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IJMSD|芮筱亭院士、韩国仁荷大学H. Choi院士等：基于核壳结构四氧化三铁/共聚物纳米复合材料的高稳定性磁流变学性

已有 1761 次阅读 2023-8-23 22:00 |个人分类:IJMSD|系统分类:论文交流

图文导读

图1 Graphical Abstract

磁流变液作为一种新型的场响应型智能材料，其流变特性和力学性能可通过外部磁场调控实现瞬时性、阶跃性、可逆性和可调性的变化，是开发阻尼器、减振器、离合器、抛光液和密封装置的关键材料。磁流变液的沉降问题一直是限制其使用寿命和工业化发展的瓶颈。不稳定的磁流变液体系可引发器件模量和固有频率的改变，会造成高速运动部件间的磨损，严重影响器件性能。因此，开发具有优异沉降稳定性的磁流变液对推动磁流变技术的工业化发展具有重要意义。

中国科学院院士、南京理工大学芮筱亭教授团队和韩国科学技术研究院院士、韩国仁荷大学Hyoungjin Choi教授等在《国际机械系统动力学学报（英文）》（International Journal of Mechanical System Dynamics, IJMSD）发表“基于核壳结构四氧化三铁/共聚物纳米复合材料的高稳定性磁流变学性能研究”论文。该文采用可聚合表面活性剂合成具有低密度、高塑性、耐磨性和耐腐蚀性的聚（苯胺-二苯胺）共聚物，通过表面改性技术对四氧化三铁颗粒进行包覆，形成有序组装的四氧化三铁/共聚物纳米复合材料，作为制备具有高稳定性磁流变液的新型材料；并进一步表征了复合材料形貌、化学成分和磁性能；分析了基于四氧化三铁/共聚物纳米复合材料的磁流变液的可视化响应、流变特性（如，表观粘度、屈服应力、储能模量、损耗模量等），以及抗沉降稳定性能。研究发现，该磁流变液的剪切特性符合Herschel-Bulkley模型，在梯度磁场下表现出瞬时、可调谐、宽线性粘弹性区和高稳定性的磁流变特性。表面改性技术优化了磁性颗粒在基载液中的密度适配性和界面张力，是提升磁流变液抗氧化腐蚀性、抗沉降稳定性和再分散性的有效方法。该研究丰富了磁流变液材料库，为磁场和应力/应变耦合作用下磁流变液的动态力学行为机理和调控机制提供了科学依据，对磁流变液稳定性优化和应用器件设计具有重要参考价值。

Magnetorheological fluids (MRFs) have been successfully used in a variety of smart control systems, but are still limited due to their relatively poor settling stability. Herein, a core/shell-structured Fe3O4/copolymer composite nanoparticle is synthesized as a new candidate material for stimulus-responsive MRFs to tackle the limitation of the long-term dispersion stability. Aniline-co-diphenylamine copolymers (PANI-co-PDPA) are loaded onto the surface of Fe3O4 nanoparticles, providing a lighter density and sufficient active interface for the dispersion of magnetic particles in the carrier medium. The features of the Fe3O4/copolymer composite nanoparticles, including morphology, compositional, and crystalline properties, are characterized. An MRF is prepared by suspending Fe3O4/copolymer composite nanoparticles in a nonmagnetic medium oil, and its rheological properties are assessed using a controlled shear rate test and dynamic oscillation tests using a rotational rheometer. Rheological models including the Bingham model and the Herschel–Bulkley model are fitted to the flow curves of the MRF. The obtained Fe3O4/copolymer composite shows soft-magnetic properties, as well as greater density adaptability and higher stability, compared to Fe3O4. Moreover, the sedimentation testing provides information about the dispersion stability characteristics of MRF and shows a good correlation with high-stability magnetorheological (MR) response. The Fe3O4/copolymer-based MRF with a tunable and instantaneous MR response is considered a promising material for smart control applications.

Keywords:

magnetorheological fluids, core/shell, dispersion stability, copolymer, magnetite

DOI: 10.1002/msd2.12047

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/msd2.12047

Cite this article: Han W, Wang S, Rui X, Dong Y, Choi H. Core/shell magnetite/copolymer composite nanoparticles enabling highly stable magnetorheological response. Int J Mech Syst Dyn. 2022;2(2):155-164.

该文亮点：

提出了新型核壳结构四氧化三铁/共聚物复合材料的合成方法；
通过微观形貌特征和宏观流变特性阐释了磁流变液在磁场和应力/应变耦合作用下的动态力学行为机理；
发现了基于核壳结构复合材料的磁流变液在梯度磁场下表现出瞬时、可调谐、宽线性粘弹性区和高稳定的磁流变特性；
验证了表面改性技术对于优化磁性颗粒在基载液中的密度适配性和提升磁流变液抗沉降性是有效的。

Highlights:

A synthesis method of a novel core/shell-structured Fe3O4/copolymer composite nanoparticle is proposed.
Mechanism of dynamic mechanical properties of magnetorheological fluids (MRFs) under magnetic field and stress/strain is explained from macroscopic and microscopic perspectives.
The Fe3O4/copolymer-based MRF exhibits instantaneously controllable magnetorheological performance.
Surface modification technology is proven to optimize the density suitability of magnetic particles in the carrier fluid and improve the dispersion stability of magnetorheological fluid.

作者简介

韩文姣.jpg 韩文姣 南京理工大学能源与动力工程学院博士后，主要从事电/磁流变智能软材料开发、复杂流体流变学、复合材料合成及改性、聚合物湍流减阻领域的研究，擅长通过表面改性技术调控材料宏观性能，发表SCI论文22篇，Web of Science总被引量270余次。

王顺 南京理工大学能源与动力工程学院硕士研究生，主要研究方向为磁敏智能材料的动力学及其调控。

芮筱亭 中国科学院院士、发射动力学家、复杂装备系统动力学工信部实验室主任、南京理工大学力学学科首席带头人。首创多体系统传递矩阵法，建立了多体系统发射动力学理论与技术体系，解决了提升我国30多型重大装备提升系统动力学性能、降低研制成本、保障发射安全的国家急需，在国内外得到150多项工程应用。以排名第一获国家技术发明奖和国家科技进步奖4项、国防科技创新团队奖；被5部委授予“国防科技工业杰出人才奖”，获“全国创新争先奖”称号；主编国际刊物或特刊3种、出版专著7部、发表论文400多篇、获授权发明专利100项、牵头制定颁布国家军用标准和行业标准26部。

董玉珍.jpg 董玉珍 哈尔滨工业大学威海校区材料科学与工程学院讲师，主要研究方向为电/磁流变智能材料、导电高分子及其复合材料、磁性材料合成与改性、聚合物熔融流变学。

Hyoungjin Choi 韩国科学技术研究院院士，韩国仁荷大学Fellow教授，美国匹兹堡大学物理系客座教授，美国卡内基梅隆大学化学系客座教授，法国勒阿弗尔大学化学系客座教授，南非CSIR国家纳米结构材料中心研究顾问。主要研究方向包括电/磁流变学、聚合物和悬浮液流变学、聚合物湍流减阻、非牛顿流体力学、聚合物纳米复合材料。发表论文917篇，Web of Science总被引量25230，H因子76。曾获Top 300 Most Cited Researchers in Materials Science and Engineering (MSE Supplies)，World Class Research Front Award (Area: Electrorheological Fluid) 和 Thomson Scientific Citation Laureate ，世界先进材料论坛（POLYCHAR）国际材料科学奖，韩国工业化学会科学成就奖，韩国流变学会科学成就奖等。

期刊简介

IJMSD由来自18个国家的20位院士、17位国际学会主席、20位国际期刊主编等69位科学家和国际出版巨头美国Wiley出版社合作创立。主编为南京理工大学芮筱亭院士，3位合作主编分别是加拿大皇家学会会士、加拿大工程院院士、欧洲科学院院士、加拿大麦吉尔大学Marco Amabili院士，国际理论与应用力学联盟(IUTAM)前司库、国际多体系统动力学协会(IMSD)前主席、德国斯图加特大学Peter Eberhard教授和美国工程院及科学院两院院士、欧洲科学院外籍院士、中国科学院外籍院士、美国工程科学协会前主席、美国西北大学Yonggang Huang院士。

IJMSD旨在用机械系统动力学科学与技术为现代装备设计、制造、试验、评估和使用全生命周期性能的提升提供先进的理论、软件、方法、器件、标准，为全球科学家和工程专家提供广泛的机械系统动力学国际交流平台。IJMSD强调从“系统”视角及系统级工具理解动力学，所涉及的机械系统不仅包括各种不同尺度的机械系统和结构，还包括具有多物理场/多学科特征的综合机械系统。

目前，IJMSD已被ESCl, Scopus, Inspec, DOAJ等收录。2023年免收出版费，并为已录用稿件免费提供专业语言润色服务，欢迎全球科学家投稿交流。

期刊主页：

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投稿网址：

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