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磁敏橡胶的磁致摩擦机理及实验研究

任德均  
【摘要】:摩擦是自然界存在的普遍现象。据统计,世界上有近一半的能源是由于摩擦的各种形式损耗掉,约占国民生产总值2%-7%。因此,运用摩擦学知识在调控摩擦与降低磨损方面具有较大的研究价值和重大社会意义。现有的摩擦调控方式虽然可通过改善摩擦材料性能达到增加或降低摩擦的目的,但大多存在苛刻的使用条件,难以实现在线可逆可调,磁敏橡胶因其在磁场下具备毫秒级刚度阻尼可控的特性为解决这一问题提供了一种新思路。为此,本文针对磁敏橡胶在磁控摩擦领域存在实验不够完整、机理尚不明确的问题,通过结构的宏观摩擦实验和材料的微观表面观察实验对磁敏橡胶摩擦特性进行实验探究,再采用实验与理论结合的方式解释磁敏橡胶磁控摩擦特性及机理,为磁敏橡胶在磁控摩擦领域的研究及应用提供数据上和理论上的指导。本文具体研究内容如下:1.阐述了磁敏橡胶磁致摩擦机理及实验研究的背景与意义,综述了复合材料在磁场作用下的摩擦性能、摩擦机理研究现状,总结了目前磁敏智能材料在磁控摩擦领域的研究现状,指出研究仍存在的问题并介绍本文主要研究内容。2.综合分析各个可能对磁敏橡胶摩擦性能造成影响的因素,制定本文的详细研究方案。研究方案采用结构的宏观摩擦实验和材料的微观表面实验相结合方式进行实验探究,再通过实验与理论结合的方式进一步分析磁敏橡胶磁控摩擦特性;在实验探究之前,通过建立表面接触模型和摩擦模型,选取磁场、接触面积等作为本文主要研究变量。3.制备了各向同性、各向异性不同组分百分比的磁敏橡胶样本,设计并搭建了磁敏橡胶的摩擦实验平台。摩擦实验结果显示随着竖直方向正压力的增加会使磁敏橡胶的摩擦系数减小;在相同正压力条件下,各向异性磁敏橡胶摩擦系数在磁场下的变化呈现出不规律性,而对于各向同性磁敏橡胶,磁场的施加会使其摩擦系数减小,并且当铁磁颗粒体积百分比为10%,磁场约为250mT时,磁敏橡胶摩擦系数变化最大,约减小了25%。4.鉴于在宏观摩擦实验中的结果,本文设计并实施了各向同性磁敏橡胶的微观表面观察实验,包括表面成分观察实验和表面形貌扫描实验。表面成分观察实验结果显示,磁敏橡胶表面的铁磁颗粒随着磁敏橡胶铁磁颗粒体积百分比的增加而增多,表面形貌扫描实验结果显示施加磁场后的磁敏橡胶表面粗糙度减小,当磁敏橡胶铁磁颗粒体积百分比为5%,磁场约为500mT时,粗糙度降低了约20%。随后利用有限元仿真详细解析了磁敏橡胶表面形貌的变化过程。5.采用实验与理论相结合的方式对磁敏橡胶可控摩擦特性进行分析。对于磁敏橡胶的弹性模量,利用磁敏橡胶表面观察实验中得到的磁敏橡胶表面形貌建立弹性力学模型,发现磁敏橡胶弹性模量和摩擦系数存在反比关系,并利用实验进行了验证。对于磁敏橡胶摩擦副之间的实际接触面积,通过建立弹性接触模型与摩擦二项式模型,发现磁敏橡胶摩擦系数与摩擦副之间的实际接触面积存在正比关系,磁场的施加使磁敏橡胶表面形貌发生变化,摩擦副之间实际接触面积变小,从而导致磁敏橡胶摩擦系数降低。最后对正压力这一影响因素进行分析,磁敏橡胶与坚硬固体之间的摩擦由黏附摩擦和滞后摩擦构成,但在轻载低速条件下,黏附摩擦为主要摩擦,而随着正压力的增大,黏附摩擦的摩擦系数呈现减小趋势,所以磁敏橡胶的摩擦系数随着正压力的增大而减小,与实验现象相吻合。


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