以磁化硅橡胶为基体，在有磁场和无磁场条件下制备了多种组分微米级(粒径5~8μm)和亚微米级(粒径200nm)软磁颗粒掺杂的磁敏弹性体(MSE)试样，通过电导试验装置和磁致电导测试系统研究了不同MSE试样的磁致电导特性，探究磁致电导机理。结果表明：在有磁场条件下制备微米级颗粒填充的MSE的磁致电导特性随着颗粒含量的增加而显著增强；随着亚微米级颗粒掺杂量的增加，在有磁场条件下制备微米级和亚微米级颗粒掺杂的MSE中微米与亚微米颗粒间产生吸附效应，零场电导与磁致电导增加值均大幅度衰减，磁致电导特性较弱；在无磁场条件下制备不同粒径颗粒掺杂的MSE中无法形成有效导电通道，磁致电导特性明显低于在有磁场条件下制备相同含量颗粒掺杂MSE。

01  试样制备与试验方法

1.1  试样制备

制备硅橡胶基MSE用基体为双组分加成型室温硫化硅橡胶；软磁颗粒分为2种，一种是微米级羰基铁粉(粒径5~8μm,纯度99.5%)，另外一种是亚微米级铁粉(粒径200nm，纯度99.7%)。试样制备流程：先利用电子天平精确称取软磁颗粒并搅拌均匀，同时将双组分室温硫化硅橡胶AB组分以质量比1∶1混合后搅拌均匀；将软磁颗粒加入硅橡胶组分混合物中，充分搅拌后放入真空箱中滤除气泡，再注入铝合金模具中，预结构化试样是指在钕铁硼永磁体提供的磁场(磁感应强度800mT)中常温固化得到，非结构化试样是指在无磁场条件下常温自然固化得到，历经24h后脱模便可制备出MSE试样，试样尺寸为20mm×20mm×1mm。MSE的制备条件及组分如表1所示，通过1#~4#试样研究不同微米级软磁颗粒含量下预结构化MSE的磁致电导特性，通过3#，5# ~8#试样研究不同粒径颗粒掺杂下预结构化MSE的磁致电导特性，通过6#，9#试样研究有磁场与无磁场制备条件下的磁致电导特性。

表1 MSE试样的制备条件及组分

1.2 试验方法

采用设计的电导试验装置研究MSE的磁致电导特性，具体结构如图1所示，主要由MSE试样、电极板、绝缘套与引脚组成。

图1 MSE电导试验装置结构示意

上下两块铜制电极板与中间MSE试样构成三明治结构，并将该三明治结构封装于塑料绝缘套内，避免试验中其他电导材料干扰；在两块电极板上分别焊接金属引脚与测试系统夹具相连接。磁致电导特性的测试流程如图2(a)所示：采用两块以正对位置安装的电磁铁作为磁场发生装置，电导装置置于电磁铁的N与S极之间；可编程线性直流电源与磁场发生装置相连，以提供励磁电流，不同的励磁电流可使激励磁场发生装置产生不同大小的磁场，从而改变电导装置处的测试磁场；LCR数字电桥测试夹具与电导试验装置引脚连接，当测试磁场发生变化时，计算机可实时读取磁致电导测试数据，并进行结果分析。磁致电导测试磁路如图2(b)所示，两电磁铁磁极间隙处紧密衔接，用电工纯铁加工的导磁环构成闭合磁回路，闭合磁力线与电导装置表面垂直，可有效增强测试电磁场强度，从而实现测试磁感应强度在0~700mT范围内变化。

图2 磁致电导特性测试方法示意

02、试验结果与讨论

2.1，磁致电导特性

图3 不同微米级软磁颗粒含量制备得到预结构化MSE试样的电导与磁感应强度之间的关系曲线

由图3可以看出：预结构化MSE零场电导和磁致电导均随着微米级软磁颗粒含量的增加而显著提高，当微米级软磁颗粒质量分数由10%增加到70%时，零场电导由24.9nS增加至1780.0nS，增加了70.5倍；随着测试磁感应强度的增强，具有不同含量微米级软磁颗粒MSE的电导均随着测试磁感应强度的增强而升高，且颗粒含量越高，在测试磁场作用下电导变化越明显。在0~700mT测试磁感应强度范围内，当微米级软磁颗粒质量分数分别为10%，30%，50%，70%时，MSE的电导增加值分别为6.4，22.0，127.4，500.0nS。

图4 微米级和亚微米级软磁颗粒掺杂的预结构化MSE试样电导与磁感应强度之间的关系曲线

由图4可以看出：随着微米级颗粒掺杂含量的降低，即亚微米级颗粒掺杂含量的升高，MSE的零场电导与磁致电导均降低；随着测试磁感应强度的增强，不同质量比微米级颗粒和亚微米级颗粒掺杂制备得到MSE的电导均随着测试磁感应强度的增强而升高，且随着亚微米级颗粒掺杂含量的升高，磁致电导增加值降低。当仅存在亚微米级颗粒时零场电导与磁致电导增加值仅分别为51.0，27.3nS。

2.2  磁致电导机理

图5 预结构化MSE的微观等效电路模型

目前已有研究证明，在有磁场制备条件下不同软磁颗粒含量的MSE内部软磁颗粒呈现明显的链状有序排列。基于此结论可知，MSE内部软磁颗粒通过磁相互作用力形成大量链状结构，且软磁颗粒是相互作用力的传导介质，颗粒含量的不同将直接影响链路结构形态，根据典型的链路形态可将不同软磁颗粒含量的预结构化MSE等效为如图5所示的电路模型。在该模型中，软磁颗粒可视作导电粒子，在微米级软磁颗粒质量分数为10%~30%时，颗粒分布比较稀疏，等效为绝缘回路或间断回路，由于硅橡胶基体属于绝缘材料，基体与稀疏颗粒形成的基体界面层电容起主导作用；但根据隧道导电理论，材料内部的热振动仍可引起电子在导电粒子间跃迁，因此在低颗粒含量下，MSE仍具有电导性；随着磁场的增强，颗粒相互作用力加强，相邻颗粒间距缩小，隧道效应更为明显，同时也因颗粒原始链间间距较大，磁相互作用力有限，导致在低颗粒含量的预结构化MSE中电导随磁感应强度的变化幅度较小。当微米级软磁颗粒质量分数为50%~70%时，由于颗粒数量的大量增加，链间颗粒接触较为紧密，从而形成比较完整的链状回路，此时回路视为由颗粒电导与颗粒接触电导形成的串联电路。微米级颗粒是优良的导电粒子，因此颗粒接触电导决定MSE的电导特性。颗粒接触电导取决于相邻颗粒间的基体层厚度，当相邻颗粒间相互作用力逐渐增强时，基体层逐渐被破坏或因挤压使其厚度明显减小，导致颗粒接触电导显著增强，链状回路形成导电通道，宏观上表现为有高含量微米级软磁颗粒的预结构化MSE具有优良的磁致电导特性。

在亚微米级颗粒质量分数为0时，即填充颗粒完全为微米级颗粒时，导电粒子间电流密度J可以用Fowler-Nordheim 方程表示：

滕桂荣等基于式(1)推导出MSE 理论电导率σ，计算公式为

由此可得MSE的理论电导G的计算公式：

在有磁场条件下颗粒间磁相互作用力F与颗粒半径R存在如下关系：

微米级颗粒粒径是亚微米级颗粒的25~40倍，即微米级颗粒之间将产生远大于亚微米级颗粒的磁相互作用力，导致在有磁场固化下部分亚微米级颗粒被微米级颗粒吸附，随着亚微米级颗粒含量的增大，微米级颗粒周边将吸附更多的亚微米颗粒，形成如图6所示的吸附聚集效应。

图6 预结构化MSE中微米级及亚微米级颗粒掺杂相互作用示意

 根据式(3)及导电通道理论，微米级颗粒在导电通道中占主导地位，亚微米级颗粒含量增大致使微米级颗粒表面吸附更多的亚微米级颗粒，导电通道中的颗粒接触电导随之减小，即使外界施加磁场作用，因大量亚微米级颗粒被吸附，随着磁场的增强，颗粒接触电导增量也会受到限制。

2.3 制备条件对磁致电导特性的影响

图7 预结构化和非结构化微米级和亚微米级颗粒掺杂MSE试样的电导与磁感应强度之间的关系曲线

由图7可以看出，在微米级及亚微米级颗粒含量相同的条件下，与非结构化MSE相比，预结构化MSE的磁致电导效应更显著，二者零场电导差值达44.6nS。预结构化MSE在800mT的磁感应强度下制备，颗粒被磁极化后，大量亚微米级颗粒被微米级颗粒吸附，在强磁场下微米级颗粒间的作用力远大于亚微米级颗粒，因此沿磁场方向仍会形成较为完整的链状有序结构，导致固化后该结构被固定于基体中形成导电通道；亚微米级颗粒粒径小，大量吸附于微米级颗粒表面导致颗粒接触电导变小，随着测试磁感应强度的增大，链状有序结构中颗粒间距缩短，在一定程度上增大了颗粒接触电导，因此磁致电导效应较显著。非结构化MSE在自然条件下固化过程中，亚微米与微米级颗粒之间不会相互吸附，且随机无序分散于基体中，颗粒间距较结构化MSE明显增大，难以形成有效的导电通道；无序排列的颗粒在测试磁场作用下被极化后，相互间磁作用力易被平衡抵消，颗粒接触电导小，因此磁致电导效应不明显。

03 结 论

 (1) 对于微米级软磁颗粒填充的预结构化MSE，当颗粒质量分数由10%增加到70%时，零场电导由24.9nS增加至1780.0nS，测试磁感应强度增加到700mT时的磁致电导增加值分别为6.4，500.0nS，磁致电导随着颗粒含量的增加而增大；在微米级颗粒含量高的预结构化MSE中颗粒接触电导较大，可形成有效导电通道，磁致电导特性显著。

 (2) 对于微米级与亚微米级软磁颗粒掺杂预结构化MSE，随着亚微米颗粒含量的增加，在有磁场制备条件下微米与亚微米颗粒间产生吸附效应，零场电导与磁致电导增加值均大幅度衰减，磁致电导特性较弱。

(3) 微米级与亚微米级颗粒掺杂预结构化MSE与非结构化MSE的零场电导差值达44.6nS；非结构化MSE内部颗粒无序随机分布，无法形成有效导电通道，颗粒接触电导小，导致磁致电导增加值明显低于预结构化MSE，且磁致电导效应不明显。