磁流变液技术及其应用.doc

磁流变液技术及其应用磁流变液技术及其应用1 1 引言引言 磁流变液（Magnetorheological Fluid , 简称 MRF）属可控流体，是 智能材料中研究较为活跃的一支 1948 年美国国家标准局 Rabinow J 首先提 出了磁流变效应(MRE)的概念：在外加磁场的作用下,流体的黏度会迅速发生显 著变化,其表观黏度可增大两个数量级以上,使得流体的流动屈服应力增大,由流 体状态转变成为黏塑性状态,呈现出类似固体的力学性质,从而改变其流变特性； 但当去掉外加磁场后,流体又从黏塑性状态迅速恢复到原来的流体状态,其中的 响应时间仅为几毫秒[1、2] 20 世纪 80 年代中期,由于电流变液剪切屈服强度太低的“瓶颈”以及电流 变液工作电压较高等技术难题无法突破,磁流变液的研究得到了重视与发展[3] 磁流变液具有独特的智能特性,且具有较高的屈服应力、温度适应性强、响应时 间短、稳定性好、低电压需求等优点,引起了学术界和工程界的极大关注到 20 世纪 90 年代后期,已有商品化的磁流变液面世,不仅成功研制出了剪切屈服 强度可达 100 kPa 且性能稳定的 MRF,而且其应用扩展到了车辆工程、机械工程、 土木工程以及装备加工制造等领域。

磁流变液被认为是未来最具前途的智能流 体之一2 2 磁流变液的组成磁流变液的组成 磁流变液是一种可由磁场强度控制的有流变行为液体,其流变状态是可逆的 普通流体的粘度(受流体的成分、切应力和温度影响)在实际应用中由于环境复 杂而不容易控制,而磁流变液的粘度可以由磁场控制,这就是智能材料与普通流 体的差异典型的磁流变液由三部分组成：软磁性颗粒、载液和添加剂[4] 2.1 软磁性颗粒 制备 MRF 的软磁性颗粒必须足够小，一般直径为 3-5μm,微粒的体积浓度 一般为总体积的 40% -60%,[5]常用的有羰基铁粉、Fe3O4、钴粉、铁钴合金及镍 锌合金等，其中羰基铁粉饱和磁化强度较高（为 2.15T） ，且物性较软、具有可 压缩性、材料成本低，是使用最多的材料 除上述软磁性颗粒之外,最近专家采用以下新技术制备出复合软磁性颗粒 (1)用聚合物包覆铁粉该方法可以减小软磁性颗粒的密度,增加颗粒的表 面积，提高所制备磁流变液的沉降稳定性和再分散性Park 等人用聚甲基丙烯 酸甲酯(PMMA)包覆羰基铁粉制备出复合磁性颗粒张进秋等人以羰基铁粉为原 料,用聚乙二醇包覆羰基铁粉颗粒 (2)用软磁性颗粒包覆非金属材料。

该方法能减少颗粒的密度,提高所制备 MRF 的沉降稳定性Jun 等人以聚合物为核,以氧化铁颗粒为壳,制备出理想的球 形颗粒 (3)用金属颗粒包覆软磁性颗粒该方法可以增强颗粒的磁饱和强度,进而 增强所制备磁流变液的屈服强度John 等实现了用化学镀的方法在羰基铁粉表 面包覆一层镍粉 目前商品化的磁流变液大多采用普通羰基铁粉制备,但采用聚合物包覆的羰 基铁粉是目前各国专家研究的热点2.2 载液 载液是软磁性颗粒所能悬浮的连续媒介,是磁流变液的基体载液一般是非 导磁且性能良好的油，它们需要具有较低的零场粘度、较大范围的温度稳定性、 不污染环境等特性如合成油、矿物油、硅油、水等液体都可以作为载液[6] 2.3 添加剂 由于载液密度一般为 1 g/cm3左右,而磁性颗粒密度可达 7-8 g/cm3,此外, 悬浮颗粒的直径一般仅为几个微米,比表面积大,也容易团聚而沉降[7]因此必 须加入少量的添加剂，一方面可以阻止磁性颗粒集聚，另一方面可以形成网状 结构吸附在磁性颗粒的周围，以减缓粒子的沉降，使颗粒能在载液中一直保持 悬浮状态 添加剂主要包括分散剂和防沉降剂等,分散剂主要有：油酸及油酸盐、环烷 酸盐、磺酸盐(或酯)、磷酸盐(或酯)、硬脂酸及其盐、单油酸丙三醇、脂肪醇、 二氧化硅等。

防沉降剂主要有：高分子聚合物、亲水的硅树脂低聚物、有机金 属硅共聚物、超细无定形硅胶以及有机黏土和含氢键的低聚物等[3]3 3、磁流变液的工作模式、磁流变液的工作模式 根据磁流变液流动特性的不同,磁流变器件的工作模式主要有两种：流动模 式和剪切模式 3.1 流动工作模式 流动模式是上、下极板固定不动,流体以一定速度流过极板间隙,如图 1 所 示外加磁场垂直于极板方向,磁流变液在相对静止的极板间运动,磁流变液在 流经极板间隙产生的压力差受到外界磁场的控制图 1 流动工作模式图 3.2 剪切工作模式 剪切模式是上、下极板以相对速度平行运动,如图 2 所示外加磁场同样垂 直于极板相对运动方向,磁流变液在两相对运动的极板间流动,形成剪切变形 外加磁场受激励电流或电压控制,通入不同的电流将产生不同的磁场强度,其相 应的剪切屈服应力强度也会随之变化,因此可以通过改变电流或电压值的大小来 控制阻尼力的大小图 2 剪切工作模式图4 4 磁流变液技术的应用磁流变液技术的应用 利用磁流变效应响应迅速和易于控制的特点，可将磁流变液装置作为电气 控制与机械系统间简单而安静的中间装置，用于汽车振动控制、机械动力传递、 工件精密加工等。

这些应用装置包括阻尼器、制动器、离合器、抛光装置、液 压阀、密封装置、复合构件、柔性夹具等 4.1 在汽车制造行业中的应用 国际上磁流变技术应用较为成熟的是美国的Lord公司,他们通过分析磁流变 液的特性,指出磁流变液在各方面都具有优于电流变液的独特智能性,在国际上 开辟了磁流变液研究的先河,其开发的流动模式汽车座椅悬架减振器已用于大型 载重汽车司机座椅半主动减振系统中,提高了汽车的行驶平顺性和操作稳定性 Delphi公司的MagneRide半主动悬架控制系统是汽车产业首次采用不带机电 控制阀和不使用小运动部件的半主动悬架系统,是由以磁流变液介质为基础的柱 式减振器、传感器和车载控制器构成的,可以提供快速、平顺和连续可变的阻尼 力,使车辆减少车身振动并增加轮胎与各种路面的附着力,使驾驶者能获得更好 的行驶性能、安全性、舒适性和可靠性 在国内,汽车行业和研究机构也进行了大量的工作重庆大学余淼对基于动 觉智能图式的汽车磁流变半主动悬架仿人智能控制器进行了研究；重庆大学董 小闵研究了汽车磁流变液-弹耦合碰撞缓冲系统不确定时滞动力学行为及仿人自 适应控制；浙江大学梅德庆等人发明了一种微型汽车磁流变智能减振器,配上控 制器则可以根据实际路况自动调节阻尼特性,实现微型汽车智能减振的效果。

4.2 在机械制造行业中的应用 利用磁流变液在磁场作用下发生固化的特征，可以对形状结构较为复杂的 工件进行定位和夹紧，以保证加工精度并减少非加工工时，这样可以开发柔性 夹具由于典型的磁流变液的屈服应力为80一100kPa，这对柔性夹具来说还不 够，Tang利用加压的方法迫使液体微观结构由单链变为粗大的柱状，在中等磁 场的作用下使其屈服应力达到800kPa以上，从而满足了夹具承载能力要求白 俄罗斯的Kordonski所在的美国QFD公司研制了高精度磁流变液研磨加工系统， 通过计算机控制旋转工件位置和停留时间，使成品粗糙度小于1nm，获得了相当 好的经济效益此外，Kordonski等还研究了以磁流变液为基础的光学抛光，它 可以克服传统抛光技术的缺陷，不仅能纠正光学元件的形状误差，平滑很小的 微观不平度，而且加工中不产生表面和次表面损伤[8]用于精密光学器件智能机械抛光技术使传统的精密光学器件机械加工工艺发生了革命性变化美国磁 流变智能抛光技术已经进入实用阶段，国内长春光机所、吉林大学、清华大学、 中国工程物理研究院、重庆仪表材料研究所等单位已分别开展磁流变抛光液和 智能抛光机械研发，但尚未达到工程化应用阶段，与国外相比存在较大差距[9]。

4.3 在土木工程中的应用 在土木工程中,传统的抗震设计是通过增强结构本身的抗震性能来抵抗地震 作用的,但是这种抗震方式缺乏自我调节能力随着磁流变液技术的日趋成熟, 人们利用磁流变技术对结构振动进行控制,即对结构施加控制机构,由智能控制 机构和结构共同承受自然灾害对建筑物的作用以协调和减轻结构的振动反应 大型磁流变阻尼器在大跨斜拉桥、建筑结构中的使用,实现了对受自然界影响产 生的振动的有效控制如日本的Takenaka实验大楼和Kankyn chanyamechi大楼 等是主动控制在土木工程中的应用；Sack和Pattea将可变阀式流体阻尼器应用 于Oklahoma州的135号州际高速公路桥的振动控制中 国内磁流变技术的应用也很成功,陈政清等在岳阳洞庭湖大桥上成功开发并 安装的磁流变式拉索减振系统,实现了对拉索风雨振动和其他振动的有效抑制； 欧进萍等人在山东滨州黄河公路大桥上也成功地安装了磁流变液阻尼器；东南 大学孟少平针对地震和强风等灾害作用进行了结构减振控制高科技探索和系统 集成技术的研究,发展城市建筑物耗能减振与智能控制技术和装置,以提升城市 建筑物抗震抗风安全性 4.4 在机器人领域中的应用 在机器人领域中，腿关节接点的运动很难模拟，通常采用全主动控制，但 其造价较高，结构复杂，而且耗能大。

因此半主动控制的腿关节应运而生可 用MRF制造出体积小、响应快、动作灵活的直接用微机控制的活动关节，用它来 控制膝盖转动角度，从而实现PD控制和微机控制，与可重复执行的控制器结合， 能完成三个自由度的复杂运动，这比传统的电-液控制关节更加优越，可产生很 好的控制效果[8] 4.5 在其他方面的应用 宾夕法尼亚州立大学的研究人员将直升飞机旋转叶片的传统液力阻尼器改 为磁流变阻尼器,有效地抑制了叶片的共振,极大地减少直升机飞行姿态和气候 变化对飞机和驾乘人员的威胁；哈尔滨工程大学姚熊亮等人研发了一种基于磁 流变技术的抗冲减振装置，它借助包括计算机在内的控制系统可对磁流变阻尼 器的阻尼进行智能调节,可在任意频段内获得较低的振幅和力传递率,克服了传 统无源减振装置对于固有频率附近的激励力不起减振作用、不抗击冲击力的缺 点,实现了对船舶振动冲击的减振控制在医疗技术方面，磁流变液也有一定的 应用前景，如手(手腕)能恢复装置和癌症阻塞疗法等5 5 磁流变液研究的前景磁流变液研究的前景 综上所述，磁流变液及其应用已经成为国内外相关单位研究的热点，并且 取得了许多很有价值的理论和实验结果，市场上已有商品化的磁流变液，并在 一些场合得到了成功的应用。

国际电磁流变液会议(ERMR)已经成功举办了11届, 2008年在德国举办的第11届国际电磁流变液会议(ERMR2008)标志着磁流变液的 应用已经逐步走向工程化 磁流变技术还在不断发展之中，磁流变液及其器件在机械、交通、舰船、航天、车辆、建筑等军用和民用领域具有广泛的应用前景展望未来，磁流变 技术研究的关键是研制性能优良的磁流变液以及结构合理、价格适当的磁流变 液装置和控制系统 (1)磁流变液的制备磁流变液的制备是工程应用的基础,提高再分散性和 沉降稳定性在内的性能指标对工程应用将产生重要意义具体可以在以下几个 制约工程应用的问题上开展深入研究：如何提高 MRF 的再分散性，如何利用表 面改性技术提高 MRF 的沉降稳定性，如何制备出高性能的磁流变弹性体以及如 何利用纳米级添加剂改善 MRF 的综合特性等 (2)新型MRF材料的研究磁流变液材料在近10年取得了重大进展,已有商业 化的产品出现由于高新技术的飞速发展,传统的MRF材料不能完全满足工程领 域的技术要求例如：适用于高温、低温环境下的专用磁流变材料,在高频、高 速振动环境下的特殊磁流变材料等这就要求新型MRF材料向多功能化、高性能 化的方向发展。

(3)新型MRF减振器研究新型减振器要求在多种工况条件下,保持较高的阻 尼动态变化范围,且变阻尼迟滞时间要尽可能短为配合振动控制策略所需的振 动状态参数监测与获取,采用BIT设计将加速度、阻尼力、温度等传感器嵌入磁 流变减振器之中,这样可以大大降低磁流变减振器工程应用的难度,对推动工程 应用意义重大 6 6 总结总结 磁流变液作为最有发展前景的智能材料之。