專利名稱：納米粒子磁流變彈性體薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中的新型磁流變彈性體材料，屬于微機(jī)電和磁流變材料科學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁流變彈性體(Magnet orheological Elastomer, MRE)是由高分子聚合物和鐵磁性顆粒組成?；旌嫌需F磁性顆粒的聚合物在外加磁場(chǎng)的作用下固化，利用磁流變效應(yīng)，即鐵磁性顆粒在磁場(chǎng)方向形成鏈或柱狀結(jié)構(gòu)，使顆粒在基體中形成有序結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，主要利用其在外加磁場(chǎng)作用下，彈性模量改變的特性。例如，美國(guó)軍方將磁流變彈性體做成發(fā)射內(nèi)襯，可以降低導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)沖擊載荷的強(qiáng)度；磁流變彈性體還用于車輛懸架系統(tǒng)的軸襯，可以幫助汽車減震；利用磁流變彈性體制成的可調(diào)頻式吸振器運(yùn)用于大型建筑中，可以用來預(yù)防地震的破壞。但上述應(yīng)用均是磁流變彈性體運(yùn)用于宏觀方面的實(shí)例。在微觀領(lǐng)域，磁性材料也有少量運(yùn)用實(shí)例。例如,磁性材料在微流體系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)被用于驅(qū)動(dòng)微泵和微閥，這是利用磁性材料在磁場(chǎng)作用下形變的性質(zhì)；磁性材料用來制作微流體系統(tǒng)的接口互聯(lián)器，磁彈性薄膜用做磁強(qiáng)計(jì)的感應(yīng)元件，這兩例則是磁性材料磁致伸縮性質(zhì)的運(yùn)用。前述的幾例中，均未用到磁流變彈性體材料獨(dú)有的磁流變效應(yīng)。除此之外，上述的磁性材料中磁性顆粒都是均勻分布在基底中，沒有進(jìn)行預(yù)結(jié)構(gòu)化處理使磁性顆粒形成鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種用于微型機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中的新型磁流變彈性體材料的制備方法，即納米粒子磁流變彈性體薄膜的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種納米粒子磁流變彈性體薄膜的制備方法，包括以下步驟A =PDMS-鐵粉混合物的制備I)將硅膠和固化劑Dow Corning SYLGARD 184按10 I的重量比混合，攪拌均勻后將混合物放入超聲波振蕩儀中振蕩2分鐘去泡，同時(shí)可促進(jìn)其進(jìn)一步混合；2)將步驟I)所得混合物與氯仿按I : I的重量比混合，攪拌均勻后再次振蕩10分鐘，以確?；旌衔镏型耆珶o氣泡；3)將四氧化三鐵納米顆粒與步驟2)中得到的混合物按I : 10的重量比混合，用玻棒攪拌I分鐘確保其混合均勻；最后放入振蕩儀中振蕩30分鐘，確保其氣泡完全清除即得PDMS-鐵粉混合物；B :納米彈性體薄膜的制備I)將規(guī)格為8X8mm的硅片放入30ml丙酮中，用超聲波清洗儀清洗，I分鐘后用烘干儀烘干；
2)用涂膠機(jī)將混合均勻無氣泡的PDMS-鐵粉混合物均勻涂在硅片上，涂層厚度可任意調(diào)節(jié)；3)將制作好的樣品放入IOOmT強(qiáng)磁場(chǎng)中2分鐘，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下納米鐵粉顆粒會(huì)按磁場(chǎng)方向重新排列，形成鏈狀結(jié)構(gòu)；4)將樣品從磁場(chǎng)中取出，放在烘干機(jī)上150°C烘烤30分鐘，烘烤溫度為150度，保證PDMS凝固即得納米彈性體薄膜。由于新型的納米粒子磁流變彈性體薄膜在有場(chǎng)條件下，薄膜的彈性模量E會(huì)發(fā)生改變，因此可以用于微型磁場(chǎng)傳感器的制做。


圖I為將PDMS-鐵粉混合物均勻涂在硅片上的示意圖。圖2為在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下納米鐵粉顆粒會(huì)按磁場(chǎng)方向重新排列，形成鏈狀結(jié)構(gòu)的示意圖。圖3為納米彈性體薄膜品結(jié)構(gòu)示意圖。圖I、圖2、圖3中1、滴管；2、PDMS-鐵粉混合物；3、硅基底；4、涂膠機(jī)托盤；5、納米粒子磁流變彈性體薄膜；6、永磁鐵；7、鏈狀結(jié)構(gòu)；圖4為光學(xué)顯微鏡下拍攝的薄膜微觀結(jié)構(gòu)圖。在IOOmT外加磁場(chǎng)作用下，納米粒子呈明顯團(tuán)簇狀態(tài)，并保持方向的高度一致性。圖5為采用納米壓痕實(shí)驗(yàn)測(cè)得的彈性體薄膜位移-壓力曲線，實(shí)驗(yàn)表明在外加磁場(chǎng)下薄膜硬度顯著提高。圖6為測(cè)得彈性模量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。彈性模量不受壓入深度影響，在外加IOOmT磁場(chǎng)作用下彈性模量由2. IMPa提高到22. 5MPa，磁流變系數(shù)達(dá)107%。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。納米粒子磁流變彈性薄膜的制備過程(I) PDMS-鐵粉混合物的制備聚二甲基娃氧燒(PolydimethyIesiloxane, PDMS)是一種廣泛用于微機(jī)電領(lǐng)域的新型聚合材料，該材料在常溫下為透明彈性體，具有生物相容性，抗化學(xué)腐蝕，耐磨性好。本發(fā)明所用的PDMS由硅膠和固化劑(Dow Corning SYLGARD 184)混合而成，PDMS-鐵粉混合物制作步驟如下I)將硅膠和固化劑(Dow Corning SYLGARD 184)按10 : I的重量比混合，攪拌均勻后將混合物放入超聲波振蕩儀中振蕩2分鐘去泡，同時(shí)可促進(jìn)其進(jìn)一步混合。2)將步驟I)所得混合物與氯仿按I : I的重量比混合，攪拌均勻后再次振蕩10分鐘，以確保混合物中完全無氣泡。3)將四氧化三鐵納米顆粒(20nm球型,Aladdin Chemistry CO. LTD公司生產(chǎn))與步驟2)中得到的混合物按I : 10的重量比混合，用玻棒攪拌I分鐘確保其混合均勻。最后放入振蕩儀中振蕩30分鐘，確保其氣泡完全清除即得PDMS-鐵粉混合物。(2)納米彈性體薄膜的制備
I)將規(guī)格為8 X 8mm的硅片放入30ml丙酮中，用超聲波清洗儀清洗，I分鐘后用烘干儀烘干。2)用涂膠機(jī)將混合均勻無氣泡的PDMS-鐵粉混合物均勻涂在硅片上，厚度可任意調(diào)節(jié)，見圖I。3)將制作好的樣品放入IOOmT強(qiáng)磁場(chǎng)中2分鐘(圖2)，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下納米鐵粉顆粒會(huì)按磁場(chǎng)方向重新排列，形成鏈狀結(jié)構(gòu)。4)將樣品從磁場(chǎng)中取出，放在烘干機(jī)上150°C烘烤30分鐘，烘烤溫度為150度，保證PDMS凝固即得納米彈性體薄膜。成品結(jié)構(gòu)如圖3。5)后續(xù)試驗(yàn)
在光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)到磁流變彈性薄膜在IOOmT外加磁場(chǎng)作用下，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯變化。四氧化三鐵納米粒子在磁場(chǎng)作用下呈明顯的團(tuán)簇現(xiàn)象，并保持方向的一致性。證明外加磁場(chǎng)對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)的作用明顯。微觀結(jié)構(gòu)照片如圖4。采用納米壓痕實(shí)驗(yàn)測(cè)量該磁流變彈性體薄膜的位移-壓力曲線，并求得不同壓入深度下的材料彈性模量。實(shí)驗(yàn)儀器安捷倫G200納米壓痕儀，頂部直徑為100微米的圓柱形金剛石壓頭。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在外加磁場(chǎng)的作用下，薄膜力學(xué)性質(zhì)得到顯著提升。位移-壓力曲線如圖5。薄膜的彈性模量不受壓入深度影響，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信。無磁場(chǎng)情況下測(cè)得薄膜彈性模量平均值為I. 96MPa，磁場(chǎng)強(qiáng)度為IOOmT和200mT時(shí)，彈性模量分別提高到20. 75MPa和23. 98MPa，磁流變系數(shù)分別為105%和122%。磁流變效應(yīng)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)磁流變材料。彈性模量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6。由于新型的納米粒子磁流變彈性體薄膜在有場(chǎng)條件下，薄膜的彈性模量E會(huì)發(fā)生改變，因此可以用于微型磁場(chǎng)傳感器的制做。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. ー種納米粒子磁流變弾性體薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 A =PDMS-鐵粉混合物的制備 1)將硅膠和固化劑DowCorning SYLGARD 184按10 I的重量比混合，攪拌均勻后將混合物放入超聲波振蕩儀中振蕩2分鐘去泡，同時(shí)可促進(jìn)其進(jìn)ー步混合； 2)將步驟I)所得混合物與氯仿按I: I的重量比混合，攪拌均勻后再次振蕩10分鐘，以確?；旌衔镏型耆珶o氣泡； 3)將四氧化三鐵納米顆粒與步驟2)中得到的混合物按I: 10的重量比混合，用玻棒攪拌I分鐘確保其混合均勻；最后放入振蕩儀中振蕩30分鐘，確保其氣泡完全清除即得PDMS-鐵粉混合物； B :納米弾性體薄膜的制備 1)將規(guī)格為8X8_的硅片放入30ml丙酮中，用超聲波清洗儀清洗，I分鐘后用烘干儀烘干； 2)用涂膠機(jī)將混合均勻無氣泡的PDMS-鉄粉混合物均勻涂在硅片上，涂層厚度可任意調(diào)節(jié)； 3)將制作好的樣品放入IOOmT強(qiáng)磁場(chǎng)中2分鐘，在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下納米鐵粉顆粒會(huì)按磁場(chǎng)方向重新排列，形成鏈狀結(jié)構(gòu)； 4)將樣品從磁場(chǎng)中取出，放在烘干機(jī)上150°C烘烤30分鐘，烘烤溫度為150度，保證PDMS凝固即得納米弾性體薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米粒子磁流變彈性體薄膜的制備方法，包括以下步驟APDMS-鐵粉混合物的制備1)將硅膠和固化劑Dow Corning SYLGARD 184按10∶1的重量比混合，攪拌均勻后將混合物放入超聲波振蕩儀中振蕩2分鐘去泡，同時(shí)可促進(jìn)其進(jìn)一步混合；2)將步驟1)所得混合物與氯仿按1∶1的重量比混合，攪拌均勻后再次振蕩10分鐘，以確?；旌衔镏型耆珶o氣泡；3)將四氧化三鐵納米顆粒與步驟2)中得到的混合物按1∶10的重量比混合，用玻棒攪拌1分鐘確保其混合均勻；最后放入振蕩儀中振蕩30分鐘，確保其氣泡完全清除即得PDMS-鐵粉混合物；B納米彈性體薄膜的制備。由于新型的納米粒子磁流變彈性體薄膜在有場(chǎng)條件下，薄膜的彈性模量E會(huì)發(fā)生改變，因此可以用于微型磁場(chǎng)傳感器的制做。
文檔編號(hào)C08K3/22GK102675668SQ201210171960
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者于慧君, 張遒姝, 彭倍, 曾志, 李迪, 黃洪鐘 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)