通过掺铁多壁碳纳米管增强碳酰铁基磁流变弹性体的性能

可随指令变硬的橡胶

想象一下汽车悬架、建筑支撑或桥梁接头，可以通过旋钮瞬间变得更硬或更软。本文探索了一种改进此类“智能”橡胶部件的途径：在材料中加入掺铁的超小碳管，使其对磁场的响应更强，寿命更长，并更有效地抑制振动。

为什么智能橡胶很重要

工程师越来越依赖特殊复合材料——将不同材料混合以获得单一物质无法兼具的性能。磁流变弹性体（MREs）是其中一类重要材料：类似橡胶的固体中填充有微小的磁性颗粒。施加磁场时，这些颗粒会排列并改变材料的刚度和阻尼特性。由此，一块橡胶在平坦路面上可以表现得很软，而在遇到颠簸时变得坚固，或在地震时帮助建筑减少摆动。传统配方是在硅橡胶中加入碳酰铁球，但它们在刚度、能量吸收能力和对磁场响应强度之间存在权衡。

加入微小的掺铁碳管

研究人员着手用掺铁的多壁碳纳米管来升级这些材料。这些纳米管是发丝般细的中空碳柱，表面附着有铁纳米粒子。碳骨架提供机械强度，铁则带来磁响应——因此每根纳米管既像增强纤维，又像微小磁体。团队制备了两类添加剂：一种约含10%铁，另一种约含50%铁（质量分数），并将少量它们掺入已经含有球形碳酰铁颗粒的标准硅橡胶MRE中。

观察新材料的内部结构

为确认所制备的材料，作者使用高分辨率显微镜和X射线技术。他们观察到纳米管保持了长而杆状的形态，且铁纳米粒子沿管壁附着，含铁量更高的样品中这种情况更明显。在固化的橡胶中，铁球和掺铁纳米管在硅基体中分布相对均匀。磁性测量显示，加入这些纳米管略微提高了材料的磁化强度和矫顽力，暗示填料与橡胶之间的相互作用更强。这种微观和纳米尺度的结构很关键：施加磁场时，球体与管状填料可形成连接链，从而更紧密地束缚橡胶网络。

更高的刚度、更好的阻尼以及更强的可调性

研究的核心是材料在振动下的性能。利用流变仪——一种在变化频率和磁场下轻扭样品的装置——团队测量了刚度（储能模量）和阻尼（损耗模量）。与传统MRE相比，含掺铁纳米管的样品在有无磁场时都表现出更高的刚度和更好的能量耗散，尤其在施加磁场时更显著。在约0.47特斯拉的磁场下，含高铁含量纳米管的材料显示出最大的刚度跃升，其磁流变效应（在磁场下刚度的增加幅度）上升到约234%，而标准材料为191%。简言之，少量新型添加剂即可使橡胶在一系列振动频率下对磁场的响应更强且更可控。

从实验室结果到实际应用

作者总结认为，掺铁碳纳米管是提高磁控橡胶性能的有效途径。通过将纳米管的力学强度与铁的磁性结合，他们在施加磁场时同时提升了材料可达到的刚度和其吸收振动能量的能力。这使得这些复合材料在车辆、机械和建筑中的智能阻尼器方面具有应用前景，可用于需要持续适应运动变化的部件。尽管研究指出长期老化和不同制造工艺仍需进一步探讨，但该工作指向了比现有技术更紧凑、更高效且更易精细调节的未来振动控制系统。

引用: Maharani, E.T., Oh, JS. & Choi, SB. Performance enhancement of carbonyl iron-based magnetorheological elastomers through iron-doped multi-walled carbon nanotubes reinforcement. Sci Rep 16, 5912 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36061-9

关键词: 磁流变弹性体, 振动阻尼, 碳纳米管, 智能材料, 自适应悬架