Member Login Menu

Smart Nanocomposites Lab at UC Irvine


UC Irvine
Dynamic Mechanical Analysis of Magnetorheological Composites
Lizhi Sun

December 2015


The  characteristics  of  magnetorheological  materials  shows promise  for their use in wide applications such  as  high‐power  magnetostrictive  actuation  for  anti‐ vibration  applications,  magnetoelastic  sensor  application  in  civil  infrastructures  monitoring,  and  smart  on‐demand  damping  control.  Studies  of  magneto‐mechanical  responses  for  magneto‐ rheological  elastomer  composites  is  recently  of  great  interest  to researchers and engineers in many science  and  engineering  disciplines  with  civil  infrastructures  in  particular.  While  efforts  have  been  made,  the  inferior  mechanical  responses  of  the  soft  matrix  severely inhibit their wide applications. 


To  overcome  the  challenge  mentioned  above  we  develop  a  novel  type  of  magnetorheological  (MR)  elastomer  nanocomposites  filled  with  carbon  nanotubes.  We  further  conduct  an  integrated  experimental  and  modeling  approach  to  investigate  the  dynamic  mechanical  behavior  of  silicone‐rubber‐ based  MR  nanocomposites  enhanced  by  multi‐walled  carbon nanotubes. First, the novel MR nanocomposites  have  been  fabricated,  with  their  microstructures  and  dynamic  viscoelastic  properties  under  applied  magnetic  fields  subsequently  characterized  via  scanning electron microscope and dynamic mechanical  analysis.  A  micromechanics‐based  constitutive  model  is  then  proposed  to  predict  the  dynamic  viscoelastic  behavior  of  multi‐phase  composites  with  viscoelastic  imperfect  interfaces.  With  the  incorporation  of  the  classic  dipole‐dipole  magnetic  interaction  model,  the  scope  of  the  proposed  model  has  been  extended  to  cover  as  well  the  magnetic‐field‐induced  changes  in  dynamic stiffness and damping of MR nanocomposites. 


The  dynamic  mechanical  behavior  of  the  MR  nanocomposite  and  MR  elastomer  under  applied magnetic field has been characterized at  room  temperature,  through  dynamic  single  lap‐ shear  test with  a  dynamic mechanical analyzer.  The  zero‐field storage modulus G' and damping ratio  tan  δ  of  MR  nanocomposite  are  at  least  30%  and  40%  higher  than  those  of  conventional  MR  elastomer,  respectively,  which  proves  the  effective  mechanical  reinforcement  by  only  1  wt%  of  MWNTs  in  the  matrix.  The  absolute  MR  effect  on  G'  of  MR  nanocomposite  can  reach  up  to  0.3  MPa,  which  is  almost  70%  higher  than  that  of  conventional  MR  elastomer, while  the  relative MR effect  on G' is  only  around  25%  higher  since  the  zero‐field  G'  is  also  increased.  It  is  quite  possible  that  a  better  bonding  between  iron  particles  and  the  matrix  has  been  induced  by  MWNTs,  which  leads  to  the  increase  in  the absolute MR effect.  In case of  tan δ,  the absolute  MR  effect  remains  almost  unchanged  change  while  the relative MR effect decreases.  


The research conducted is among the first attempt to  combine  the  advantages  of  nanocomposites  and  magnetostrictive materials  to produce  the novel MR  nanocomposites.  The  work  is  expected  to  lead  to  advances  in  the  development  of  smart  nano‐ composites  in  applications  such  as  smart  valves,  smart  wings,  adaptive  vibration  control  and  noise  reduction, and non‐contact position sensors. 

Selected Publications

1. Li,  R.  and  Sun,  L.Z.,  2011,  "Dynamic  mechanical 
behavior of magnetorheological nanocomposites filled 
with  carbon  nanotubes",  Applied Physics Letters,  vol. 
99, 131912‐1‐3. 
2. Li,  R.  and  Sun,  L.Z.,  2011,  "Dynamic  mechanical 
analysis  of  silicone  rubber  reinforced  with  multi‐
walled  carbon  nanotubes", Interaction and Multiscale
Mechanics, vol. 4, 239‐245. 
3. Wang,  H.,  Zhang,  Y.N.,  Yang, T.,  Zhang,  Z.D.,  Sun,  L.Z., 
and Wu, R.Q.,  2010,  "Ab initio  studies  of  the effect  of 
nanoclusters  on  magnetostriction  of  Fe1‐xGax  alloys", 
Applied Physics Letters, vol. 97, 262505‐1‐3. 
4. Liu, D.X., Zhang, Z.D., and Sun, L.Z., 2010, "Nonlinear 
elastic  load‐displacement  relation  for  spherical 
indentation  on  rubberlike  materials",  Journal of
Materials Research, vol. 25, 2197‐2202. 
5.  Yin,  H.M.,  Sun,  L.Z.,  and  Chen,  J.S.,  2006,  "Magnet‐
elastic  modeling  of  composites  containing  chain‐
structured magnetostrictive particles", Journal of the
Mechanics and Physics of Solids, vol. 54, 975‐1003. 

Core Competencies

  • Nanomechanics of composites.
  • Multiscale materials modeling.
  • Dynamic mechanical analysis of polymers and composites.
  • Development and characterization of smart nanocomposites.

Microstructure  and  frequency  scan  of  MR  elastomer  and  MR  nanocomposite  at  different  magnetic  field  strength: (a) storage shear modulus G’, and (b) tan δ

Current Research Team Members:
 Lizhi Sun (PI) 
 Yu Wang (Ph.D. Candidate) 
 Yongxue Li (Ph.D. Candidate) 
 Robbie Damiani (Graduate Student) 
 Hesam Sajed (Graduate Student) 
 Hui Wang (Visiting Scholar) 

Recent  Graduates and Co‐workers: 
 Huiming Yin (PhD), Assistant Professor, 
Columbia University. 
 Hua Liu (PhD), Civil Engineer. 
 Rui Li (PhD), Civil Engineer.  

Current Research Collaborations: 
 Multiscale modeling of Fe‐Ga magneto‐
strictive alloys ‐ R. Wu (Physics, UC Irvine), 
Z.D. Zhang (Chinese Academy of Sciences, 
 Development  and  modeling  of  magneto‐
strictive  nanocomposites  ‐  Y.  Huang 
(Northwestern University) 
 Nano‐CT‐based  elastography  of  hetero‐
geneous  materials  ‐  L.  Valdevit  and  T. 
Rupert (MAE, UC Irvine), G. Wang (Virginia