磁流变液技术研究现状

丰卫邦

（中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431）

0 引言

磁流变液(Magnetorheological Fluids, MRF)是自美国学者Rabinow于1948年发现以来[1]，在上世纪九十年代被深入研究的一种新型智能材料。它是由易磁化颗粒（微米级）弥散于基础载液形成的稳定悬浮液，其物理及流变性能随外加磁场的变化而变化，呈现连续、迅速、可逆、精确可控的优良特性。磁流变液能够随外加磁场强度的增加由液体逐渐转变为类似固体，当外加磁场撤销，磁流变液又能恢复到液体的状态。在该过程中，磁流变液的粘度保持连续、无级变化，整个转化过程极快，且可控，能耗极小，可以实现实时的主动和半主动控制[2,3]。此外磁流变液还具有以下特征：在外加磁场作用时有较高的屈服应力；在零磁场作用时具有较低的粘度系数；较宽的工作温度范围；良好的动力学稳定性；较好的化学稳定性；响应时间短。

上述特点使得其受到国内外学者和工程技术人员的重视，在问世后的短短几年就走出了实验室，开始应用于科学实验和工业装置中。目前的研究表明，磁流变液技术可以在机械工程、汽车工程、控制工程、精密仪器加工及航空航天、生物医药以及国防和军事工程等领域广泛应用。

1 磁流变液的组成

磁流变液是一种在磁场作用下能够快速、可逆地由流动性良好的牛顿流体转变为高黏度、低流动性的Bingham弹塑性体的智能材料。典型的磁流变液由3部分组成：软磁性颗粒、载液和添加剂。

1.1 软磁性颗粒

制备MRF的软磁性颗粒,一般有羰基铁粉、Fe3O4、钴粉、铁钴合金及镍锌合金等。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。

第1类：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[5]。

第2类：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[6]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

第3类：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[7]用化学镀的方法在羰基铁粉表面包覆一层镍粉。

对比以上几种颗粒，羰基铁粉是制备 MRF常用的软磁性颗粒，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研究的热点。

1.2 载液

载液是软磁性颗粒所能悬浮的连续媒介，是磁流变液的重要组成成分。如合成油、矿物油、水等液体都可以作为载液。

1.3 添加剂

添加剂包括分散剂和防沉降剂等，其作用主要是改善 MRF的沉降稳定性、再分散性、零场黏度和剪切屈服强度。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。此外，Chin用纳米级的磁性颗粒(Co2C2Fe2O3，CrO2)作为添加剂，提高了MRF的沉降稳定性。

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等性能指标对工程应用将产生重要意义。当前应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 磁流变液工作模式

根据流体流动和流变应力，磁流变器件的工作模式主要有下列3种模型(如图1所示)：(a)剪切模式、(b)流动模式和(c)挤压模式。

图1 磁流变液工作模式

2.1 流动模式

在流动模式中，磁流变液位于两个相对静止的极板之间，如图 1(a)所示。由于装置中的压力差而使磁流变液流动，该压力差为由磁场引起的屈服应力分量ΔPH和与磁场无关的粘性分量ΔPη之和

式中：τH为磁流变液的动态屈服应力，与磁场强度有关；η为磁流变液的动力粘度；Q为体积流速；L、h、S分别为极板长度、宽度和间隙；c为经验系数，其取值为：当压差比率ΔPη/ΔPH＜1时，c=2；当压差比率1≤ΔPη/ΔPH≤100时，c=3;该式可以作为设计流动模式下的磁流变液应用器件的理论依据。此时磁流变液能产生磁流变效应所需有效流体的最小值[8]：

由该式可以看出，要获得磁流变效应，所需磁流变液的最小体积可以由给定的流速和特定压降得到。

2.2 剪切模式

在剪切模式下，MRF位于两个相对运动的极板之间(如图 1(b)所示)，产生剪切阻力。该阻力为由磁场引起的屈服力分量 FH与粘性力分量 Fη之和[10]，

式中：τH为磁流变液体的动态屈服应力，与磁场强度有关；η为磁流变液体的塑性粘度；ν为极板相对运动速度；A为工作表面积，A=LH；L、h、s分别为极板长度、宽度和间隙。上式可以作为剪切模式下 MRF器件设计的理论依据。此时磁流变液能产生磁流变效应所需有效流体的最小值为[10]：

2.3 挤压模式

在挤压模式中，MRF位于两个极板之间，两磁极作相对运动，磁力线的方向平行于活塞运动方向，磁极挤压磁流变液使之向四周流逸从而产生挤压效果，磁极的位移量较小(几毫米以下)，产生的阻力却很大，如图 1(c)所示。挤压模式与流动模式和剪切模式比较，研究得还不够深入。

3 流变机理

有关磁流变液流变机制，目前被普遍接受的一种理论是：悬浮液中存在的磁性颗粒-磁场及磁性颗粒之间两种相互作用。当外加磁场时，磁性颗粒受磁极化，瞬时（毫秒级）产生的磁性偶极子相互作用，沿磁场方向结合成链，呈线性排列，图2为其流变机制的微观描述。链的强度取决于磁偶极矩，且结合强度与外加磁场强度成正比。R.Sheng[10]等给出了结合强度的数学表达式：

磁性颗粒结合强度取决于结合常数λ，μ0为颗粒真空磁导率，a为颗粒直径，x为颗粒磁化系数，Н为磁场强度， Kb为波尔兹曼常数，T为温度。当λ＞1时，链形成，链互相结合为柱状，宏观表现为类固体。

图2 磁流变液的流变机制

图3显示了强、弱磁场下磁流变液的宏观状态：磁场较弱时，已沿磁场方向显示出成链趋势，磁场加强时，成明显柱状。磁场撤消后，磁性颗粒失去磁性，链状结构被打破，颗粒分散悬浮，恢复至液态。

4 磁流变液的工程应用

基于磁流变液在外加场强作用下，可以在很短时间内由流动良好的牛顿流体连续、迅速、可逆地变为剪切屈服应力较高的粘塑性流体，因此磁流变材料应用范围很广，已引起了人们的广泛关注。近几年来，由于磁流变液具有优异的工程应用前景，各主要工业国家都竞相展开了研究，在阻尼元件、传动元件、精密加工、机械密封、液压系统、智能修复技术等方面得到了大量应用。

图3 磁流变液的流变机制

4.1 磁流变液阻尼技术

阻尼元件是磁流变技术的典型应用，由于磁流变阻尼器具有阻尼力大、电功率消耗低，并且体积小、动态范围广、频响高、适应面大等特点，而且它可根据外部的振动环境不同调节磁场强度，很容易改变减振系统的阻尼和刚度，可以达到主动减振的目的，因而磁流变阻尼器在智能结构领域具有广阔的应用前景。美国福特和通用汽车公司对磁流变阻尼器用于汽车悬架的半主动控制作了深入研究，并将其用于高档轿车上。2007年，马里兰大学[11]为火炮反后座装置设计出了两褶环形间隙节流阀 MRF减振器。实验表明：该减振器在频率12 Hz、幅值12.7 mm的正弦激励下，其阻尼力由2 kN变为加电后的4kN，阻尼力可调倍数达到2。图4为该大学研制的MRF阻尼减振器原理图。

图4 节流阀磁流变阻尼减振器

4.2 磁流变液传动技术

磁流变传动机构是磁流变技术应用的一个重要方向。Lord公司制造的旋转式磁流变制动器(MRB-107)是一种可控、响应迅速、用途广泛的传动元件，这种平滑动作的制动器需要的功率比涡电流式和磁滞式制动器都要小得多，响应时间小于10 ms。它的特点是可实现精确实时的控制、容易集成、低电压和低电流、低速时传递的力矩大、结构紧凑以及运行平稳，应用范围广，特别适用于气压传动装置、精密的张力控制以及触觉力反馈控制。

4.3 磁流变液抛光技术

磁流变液抛光是一种新兴的磁场辅助液体动力抛光技术。磁流变液精加工工件时，一个凸形被加工工件固定在移动壁上的某一位置，该工作表面与移动壁形成一个汇集间隙。一个电磁线圈置于移动壁的下方，通电后在间隙处产生磁场。磁流变液分布于移动壁的电磁线圈上方，随着磁场的变化，逐步固化，并由移动壁的运动获得速度，在进入汇集间隙前，变成弹性宾汉物质，于是弹性的磁流变液剪切流就在此间隙形成。这位置就被称为“抛光点”，该抛光过程运用一个计算机程序来控制抛光的位置。由于它们的流体——固体可控特性，这种精加工可完成复杂表面形状的抛光，并可得到非常高的表面光洁度。

4.4 磁流变液生物医药技术

在磁流变技术的最新发展中，最令人激动的可能就是用在高级假肢器官中的可实时控制的磁流变阻尼器。德国Biedermarm Motech公司是一家生产假肢的主要厂家，2000年该公司利用磁流变技术制造出了膝盖以上的假肢，这是一种高智能的修复术HIP(High Intelligence Prosthesis)，用Lord 公司的型号为 Lord RD-ı˜˜5改进型的磁流变阻尼器来实时控制。和以前的假肢相比，这种假肢可以使膝盖以上的接肢者的走路步态更自然，上下楼梯和在斜坡上走也更容易，能根据实际情况自动调整。

图5 磁流变抛光装置

5 结束语

磁流变液及其器件在机械、交通、舰船、航天、车辆、建筑等领域具有广泛的应用前景，展望未来，其研究工作主要有以下几个方面。

1）新型 MRF材料研究。MRF材料在近ı˜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。

2）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。

3）磁流变液的应用还不够广泛和深入，有些应用研究离工程应用还有一定距离，磁流变液装置的数学模型及控制技术还有待完善。

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