上科大 l 开辟智能阻尼、磁控吸波材料的应用前景,3D打印带环状微回路的高性能磁流变弹性体的设计合成及性能研究

 

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智能阻尼材料和磁控吸波材料是两种先进的材料,在工程和科技领域有着广泛的应用。根据3D科学谷的市场了解,当前有关结构-阻尼复合材料的研究进展包括了多种复合材料的振动和阻尼分析,以及金属阻尼材料的新发展。特别地,有关磁流变弹性体(MRE)的研究表明,这种材料具有优异的磁场可控性能,可以用于振动控制、吸波降噪等。MRE的3D打印技术的发展为制备复杂结构的MRE提供了新的可能性。

针对磁流变弹性体(Magnetorheological Elastomer, MRE)作为智能阻尼、磁控吸波材料的应用前景,上海科技大学智造系统工程中心(CASE)武颖娜课题组设计合成了一种新型的可打印MRE(Printable MRE, p-MRE)材料,并首次采用3D打印技术制备出了磁流变(Magnetorheological, MR)性能优异的p-MRE样品。该研究成果以“Fabrication and property research of a new 3D-printable magnetorheological elastomer (MRE)”为题发表在《Materials Today Physics》期刊上。

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▲图1. p-MRE颗粒的混炼合成工艺路线

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101467

block 环形微回路

MRE具有优异的磁场可控性能,可实现振动控制、吸波降噪、触觉传感等功能。但受到传统模具成型工艺的限制,难以制备复杂的结构和形状,限制了其在诸多复杂场景下的应用。随着无模具成型的3D打印技术迅速发展,为制备复杂结构的MRE提供了可能。p-MRE原材料的设计与合成、3D打印工艺的开发以及磁流变性能的调控,是采用增材制造技术制备复杂结构MRE的难点和挑战。

上海科技大学智造系统工程中心(CASE)武颖娜课题组设计了一种基于热塑性聚氨酯(TPU)和羰基铁粉(CIP)成分的p-MRE,在实验室首次研发合成具有优异打印性能的p-MRE颗粒料,测试了该材料的零磁场黏弹性力学行为及磁流变效应,并基于优化的熔融沉积成型(Fused Deposition Modelling, FDM)打印策略系统研究了打印路径对p-MRE样品的MR性能影响规律,发现并利用环状微回路的类磁滞效应解释了环形打印路径可以增强p-MRE整体类磁滞效应从而有效提高MR性能的现象。

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▲制备的不同CIP质量比例的p-MRE颗粒(CIP颗粒均匀分布在TPU基质中)(a, d)64 wt.% CIP;(b, e)70 wt.% CIP;(c, f)76 wt.% CIP;

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▲不同MRE的综合MR性能比较

研究结果表明,70 wt.% CIP含量的p-MRE具有良好的的弹性变形性能及FDM打印质量;环形打印路径有助于形成CIP环形微回路,进而增强类磁滞效应,并影响综合MR效应,测试结果显示其最大绝对MR效应为4.2MPa,最大相对MR效应为620%。本研究制备的p-MRE综合磁流变性能超过其他已报导的p-MRE,达到传统模压MRE的优异性能。和传统MRE相比,p-MRE具有结构形状打印可控、性能设计灵活可调等优势,应用前景更为广泛。

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▲分别采用线性路径 (a)和环形路径(b)打印的p-MRE样品的磁流变性能曲线

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▲(a)磁场强度与CIP颗粒填充形式、填充密度关系的解释;(b, c)在低剪切振幅下观察到的剪切模量-磁场曲线顶部坍塌现象


 

研究亮点

1. 设计了一种基于热塑性聚氨酯(TPU)和羰基铁粉(CIP)成分的p-MRE,并合成了不同CIP比例的p-MRE颗粒料,CIP颗粒均匀分布在TPU基质中。

2. 提出了环形打印路径有助于形成CIP环形微回路、增强类磁滞效应,进而提高材料综合磁流变效应的思路,样品测试结果显示其最大绝对MR效应为4.2MPa,最大相对MR效应为620%,该结果超过其他已报导的p-MRE,达到传统模压MRE的优异性能。

3. 发现了该p-MRE在小应变幅度下具有剪切模量-磁场曲线顶部坍塌的特殊现象,这一现象与反常爱因斯坦效应和粒子拥堵/絮凝网络转变表现出类似的物理性状,采用类似填充改性弹性体理论对此进行了合理解释。


 

上海科技大学智造系统工程中心(CASE)武颖娜课题组的研究首次验证了3D打印路径调控磁流变弹性体性能的可行性,课题组将借助人工智能的算法实现打印工艺可控,制备具有复杂结构的p-MRE零件,持续探索p-MRE零件在智能汽车、航空、深海、医疗器械等领域技术转化和应用和的可能性。上海科技大学是该成果的第一完成单位,智造系统工程中心的2021级硕士研究生彭泽州为第一作者,武颖娜研究员和徐惠宇副研究员为共同通讯作者。

论文信息:
https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101467

block 3D科学谷解读

磁性吸波材料的基本原理涉及到材料的介电常数和磁导率,这些参数影响电磁波的吸收和反射。根据3D科学谷的市场了解,新型碳基磁性复合吸波材料因其质轻和高性能成为研究的主流。此外,具有形状记忆效应的智能阻尼材料也被研究,这种材料结合了金属橡胶和形状记忆合金的特性,展现出良好的单程形状记忆效应和温度依赖的机械性能。

智能阻尼材料的研究进展还包括了多种成熟的智能阻尼材料的阻尼机理及其应用。压电导电阻尼材料作为智能阻尼材料的一种,其阻尼机理复杂,可设计性强。

聚焦智能阻尼材料

智能阻尼材料能够根据外部环境或内部条件的变化自动调整其阻尼特性。这种材料通常包含敏感元件,能够响应温度、压力、电磁场等刺激,并改变其机械性能。智能阻尼材料的应用包括但不限于:

- 振动控制:在航空航天、汽车制造和土木工程中,用于减少结构振动和噪音。

- 主动噪声控制:在需要降低噪音的环境中,如录音室或会议室。

- 自适应系统:在需要根据使用条件变化自动调整性能的系统中。
聚焦磁控吸波材料

磁控吸波材料是通过磁性材料对电磁波的吸收来减少电磁干扰的材料。这些材料通常含有磁性颗粒或纤维,能够与电磁波相互作用,将电磁能量转化为热能或其他形式的能量。磁控吸波材料的应用包括:

- 电磁兼容性:在电子设备中,用于减少电磁干扰和提高信号质量。

- 隐身技术:在军事领域,用于减少雷达截面,提高隐蔽性。

- 医疗设备:在MRI等设备中,用于屏蔽外部电磁干扰。

这些材料的发展为解决现代工程中的振动和噪声问题提供了新的解决方案,并在提高设备性能和系统可靠性方面发挥着重要作用,增材制造为这类材料开辟的新的创新发展空间。

参考资料:

1:结构-阻尼复合材料研究进展 – 仁和软件

2:磁性吸波材料与应用

3:EMI抗电磁波干扰吸波材料的详细介绍_先进院(深圳) …

4:新型碳基磁性复合吸波材料的研究进展 – buaa.edu.cn

5 :具有形状记忆效应的新型智能阻尼材料及其热弹性力学性能研究

6 :智能阻尼材料的研究进展_百度文库

7 :新型压电导电材料阻尼特性研究 – CORE

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