电流变 磁流变讲解.pptx

电流变体与磁流变体技术 智能材料——可控流体 可控流体（Controllable Fluids）是一类新兴智能材料，在 自动化及结构控制领域具有广阔的应用前景其中最具代表性的 是电流变体(Electrorheological Fluids)和磁流变体 (Magnetorheological Fluids)这两种 之所以称为可控流体，是因为它们的某些特性可以随外界环 境如磁场、电场的改变而改变这种特性具有连续、可逆和易于 控制的特点 普通牛顿流体流变态固体 未施加磁场、电场施加磁场、电场 磁场、电场强度 达到某一强度 磁场 电场 撤销 强度 降低 电流变体的发现 电流变体（Electrorheological Fluid, 简称ERF），是上世 纪出现的一种智能材料，由美国学者W.M.Winslow首次发现并获 得专利它是由高介电常数的固体微粒分散于低介电常数的液态 基液后所构成的悬浮体系，其流变性能可以由外加电场控制 电流变效应 当未加电场时，固体颗粒随机地分布在液态基液中，此 时电流变体与普通的牛顿流体相似； 而当施加电场时，颗粒会被瞬间(ms量级)极化成电偶极子， 粒子间的相互作用会使固体颗粒形成链并进而形成柱状结构，从 而产生屈服应力。

其表观粘度可以增加几个数量级，而且这种变 化是可逆的 撤除电场后，电流变体又会瞬间恢复到原来的状态 电流变效应 自然状态施加电场后，粒子沿 电场方向生成粒子链 粒子链结合生成粒子柱 加电场 继续加电场 电流变效应 剪切速度 剪切应力 电流变效应的产生机理 双层理论（Double Layer Theroy） 水胶理论（Water Glue Theroy） 颗粒极化理论（Particle Polarization Theroy） 电流变体的应用 由于电流变体具有非常优良的性能，应用电流变体技术 设计的器件具有响应快、连续可调、电控性能好、功耗低、灵敏 度高、重量轻、结构简单等突出优点，因而被广泛应用于汽车工 程、液压工程、航空航海、生产自动化、机器人工程、医疗器 件、体育用品、国防等领域 特别是在汽车工程中，利用电流变技术可以设计出新颖的汽 车转向系统、汽车的减震装置、制动装置等与传统的机械产品 相比，具有设计简化、应用简便、灵敏度高、噪声小、寿命长、 成本低、易于实现电脑控制的特点电流变技术在汽车传动系统 的重大创新将引发一场汽车技术革命 电流变体的应用 典型的电流变体器件框图 电流变体的限制 虽然电流变体具有很多优越的性能，但是目前电流变体 的动态剪切应力普遍在15kPa以下，这一数值与传统的机械传动或 驱动系统相比还差的很远。

因此电流变体技术想要进一步取代传 统机械传动或驱动系统，就必须进一步提高这个参数 磁流变体的发现 磁流变体的研究是在电流变体的基础上发展起来的 1948年，美国国家标准局的Jacob Rabinow发现了磁流变效应，并 开始研究磁流变体及其应用装置（离合器） 但是在过去的几十多年里，许多研究机构和企业几乎都没有 对磁流变体进行深入研究，而是将注意力主要集中在电流变体的 研究上直到最近十几年研究人员才发现，磁流变体具有许多电 流变体所不具备的优点： （1）相对低成本、低能耗； （2）磁流变体具有高出一个数量级的屈服应力； （3）适应温度范围很宽（-400 ℃~ 500℃）； （4）流变特性不受制造及使用过程中杂质的影响 磁流变体的这些优点一出现就引起了减振设备与技术领 域内专家的极大兴趣 磁流变体的指标 磁流变体应满足的指标 （1）零磁场粘度低，以便使其在磁场作用下，具有同等剪切屈服 强度增长时，具有更大的可调范围 （2）强磁场下剪切屈服强度高，至少应达到20～30Kpa，这是衡 量磁流变液特性的主要指标之一 （3）杂质干扰小，以增加其使用范围。

（4）温度使用范围宽，即在相当宽的温度范围具有极高的稳定 性 （5）响应速度快，最好能达到毫秒级，以使磁流变液减振器作为 主动和半主动控制器时，基本不存在时迟问题 （6）抗沉降性好，长时间存放应基本不分层 （7）能耗低，在较弱的磁场下可产生较大的剪切屈服强度 （8）无毒、不挥发、无异味，这是由其应用领域所决定的 磁流变体的工作原理 磁流变体（Magnetorheological Fluid , 简称MRF）一类具 有磁流变效应（Magnetorheological Effect，简称MRE）的材料 磁流变体在零磁场条件下，呈现出低粘度的牛顿流体特性； 而在强磁场条件下，则呈现出高粘度、低流动性的Binghan体特性 ，流体的屈服应力和表观粘度有2～3个数量级的变化特别的， 在某一特定磁场强度下，停止流动直至固体状态，且有固体的某 些特性，具有很强的抗剪切能力 由于磁流变体在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、这种 转换是在毫秒（ms）量级的时间内完成，而且其流变后的剪切屈 服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，同时通过调节磁场大小 可以控制材料的力学性能连续变化，因此磁流变体是一种用途广 泛、性能优良的智能材料。

磁流变体工作原理 悬浮载液内的磁性粒子，通常为微米或纳米级的球形或 椭球，随机分布在悬浮液中在正常情况（无外加磁场）下，如 下： 没有外加磁场的状态 磁流变体工作原理 当施加磁场时，悬浮粒子（通常为0.1〜10μm范围内） 沿磁通方向分布，这种沿磁通分布的方式会阻碍垂直于磁通方向 的流动因此，在设计的磁流变的移动设备中，关键是要确保磁 通线垂直方向的运动受到限制 有外加磁场的状态 磁流变体工作原理 磁流变效应示意图磁流变体在磁场作用下的实际效果 磁流变效应的产生机理 磁流变体的特性主要是指它的磁特性、流变性和稳定 性迄今为止，产生磁流变效应的机理，一直没得到确切物理解 释其中有代表性的，而且为大众所接受的是偶极矩理论和相变 理论 偶极矩理论 这个理论认为，在外加磁场的作用下，每一个磁性颗 粒都会被极化成为磁偶极子，而此时各个偶极子之间可以相互吸 引，并形成链，磁流变效应的强度和偶极子之间形成的链的力大 小，有着一定关系，这个理论的基础是静磁相互作用理论 磁流变效应的产生机理 相变理论 该理论认为在零磁场作用下，悬浮颗粒是自由相，它 随机分布于母液中，热波动会对它的转动和迁移造成很大影响。

磁场强度升至某一临界值时，颗粒会被磁化，受到热波动和磁场 强度双重作用，某些颗粒就进行有序化排列，成为有序相随后 随着磁场强度变大，有序相就会连成长链，且以长链作为核心， 吸收周围短链，使链变粗，形成固态相 磁流变体的操作模式 磁流变体中使用三种主要的操作模式：流模式，剪切模 式和挤压流动模式 这些模式的可以用一个物理模型来形象说明，即在处于一定 磁场强度下，两个固定板之间充满着磁流变体，分别改变固定板 与磁流变体之间的相对运动方式，可以得出三种操作模式，它们 各自都有不同的应用领域 物理模型 磁流变体操作模式 Flow mode（流模式） 固定板保持不动，磁流变体沿垂直磁通方向流动通过 对外部磁场的控制，可以有效的控制磁流变体的粘滞度，限制其 流动 流模式可用于高性能阻尼器和减震器的设计制造中 流模式的示意图 磁流变体操作模式 Shear mode（剪切模式） 其中一块固定板保持不动，另一块固定板沿垂直磁通方 向移动，对磁流变体进行剪切剪切模式在离合器和制动器中特 别有用——必须控制旋转运动的地方 剪切模式的示意图 磁流变体操作模式 Squeeze-flow mode（挤压流动模式） 其中一块固定板保持不动，另一块固定板沿磁通方向移 动，对磁流变体进行挤压。

挤压流动模式很适合控制微小的、毫 米级的运动 挤压流动模式的示意图 磁流变体的研究现状 目前对磁流变体的研究体现在两大方面 一、从材料和力学的角度出发，研究磁流变体的组成成 分及物理特性；（材料本身） 二、从机械学、振动学、电子学、控制学等角度出发， 并结合具体应用目标开展多学科交叉研究材料应用） 前者的研究主要致力于磁流变体材料的研制、性能提升、以 及低成本化生产等；后者的研究则致力于磁流变体材料的多领域 多学科应用、控制等 磁流变体的材料成分 磁流变体材料是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗 粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体 123 磁流变体的组成示意图 1—弥散质颗粒 2—表面活性剂 3—基液 磁流变体的材料成分 基液（载液），是磁流变体的主要成分，分为磁性基液 和非磁性基液两种，目前大多数用的是非磁性基液一般来说， 磁流变体的基液应该具有以下特点：低凝固点、高沸点、适宜的 黏度 除此之外，基液还应需满足化学稳定性好、耐腐蚀、无异 味、无毒、价格低廉等条件 磁流变体基液的种类 磁流变体的材料成分 弥散质颗粒，包括磁性颗粒和非磁性颗粒两种，尺寸大 小主要是微米和纳米级的。

磁性颗粒主要含有 Fe3O4、Fe3N、Co 、Fe、Ni 等微粒，其中磁饱和度最大的微粒是铁钴合金，其磁饱 和度能达到 2.4T，但价格昂贵，所以实际应用最多的微粒是羰基 铁粉和纯铁粉，它们的磁饱和度大约为 2.1T非磁性颗粒主要分 为聚合物颗粒和无机非金属颗粒，如聚苯乙烯和硅石颗粒 磁流变体的材料成分 加入表面活性剂可以改善磁流变体的性能因为弥散质 颗粒的密度比基液密度大很多，因此很容易沉降；为了保证颗粒 的悬浮稳定性以及提高磁流变体的流变性能，一般情况，需要加 入活性剂，比如使用稳定剂(像硅氧化物、硅胶)或各种各样的表面 改性的试剂等，以防止出现颗粒沉淀和不可逆转的团聚现象表 面活性剂一般是由亲油基、亲水基两种不同特性的物质组成的低 聚物 不同基液中的添加剂 磁流变体的类型 磁流 变体 种类 纳米磁性颗粒 非磁性基液型 微米磁性颗粒 非磁性基液型 磁性颗粒 磁性基液型 非磁性颗粒 磁性基液型 采用纳米磁性粒子作为主分散颗粒，它的基液与经 典磁流变体是一致的，都是非磁性的 采用微米级的顺磁或软磁材料的颗粒和低磁导率的 基液，是目前主流工艺，具有较强的磁流变效应， 屈服应力能够达200~100kPa。

采用微米级的磁性颗粒分散溶于磁性基液(如铁磁流 体)中制成的悬浮液磁性基液加强了磁性颗粒间的 相互作用力，从而增强了磁流变效应 利用微米级的非磁性颗粒(如 40~50μm 的聚苯乙烯 或硅石颗粒)分散溶于磁性基液(如铁磁流体)中制成 的悬浮液但是，这种悬浮液的磁流变效应比较低 ，屈服应力也较低，目前研究的还比较少 磁流变体研究的困难 （1）除少数商业化的磁流变体外，大多数磁流变体的零场粘度比 较高、稳定性不够理想 （2）商业化的磁流变体及它的应用装置价格比较昂贵如 Lord 公司生产的磁流变体每升约为600美元，小型直动式阻尼器控振系 统每套大约 300 美元这使得磁流变体装置的广泛应用或在代替 某些传统装置方面受到限制磁流变体装置的成本主要来自零件 的精密加工，密封件的成本，电磁铁的制造等 （3）磁流变体的应用目前还没有广泛地深入，有些研究应用离工 程应用还有一定距离，磁流变体装置的数学模型以及控制技术还 有待深入研究和完善 磁流变体技术及应用领域 磁流变体技术 阻尼技术 抛光技术 传动 技术 密封技术 生物医药技术 其它技术 应用领域 机械工程 控制工程 汽车工程 生物医药 精密加工 航空航天 国外磁流变体的研究与应用 单位应用实例 美国Lord公司汽车减振器、离合器和制动装置 美国军方俄亥俄级导弹 攻击核潜。