磁流变液的摩擦学研究现状及展望

杨健健 ，晏 华 ，张 辉 ，胡志德，邱亚三

（1 后勤工程学院，重庆 401311；2 65113 部队，辽宁 沈阳 110163；3 77516 部队，西藏 拉萨 850000）

磁流变液（magnetorheological fluid，MRF）是一种以微米级磁性颗粒分散于基载液油或水中形成的悬浮液，其流变性可在外加磁场的作用下发生迅速、可逆的改变，可实现实时主动控制，耗能极小[1-4]，因而广泛应用于机械、汽车、航空、精密加工、建筑、医疗等领域[5-10]。

随着磁流变技术及其器件应用范围的不断扩大，提供高性能的磁流变液显得尤为重要，但是由于磁流变液组成和应用环境的复杂性，出现了一些亟待解决的问题：沉降团聚稳定性和再分散，磁流变液性能重现性问题，另外还有磁流变液的摩擦磨损问题，严重影响着磁流变器件的整体可靠性与稳定性，在应用中不可忽视。国内外学者广泛关注的是如何解决磁流变液的沉降稳定性以及提高剪切屈服强度等问题[11-17]，磁流变液的摩擦学问题研究较少。而目前磁流变液的屈服强度可高达100 kPa，和五十多年前磁流变液刚发明时的强度相比较，并不见得好多少，已经能够满足大多数应用。此外，对大多数应用而言，磁流变液的沉降也可以通过磁流变器件本身的运动，如阻尼器中活塞往复运动、制动器中制动盘剪切作用，使分层的磁流变液重新分散混合，恢复均匀状态。只要流体不是结成一块硬块，也就是说，只是所谓的软沉降，那么在使用中不必花费太多时间，流体就变得均匀了[18]。

由于磁流变液的力学性能达到了工程应用要求，磁流变器件的整体性能和可靠性比材料研究本身显得更为重要，发生在其中的摩擦磨损和边界润滑问题是对磁流变技术进入商业化过程最大的挑战，关于磁流变液的摩擦学性能也正逐渐引起研究者的重视。

1 磁流变液与电流变液的摩擦学性能比较

电流变效应与磁流变效应均发生在某种悬浮液中，它们分别在外加电场或外加磁场的作用下，均能够产生液-固两相的相互转换，这种效应使它们具有广泛的工程应用前景。与磁流变液相比，电流变液抗剪切屈服强度较低，对普通污染物（如水）敏感，且需要高电压，工作温度范围较窄，因而限制了它的应用[19]，因而自20世纪90年代初以来磁流变液又重新引起研究者们的兴趣。

但是，在电磁流变液器件应用过程中，由于悬浮相颗粒会引起运动部件的磨损，如在液压动力系统中，电流变液中的导电颗粒会使泵的叶片微观切削和磨损增大，这将会引起润滑剂泄漏和系统的性能下降[20]。在摩擦学性能方面，Lingard等[21-22]首次研究了电流变液的边界润滑特性，并与Shell Tellus 46 润滑油对比，指出电流变液在工程应用中可能会带来严重的磨损问题，所以在设计电流变液时，其摩擦磨损性能不容忽视。之后，Park等[23]通过实验研究了电流变液的磨损和边界润滑特性。

Choi等[20]研究了零场条件下含磷淀粉基电流变液的摩擦磨损问题，结果表明电流变液在摩擦一段时间后表现出稳定的摩擦磨损性能，但与基液硅油相比磨损率增大。Wong等[24]通过环块磨损实验，研究了无场作用下磁流变液的边界润滑性能。与电流变液相比，磁流变液表现出较好的摩擦学性能，但劣于基液，这可能是由于其中含有润滑添加剂的缘故。

从上述研究发现，电磁流变液的摩擦磨损性能均较差，但由于电流变效应对表面活性剂和润滑添加剂较为敏感，从而限制了通过添加润滑剂改善其摩擦性能的可能性。相反，磁流变液则可以通过选择合适的摩擦改进剂来改善边界润滑条件下的摩擦学性能。

2 磁流变液与磁流体的摩擦学性能比较

磁流体是由超顺磁性的纳米颗粒、表面活性剂和基液3个部分组成的，同磁流变液一样，都是一种液态磁性功能材料，既有固态磁性材料的磁性能，又有液态材料的流变性。所不同的是，磁流变液中的磁性颗粒尺寸为微米级，磁饱和强度较高。目前的研究表明[25-29]，磁流体是一种新型的润滑剂，与常规润滑相比较，在外加磁场作用下，磁流体不但能准确地充满润滑表面，实现连续润滑，而且在润滑过程中，既能抵消重力与向心力的作用，又不易泄漏和防止外界污染，改变了以往的润滑方式。磁流体作为新颖的润滑剂，其中的磁性颗粒大小只有5～10 nm，比滑动表面的粗糙度小得多，一般不会引起磨损。而在磁流变液中，由于磁流变液中颗粒粒径分布较宽，较大颗粒的存在可能是其摩擦性能较差的原因。

在磁性液体密封方面，磁流变液密封具有其它密封形式无法比拟的一些优势，如密封性能好、密封耐压能力高、摩擦功率损耗小、寿命长等[30]。Kordonsky[31]通过实验研究了旋转轴以MRF为密封介质的单级密封技术，实验所用的磁流变液密封环可承受的最大压力为180 kPa，是铁磁流体的3倍，随着MRF 在磁场中受到剪切作用的增大，作用在轴上的摩擦力矩也增加，因而磁流变在低速转动或静止的场合具有较高的密封效果，已在制备磁流变液的设备上得到了应用。陈征宇等[32]发现，在磁流体密封中存在磁流体摩擦功率损失，损失的这部分功率全部转化为热能，导致密封区域出现温升，从而严重影响了密封处的承压能力。

总体而言，与磁流体相比，磁流变液黏度的可控范围要高两个数量级，而摩擦磨损性能则较差，因此在设计磁流变液时，不仅要考虑颗粒的磁性能，还要兼顾其粒径分布对摩擦学性能的影响以及磁流变液摩擦温升问题。

3 磁流变液的摩擦学研究

3.1 第Ⅰ类接触型

对磁流变液的摩擦学研究最早可追溯到1989年，在第二届国际电流变会议上，Lingard和Bullough 就告诫从事电、磁流变液领域的研究者，在设计磁流变液和电流变液时，不要忽略它们的润滑性能。结合这几年来磁流变液实验研究与应用，本文作者将磁流变液的摩擦学问题分为接触和非接触型两种类型：一类为边界润滑条件下两摩擦副相互接触，如器件的密封、轴承等处，而磁流变液作为润滑介质的摩擦学研究；另一类是磁流变液工作条件下自身与器件壁面（工作面）共同构成一对摩擦副的摩擦磨损行为研究，如磁流变抛光、传动等。

磁流变液的工作间隙一般为1～3 mm[33]，是磁性颗粒粒径的上百倍，流体的静压作用较小，而在磁流变器件中相互滑动的两接触表面摩擦间隙远小于颗粒粒径，流体动压润滑条件也不再适用。如在滚珠轴承工作时，颗粒一旦进入摩擦区域，随之而来的摩擦磨损问题将会是工作环境恶化。一般来说磁流变器件中大多数相互接触的滑动表面是在无场或弱磁场条件下运行的，因而目前多数研究集中在零场条件下的磁流变液边界润滑方面。

传统的边界润滑通常在摩擦区域会遇到少量的磨屑，而在磁流变液中相对较软的磁性颗粒含量较高（10%～70%），这将使润滑区域的摩擦磨损问题变得复杂，需要考虑更多的变量因素，如压力、滑动速度、粒子浓度、表面粗糙度、摩擦副材料以及基液类型等。Wong和Bullough等[34-37]在这方面做了大量基础性和探索性的工作，采用环块摩擦副考察了无场条件下粒子浓度、试验参数等对磁流变液摩擦磨损性能的影响。Sohn等[38]利用销盘摩擦磨损试验机，选用铝、铜和钢摩擦副考察了磁流变液在不同实验参数下的摩擦因数和磨损率。Iyengar等[39]提出了一种密封磨损试验方法，模拟磁流变减震器的密封磨损问题，指出在普通减震器上密封良好的密封材料并不一定适用于磁流变减震器的密封。刘奇等[40]用四球机法测量了羰基铁/矿物油体系磁流变液的润滑性能，发现颗粒的晶体结构、基础油类型、表面处理和表面形态对磁流变液的摩擦性能影响很大，而且加入固体润滑材料可以大大地改善其润滑性能。

以上研究均是在无磁场条件下进行的，此时磁流变液中的磁性颗粒无规则地悬浮在载液中，而在磁场作用下，磁性颗粒被极化，呈链状排列，磁流变液的黏度将发生很大的变化，使得磁流变液在有磁场下的摩擦状态与无磁场时有明显不同。因此进行有磁场条件下磁流变液的摩擦性能研究，有益于系统地掌握磁流变液摩擦学性能，为更好地指导工程应用提供依据。Song等[41]利用销盘摩擦磨损试验机考察了磁场作用下磁流变液的摩擦磨损行为，实验结果显示与零场下相比，磁场作用下的磁流变液表现出更好的摩擦学性能。Lee等[42]在磁流变液中加入摩擦改进剂，利用四球磨损试验机和SRV（linear-oscillation）试验机研究了零场下摩擦系数和磨斑的变化情况，并利用销盘试验机比较了商用磁流变液与自制磁流变液在磁场下的摩擦学性能。

晏华等[43-47]利用四球摩擦副研究了磁流变液在不同磁场作用下的摩擦磨损性能，并研究了各组分对磁流变液摩擦学性能的影响，结果表明，外加磁场时磁流变液的摩擦系数随磁场强度的增加而增大，而且具有可逆性，并提出磁流变液作为摩擦可控的润滑介质显示了突出的特点。外加磁场作用使磁流变液的黏度升高，导致摩擦副间磁流变液油膜厚度和强度的变化，在理论上满足摩擦主动控制对润滑介质的要求。

由于磁流变液在滑动接触区域的摩擦磨损行为比较复杂，不同的实验方法以及实验条件得到的结果不尽相同，甚至相反。目前认为羰基铁磁流变液的磨损机理是典型的三体磨粒磨损，在摩擦过程中磁性颗粒嵌入摩擦表面发生犁沟效应，使摩擦表面出现不同程度的沟槽，即微观切削过程，当羰基铁颗粒嵌入金属软表面后，发生磨粒磨损，同时也产生黏着磨损。

器件中磁流变液不仅要作为一种磁性功能液体，发挥磁流变效应，还要对运动部件实施润滑。但是与传统固体润滑剂干粉通过表面的黏附或颗粒的变形承载和低剪切应力实现润滑的方式不同，磁流变液中悬浮相通常是铁粉，对于常用的铁磁性颗粒，属于强黏附材料，剪切强度较高，若能通过表面改性等化学处理，使磁性颗粒成为一种高剪切强度、高硬度的固体颗粒材料，通过硬质、不黏附的微球形颗粒的碰撞、弹性变形、滑滚实现润滑[48-49]，可能是实现磁流变液自润滑的一种方法。当然使用处理后的高硬度颗粒的前提是它产生的磨粒磨损远远小于不使用时摩擦副可能产生的磨损。

3.2 第Ⅱ类非接触型

在实际应用中，磁流变液常常在极端条件下工作，并且运行时间较长。如蔡永飞等[50]从理论上得出了磁悬浮轴承中磁流变液阻尼器支承刚度在104～105N/m 之间、阻尼在700 N·s/m 附近时效果最好的结论；美国Lord 公司制造的旋转式制动器已用于自行车式和台阶登攀式健身机，其外径为92 mm，最大耗散力矩为7N·m，最大转速为1000 r/min，可把最大机械功率700 W 转变为热能[51]；应用于重载卡车和汽车座椅上的RD-1005-3型阻尼器[52]，在极限工作条件下其剪切速率高达2×105s-1。以上种种严酷的工况条件对磁流变液及其器件的服役性能、耐久性能也提出了较高要求。

Ulicny等[53-54]进行了一系列磁流变液的耐久性试验。基于磁流变离合器，样品在磁场作用下连续或接近连续服役了108 h和500 h，实验分析和表征了磁流变液在服役前后载液组分和铁粉的化学变化。结果表明，载液PAO的分子质量有所降低，最终导致传动力矩降低。实验记录了离合器的温度变化情况，其平均温度范围在150～200℃，最高可达250℃，这也间接反映了磁流变液的内部高温环境。由此可知，磁流变液的摩擦温升问题不容忽视。美国Lord 公司的研究人员[18]在RD-1005 型卡车座椅阻尼器上进行了寿命试验，研究发现磁流变液在进行60万次工作循环后，纳米级的颗粒增多，其零场黏度增大为原来的2.5倍（in-use-thickening），这将不利于阻尼器有效实现震动的半主动控制。以上研究表明，磁流变液在极端条件下长时间工作失效，其原因与颗粒的耐磨性以及摩擦温升有关。在磁场作用下，磁流变液形成链状结构，屈服强度增长的同时也导致了黏性发热作用增强，颗粒表面发生氧化磨损，脆性表层剥落，磁性颗粒之间由于剪切、挤压、蠕动作用，相互磨损、碰撞，颗粒间的相互作用力使之碎裂为纳米级的颗粒，这些少量的纳米颗粒与微米级颗粒共同作用使磁流变液零场黏度增大，从而对其流变性能产生影响，同时也会对器件壁面产生冲刷磨损。

在磁流变抛光领域，高强度的梯度磁场作用下的磁流变抛光液变硬，成为具有黏塑性的Bingham介质，当这种介质通过工件与运动盘形成的很小空隙时，对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件表面的材料被去除。Sidpara等[55]设计实验装置，实时测量了磁流变抛光过程中工件表面的法向力和切向力的大小，考察了实验参数对抛光效果的影响。Seok等[56]通过实验研究了抛光过程中的MRF 摩擦学特性，指出磨料磨损是主要的磨损机制，并提出一个材料去除率的半经验模型来描述磁流变液的摩擦学行为。磁流变抛光过程可以认为是在外加磁场的作用下，磁流变液在抛光区内变硬成为类固体的“小磨头” 代替散粒磨料抛光过程中的抛光盘，这个“小磨头”的形状和硬度可以通过控制磁场强度来实时控制，因此研究磁流变抛光的影响因素及磨损机理，实现基于磁流变效应的磨损主动控制，对工件表面进行有选择性地去除，从而对元件进行确定性加工，具有重要的学术价值和工程意义。

田祖织等[57]采用实验方法分析了不同壁面材料、表面粗糙度大小、壁面形貌、滑差转速及工作间隙对磁流变传力性能的影响规律。研究表明，提高壁面材料的磁导率和壁面材料粗糙度有利于提升磁流变传动装置的传力效果。Costa Eduarda等[58]考虑磁流变液和磁流变器件壁面间的摩擦力，建立了描述磁流变液阻尼器行为的一个连续的机电转化模型公式，并在固定负荷和外加磁场条件下对模型进行了检验。通过实验数据和模型得到壁面间的摩擦系数和磁流变液的磁导率，证实了该模型的有效性。Kevin Molyet等[59]利用平行圆盘式流变仪测试了磁流变液在强磁场作用下以恒定速率长期剪切时的流变性能，并指出提高壁面的粗糙度可增强磁流变液在高速剪切条件下的稳定性。上述研究结果表明，提高工作面粗糙度，增大界面间的摩擦阻力，可增强在高速剪切作用下磁流变液的输出力矩，避免出现壁面滑移现象，使磁流变效应得到充分发挥，这对于磁流变传动有着重要意义。与此同时，也应考虑到长期工作下磁流变液对工作面的抛光作用对其粗糙度的影响。

此外，Li等[60]利用静态和动态模型研究颗粒间摩擦力对磁流变液性能的影响，实验结果表明磁流变效应是由两个因素决定的：磁力因素和摩擦力因素。到目前为止，磁力因素对磁流变效应的影响已进行了深入的研究，而摩擦力因素却没有得到重视，研究提出了一种数值上准确计算摩擦力对总磁流变效应贡献大小的方法，并指出提高颗粒表面的摩擦系数是增强MRF的磁流变效应的有效方法。李海涛等[61]基于磁力学理论，通过分析磁化链中杆形颗粒的受力，包括磁力、压力、摩擦力及磁场对颗粒的力矩等，建立了磁流变液的剪切屈服应力模型，并和球形颗粒磁流变液加以对比，发现杆形颗粒磁流变液具有更高的屈服应力。通过分析摩擦和颗粒尺寸的影响，发现增大颗粒摩擦系数和颗粒细长比能有效提高该磁流变材料的剪切屈服应力。MRF的最大剪切强度与颗粒的磁饱和度成正比，所以具有高屈服应力的MRF 需要以磁饱和度高的材料作为分散相。又由以上研究可知，如果提高颗粒表面的摩擦系数，MRF的剪切应力也将得到提高，而当颗粒表面包裹一层低摩擦系数的材料后，将会减弱磁流变效应。综上，若对颗粒进行预处理，寻找合适的材料联结到颗粒上或者提高颗粒摩擦系数，可以增强磁流变效应。

4 结语和展望

磁流变液由于其独特的磁流变效应、优良的可控性能，发展较快，具有很大的发展前景，得到各国专家学者的广泛重视和研究。尤其是近年来，磁流变液在材料性能及应用等方面均取得了突破性的进展。但是，磁流变液的摩擦学研究还不够深入，摩擦学行为比较复杂，仍然有大量的应用和摩擦理论上的难点有待克服，而当前的研究尺度还比较单一，同时试验研究相对较少，不能有效反映磁流变液在实际工况下的摩擦学行为。在宏观上还需要研究承载特性、摩擦系数、温度特性等，在微观尺度上需要研究颗粒团聚、粒径分布、摩擦副表面破坏以及颗粒碰撞、变形和颗粒破裂等对磁流变液摩擦学性能的影响。因此，如果能够通过系统的摩擦学研究，建立起针对磁流变液这种悬浮体系的、可指导应用的摩擦学理论，指导磁流变装置设计与主动控制，提高磁流变液的服役性和耐久性，相信磁流变技术必将在工程中得到更广泛应用。针对磁流变液摩擦学研究现状，本文作者对磁流变液的摩擦学研究从以下几方面进行了展望。

（1）针对磁流变液的摩擦特性，模拟实际工况，设计摩擦磨损装置对其边界摩擦磨损行为进行更为全面的研究，如建立有场下的面摩擦检测平台，探索将磁性颗粒磨破导致磁流变液失效时的工况条件，预测磁流变液在真实服役工况条件下的使用寿命，分析摩擦磨损机理，并建立磁流变液的摩擦学评价指标。结合磁流变液的实际工作情况，建立有场下磁流变液的本构方程模型，对磁流变液的流变性能进行深层次研究，以寻找磁流变液的流变性能与磁性颗粒间摩擦性能之间的关系以及颗粒包覆物对流变和摩擦性能的影响，建立流变与磨损关系的定量实验模型，为开发高性能的磁流变液、实现主动控制提供指导。

（2）在磁流变液设计方面，要兼顾其摩擦性能，选择合适的基液和摩擦改进剂来改善其润滑性能，对磁性颗粒进行预处理，提高其耐磨性，实现磁流变液的“自润滑”。如岳恩等[62]对磁流变液悬浮相铁粉的表面进行镀镍和渗氮处理，结果发现镀镍和渗氮可以提高铁粉的抗氧化性，并且渗氮处理后提高了磁流变液的耐磨性。设计磁流变液耐久性试验，针对服役特点科学地确定磁流变液的摩擦性能测试内容、测试步骤以及数据表征的内涵和可置信度，考察磁流变液在长时间工作条件下的服役性能。在磁流变装置设计和主动控制方面，不仅要考虑磁流变液对装置壁面的摩擦磨损，还应注意摩擦温升对器件稳定性和可靠性的影响。

（3）利用外场作用来改变摩擦学系统的摩擦力或摩擦系数，实现摩擦主动控制中可控和可逆的目的，一直是人们关注的问题。磁流变液的摩擦系数随磁场可改变的特性为实现可控摩擦提供了新的思路。在外加磁场作用下，磁流变液的黏度升高，导致摩擦副间磁流变液油膜厚度和强度的变化，这样在润滑时流体之间的摩擦力也将发生变化，从而影响总的摩擦力和摩擦系数。外磁场对磁流变液黏度的影响，实际上是外磁场对磁性固相颗粒产生的力矩作用的结果，这种作用于固相颗粒上的磁力矩将通过黏性传递给基载液，从而造成铁磁流体宏观黏度的改变，提高了润滑介质的承载能力。在需要主动控制摩擦的场合，通过采用改变磁场强度的方法可以使摩擦系数进行适时调整变化，这表明了用磁控的方法改变机械运动副的摩擦是有应用前景的。因此，通过有场、无场和强化磁场条件下磁流变液的摩擦磨损特性研究，寻找外磁场下磁流变液摩擦系数的变化规律，探究基于磁流变效应的摩擦主动控制，可能具有更为明确的学术价值和工程意义。

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