大连理工大学董旭峰课题组《ACS AMI》：硅油/功能化离子液体基磁流变液微观结构和力学性能的分子动力学模拟与实验研究

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磁流变液的剪切屈服强度、粘度等流变学性能可通过磁场实时、可逆、迅速调节，其在结构减振、软体机器人等领域具有广阔的应用前景。磁流变液通常由铁、钴、镍等磁性粒子与硅油等基液复合制备而成。由于磁性颗粒与基液间密度差异较大，静置时磁性粒子会严重沉降，导致磁流变液稳定性变差、响应时间延长，这已成为制约磁流变液应用的关键问题。早期研究主要致力于对磁性颗粒的改性，具体方法包括制备特殊形貌的磁性颗粒、用表面活性剂或偶联剂修饰磁性颗粒表面、制备核壳型磁性颗粒等。这些方法在一定程度上改善了磁流变液的沉降稳定性，但不可避免地降低了磁性颗粒的磁性能，导致磁流变液的磁致剪切屈服强度等力学性能降低。如何在提高磁流变液沉降稳定性的同时避免其磁流变效应及力学性能的劣化，是亟待解决的问题。

大连理工大学材料科学与工程学院董旭峰课题组转换研究思路，从基液改性的角度入手解决这一问题。他们将硅油(SO)与羟基功能化离子液体(IL-OH)按特定比例混合，以其为基液制备新型磁流变液。首先，通过分子动力学模拟研究了基液与磁性颗粒的界面强度以及基液分子间相互作用能等性质（图1，图2）；继而，根据分子动力学模拟结果和理论分析确定硅油/羟基功能化离子液体基磁流变液的最佳制备方案；最后，制备硅油/羟基功能化离子液体基磁流变液，并通过实验对其力学性能和沉降稳定性进行评价。研究结果表明，功能化离子液体显著改善了传统硅油基磁流变液的综合性能，使其兼具良好的沉降稳定性（图3）、显著的磁流变效应和较高的剪切屈服强度（图4）。

 

图 1.（a）Fe/SO,（b）Fe/SO/IL-OH (SO/IL-OH=5:2),（c）Fe/SO/IL-OH (SO/IL-OH=4:3), （d）Fe/SO/IL-OH (SO/IL-OH=2:5)的界面结构,（e）SO和（b）离子液体IL-OH分子结构

图2. Fe/SO/IL-OH界面结构的初始态（0.0 ns）和平衡态（3.0 ns）：（a）SO/ IL-OH = 5:2, （b）SO/ IL-OH = 4:3，（c）SO/ IL-OH = 2:5

 

图 3. 不同基液配比磁流变液在不同时间的沉降状态以及沉降比与时间的关系：(a)初始状态，(b) 48小时，(c) 200小时，(d)沉降比与时间的关系

图 4.（a）不同磁场强度下磁性颗粒体积分数为20%时SO基磁流变液、SO/IL-OH=2:5基磁流变液、SO/IL-OH=4:3基磁流变液的（a）剪切屈服应力，（b）零场剪切粘度；SO/IL-OH=4:3基MR液在不同磁场强度下的（c）储能模量和（d）损耗模量

文章发表在ACS Applied Materials and Interfaces（Molecular Dynamics Simulations and Experimental Studies of the Microstructure and Mechanical Properties of a Silicone Oil/Functionalized Ionic Liquid-Based Magnetorheological Fluid）。论文第一作者为大连理工大学材料科学与工程学院博士生赵鹏慧，通讯作者为董旭峰教授、齐民教授。

作者简介

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 大连理工大学董旭峰课题组近年来面向航天航空、土木工程等领域对智能减振材料及智能减振装置的需求，针对电/磁流变材料力学性能及智能特性难以兼顾的瓶颈问题，从微观机理、材料改性、本构模型、器件开发及应用等方面对电/磁流变液、电/磁流变弹性体等智能减振材料展开研究，为电/磁流变材料及其减振装置在结构振动控制领域的应用奠定基础。相关研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持，成果发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》, 《Smart Materials & Structures》，《Journal of Materials Chemistry C》, 《Earthquake Engineering & Structural Dynamics》，《Composites Communications》,《Journal of Molecular Liquids》，《Soft Matter》等期刊。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c23925

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