基于不规则颗粒形态调控高浓度聚二甲基硅氧烷-铁氧体铁基磁流变弹性体的粘弹性阻尼与磁响应特性

《Journal of Materials Research and Technology》：Tailoring Viscoelastic Damping and Magnetic Response in High–Concentration PDMS–Ferrite Iron Magnetorheological Elastomer via Irregular Particle Morphology

　　

该研究考察了在恒定高填充量60 wt%条件下，水雾化铁粉分散于聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体中所制备的磁流变弹性体（MREs）的结构-性能关系。通过保持浓度恒定，研究人员将颗粒形态的影响——从近圆形、窄分布粉末（AP45）到高度棱角化且多分散性粉末（AP80）——与浓度效应解耦。粒度分析（PSA）揭示了中位粒径（D₅₀ = 26.3–71.9 μm）和分布宽度（SPAN = 0.762–2.186）的系统变化，为将形态与功能性能相关联提供了定量基础。关键的15分钟真空脱气步骤，结合两阶段热固化工艺（30/86 °C），最大程度减少了空隙并确保了高填充含量下复合材料的力学可靠性。物理化学表征证实了软磁α-铁氧体及促进填料-基体相互作用的表面Fe-OH基团的存在。磁性能和动态力学分析揭示了清晰的形态驱动的权衡机制：致密且均匀的AP45形态实现了最高的饱和磁化强度（M_s ≈ 202.02 emu/g），使其成为高响应磁流变驱动应用的理想选择；而高度不规则的AP80形态则增强了机械互锁和界面摩擦，产生了最高的玻璃态储能模量（E' ≈ 7.02 × 10³ MPa）以及在tanδ响应中近-37 °C处明显的次级松弛，表明其具有更优的本征阻尼特性。这些发现确立了颗粒形态作为应用特异性MREs设计的首要参数，并支持使用经济高效的水雾化铁粉作为羰基铁粉的替代材料。

该研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》，聚焦于磁流变弹性体这一智能材料领域。磁流变弹性体作为一类能够通过外加磁场调控其力学性能的智能材料，在汽车、航空航天及土木工程等领域的先进振动控制技术中具有重要应用价值。其核心价值在于通过磁流变效应实现对粘弹性特性——具体为储能模量（E'，即刚度）和损耗因子（tanδ，即阻尼）——的主动调控，使其成为半主动阻尼和自适应结构系统的有前景候选材料。传统上，高纯度球形羰基铁粉（CIP）因其优异的磁性能而被广泛用作填料，但其高昂成本限制了大规估应用。水雾化铁粉作为更具成本效益的替代材料，却因其不规则颗粒形状、非均匀尺寸分布及表面氧化等因素引入了额外复杂性。尽管填充浓度效应已被广泛研究，但将不规则颗粒形态的影响从浓度和填料相互作用的复合效应中分离出来仍是一项重要挑战，尤其是在高填充浓度（如60 wt%）下，颗粒形态对堆积行为和界面相互作用的影响尤为显著。

研究人员以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为弹性体基体，采用四种水雾化铁氧体铁粉末（AP15、AP45、AP80及BP45）作为磁性响应填料，固定填充量为60 wt%，系统考察了从近圆形到高度不规则颗粒形态对复合材料磁性能和粘弹性响应的影响规律。研究旨在建立填料形态与材料性能之间的定量关联，为应用特异性磁流变弹性体的设计提供理论依据。

研究所采用的主要关键技术方法包括：动态图像分析技术（采用CAMSIZER X2颗粒度分析仪，依据ISO 13322-2标准）进行颗粒尺寸与形态表征，涵盖粒径分布（D₁₀、D₅₀、D₉₀、SPAN、U₃）及形状描述符（球形度、对称度和长宽比）；X射线衍射（XRD）进行物相分析；傅里叶变换红外光谱（FTIR）进行表面官能团表征；场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，配备能谱仪EDS）观察颗粒及复合材料的微观形貌；振动样品磁强计（VSM）测定磁滞回线以获取饱和磁化强度（M_s）、剩磁（M_r）及矫顽力（H_c）等磁学参数；以及动态力学分析（DMA）在-130 °C至130 °C温度范围内测定储能模量（E'）、损耗模量（E"）和损耗因子（tanδ）等粘弹性参数。

研究结果部分涵盖以下主要内容：

X射线衍射分析结果表明，所有水雾化铁粉样品均呈现典型的铁氧体（α-Fe）立方晶体结构特征峰，对应(110)、(200)和(211)晶面。BP45非退火样品中检测到Fe₂O₃和FeO等氧化物相，所有样品在82°附近均存在铁氧体氢氧化物FeO(OH)的特征峰，表明水雾化过程中表面氧化层的形成。通过Scherrer公式计算了各样品的晶粒尺寸，晶粒尺寸普遍小于颗粒尺寸测量值，表明单个颗粒由多个晶畴聚集而成。

傅里叶变换红外光谱分析结果表明，所有铁粉样品在900–570 cm^-1范围内呈现Fe-O伸缩振动特征峰，在1077–1040 cm^-1处检测到Fe-OH的面内振动，1700–1596 cm^-1范围内的弯曲振动归因于-OH和Fe-OH基团，3065–2853 cm^-1处的峰归因于-OH的弯曲振动。这些表面羟基基团的存在有利于增强填料与PDMS基体之间的界面相互作用。

颗粒尺寸与形态分析结果表明，四种粉末呈现出系统性的粒径分布和形态异质性演变。AP15具有最细的粒径分布（D₅₀ = 26.3 μm，SPAN = 1.807）；AP45展现出最窄的粒径分布（D₅₀ = 34.2 μm，SPAN = 0.762）；AP80的粒径分布增宽（D₅₀ = 37.3 μm，SPAN = 1.897）；BP45则表现出最粗的粒径和最高的多分散性（D₅₀ = 71.9 μm，SPAN = 2.186）。形态描述符显示，所有粉末的平均球形度（SPHT3）介于0.63–0.68之间，对称度（Symm3）为0.816–0.855，平均长宽比（b/l）为0.635–0.690，均呈现典型的水雾化非球形不规则形态。场发射扫描电子显微镜观察进一步验证了动态图像分析获得的形态特征，并观察到复合材料中填料形成了连续的类链状网络结构。

振动样品磁强计分析结果表明，所有粉末均表现出典型的软磁性行为。AP45因其最窄的粒径分布和最高的几何均匀性（Q₃[SPHT ≥ 0.9] = 97.0%），实现了最高的饱和磁化强度（M_s ≈ 202.02 emu/g），同时保持低矫顽力（H_c ≈ 20.2 Oe）和低剩磁（M_r ≈ 1.447 emu/g）。AP15同样表现出优异的软磁特性（M_s ≈ 200.28 emu/g，H_c ≈ 4.267 Oe，M_r ≈ 0.257 emu/g）。相比之下，AP80因尺寸异质性增加和表面不规则性增强，饱和磁化强度降低至184.63 emu/g，归因于磁活性体积的减少和磁畴钉扎效应的增强。BP45呈现中等磁性能（M_s ≈ 192.68 emu/g），其粗糙、高度多分散的形态导致磁路 disrupted。

动态力学分析结果表明，与未填充PDMS参考样品相比，所有磁流变弹性体复合材料的储能模量均显著提高。AP80复合材料表现出最高的玻璃态储能模量（E' ≈ 7.02 × 10³ MPa，-129.8 °C），并在tanδ曲线中于-37.1 °C附近呈现明显的肩峰，表明存在由界面摩擦主导的多种松弛机制。AP45复合材料具有适中的玻璃态模量（~4.26 × 10³ MPa）和清晰的次级tanδ松弛特征（-25.9 °C），反映了填料诱导的界面动力学。BP45复合材料因最粗且最不均匀的形态，表现出强烈的界面摩擦和能量耗散，但均匀弹性增强效果有限。

讨论部分深入阐释了形态诱导的解耦机制。该研究提出，在高填充浓度（60 wt%）下，颗粒形态而非填充分数是决定磁流变弹性体多功能性能解耦的主导因素。具有窄粒径分布和高几何均匀性的颗粒（如AP45）促进致密堆积和磁连通性，最大化磁响应效率；而具有宽粒径分布和高度不规则形态的颗粒（如AP80、BP45）则通过增强机械互锁和界面摩擦来优化本征阻尼，但以牺牲磁效率为代价。这一机制源于颗粒形态对两种竞争性物理化学过程的选择性调控：几何均匀性优化磁性粒子间的接触拓扑和磁畴排列，而形态异质性则增加真实界面面积和局部几何约束，促进能量耗散。

研究结论指出：该研究表明，在固定高填充量60 wt%条件下，通过粒度分析（PSA）和形状描述符可进行量化的颗粒形态，是调控磁流变弹性体耦合磁性能和粘弹性性能的首要因素。AP45填料因其最窄的粒径分布（SPAN = 0.762）、适中的颗粒尺寸（D₅₀ = 34.2 μm）和最高的几何均匀性（Symm₃ = 0.85；Q₃[SPHT ≥ 0.9] = 97.0%），展现出最优的磁性能，达到最高的饱和磁化强度（M_s ≈ 202.02 emu/g），兼具低矫顽力（H_c ≈ 20.2 Oe）和低剩磁（M_r ≈ 1.447 emu/g），是高性能磁流变驱动和半主动磁流变系统的理想填料。相比之下，AP80和BP45等具有更宽粒径分布和更高表面不规则性的填料，虽然磁效率降低，但通过增强的界面摩擦和机械互锁实现了更优的阻尼性能和更高的玻璃态模量。该研究确立了清晰的形态诱导解耦机制：窄分布、近圆形颗粒有利于磁连通性和高饱和磁化强度；而不规则、多分散颗粒则增强界面摩擦、能量耗散和非磁场下的刚度。该研究证实了颗粒形态作为首要设计变量的重要性，为经济高效的水雾化铁粉在磁流变弹性体中的应用特异性设计提供了理论依据，涵盖从主动驱动到被动振动隔离的广泛应用场景。