杂到高分子聚合物中,不仅保存了原有聚合物材料的特性,并且整体改善了复合材料的机械及光学等相关性能。通过文献调研我们发现近些年来磁流变弹性体主要集中于宏观大尺寸的研究,对于厚度为微米级的磁流变弹性体薄膜研究较少。在本文中,我们将制备出具有磁响应的纳米复合薄膜。在第一部分中,我们将粒径为50nm的Fe纳米颗粒与PDMS均匀混合,旋涂固化制备出各向同性、链状各向异性的PDMS-Fe纳米复合薄膜。同时将粒径为20nm的Fe_3O_4纳米颗粒掺杂到PDMS中制备出各向同性、链状各向异性的PDMS-Fe_3O_4磁性薄膜。接下来我们分析了磁致应力的测量原理并设计和评估了磁场施加装置,通过施加磁场研究这些纳米复合薄膜在不同磁性纳米颗粒含量下应力变化。在第二部分中,通过实验部分对磁性纳米复合薄膜的微观形貌的观测,我们将薄膜的磁致应力变化趋势的原因分为2个阶段。第一阶段下薄膜的应力主要由均匀分布的磁性纳米颗粒与PDMS基体之间作用产生的;第二阶段随着磁性纳米颗粒的浓度不断上升,应力的变化完全由团聚磁性颗粒与PDMS基体相互作用产生。在第一阶段我们建立了磁致应力分析模型,第二阶段我们建立了接近材料的有限元模型,对该模型进行磁力耦合计算。我们将建立的磁致应力模型与实验曲线相对比,验证模型的合理性并分析磁场应力变化趋势的原因。在第三部分中,我们将建立PDMS-Fe_3O_4磁性薄膜的结构和色散模型,改进了磁性薄膜的制备工艺以满足椭偏仪对样本的测量要求。我们测量纳米复合薄膜在非磁场以及磁场下折射率。通过之前对磁性纳米颗粒复合薄膜的微结构及应力研究来解释这种磁场下折射率变化的机理。其次我们测量了磁场下薄膜透过率的变化,并将透过率变化的主要原因归结于几何阴影效应和薄膜厚度的变化。对建立的二维以及三维的代表体积单元进行磁力耦合来分析透过率变化的真正原因。


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