磁流变液工程应用综述

吴坡　杨书根　华秋杨　颜杭

摘 要：磁流变液作为一种智能材料，以其响应快、操作简单、控制精确等优良特性，已成为智能材料发展的一个重要分支。本文综述了磁流变液的研究现状及其在工程上的部分应用，对其发展前景进行了展望。

关键词：磁流变液 综述

Review of the Magnetorheological Fluid Engineering Application

Wu Po Yang Shugen Hua Qiuyang Yan Hang

Abstract：Magnetorheological fluid， as a kind of smart material， has become an important branch of smart material development due to its excellent characteristics such as fast response， simple operation and precise control. This article summarizes the current research status of magnetorheological fluids and some of their applications in engineering， and the most active prospects for their development.

Key words：magnetorheological fluid， review

1 引言

磁流变液（MRF）是一种具有良好发展前景的智能材料。在无磁场的情况下，表现出良好的液体流动特性;在强磁场中，它会迅速（毫秒级）地变为固体，当去掉外部磁场后，它又会变成液体。这种液-固-液转换过程速度快、能耗低、且易于控制，推动其成为智能材料发展的一个重要分支，广泛应用于汽车、机械、航天、建筑、仪器仪表、精密加工、控制工程等领域。

2 磁流变效应

由于磁流变过程响应速度快、可逆可控，可以解决一些传统材料无法解决的动力响应问题，磁流变液的社会关注度越来越高。

磁流变液的种种优良特性给各行各业带来惊喜的同时也带来一系列的问题，即磁流变机理缺乏准确的技术说明，这也就意味着磁流变液的制备和应用没有准确的技术参数做支撑。而现今对磁流变效应现象的解释多采用磁畴理论，即把磁性颗粒当成磁性单元体，邻近单元体间通过强交换耦合作用致使粒子磁矩成列，逐渐产生磁化饱和区域，即磁畴。在零磁场时，单个磁畴内的粒子磁矩方向具有统一性，不同磁畴内则不同，这样能够保证系统达到稳定状态，此时粒子不具有磁性。在有磁场条件下，粒子具有磁性并形成链状结构，磁流变机理如图1所示。

3 磁流变液的应用

3.1 精密零件加工

在一些技术领域，对平面工件的精度要求在纳米级，大多数抛光装置难以满足精度要求，而能够达到精度要求的装置，其抛光过程难以控制。磁流變磨料流精加工（MRAFF）系统将磨料颗粒与磁流变液（MRF）混合，其控制装置由一对外部电磁铁组成，不仅解决了加工精度问题，而且使抛光过程可以通过外部装置进行控制。如图2所示。

装置如图2所示，其中1-电磁铁;2-固定装置;3-抛光液;3（b）-磁性粒子;3-磨粒;4-工件;5-活塞;6-液压控制单元。抛光系统中的液体是磨料颗粒和磁流变液的混合物，磨粒总是非磁性的（如SiO2）。在磁场作用下，磁性颗粒沿磁力线方向分布，研磨剂嵌入磁链中，形成体心立方结构（如图3所示）。当该结构与工件表面接触时，磁链顶住磨粒形成柔性磨头，多层柔性磨头形成像刷子一样的结构，该柔性刷进而对工件表面进行抛光。一方面，柔性刷具有粘弹性，所以在加工过程中不会损坏工件表面;另一方面，只要液压单元工作，对工件表面的抛光就会一直持续，最终得到表面均匀、高精度的工件;最后，由于体心立方结构是按照磁力线分布的，这样就使自由磨料颗粒均匀稳定地分布在工件表面，这是传统磨料加工工艺所不能做到的。

3.2 磁流变液阻尼器

如图4所示，MRF有三种工作模式，分别是剪切模式、挤压模式和压力驱动模式。

MRF阻尼器是利用磁流变液的压力驱动方式，一般用作减震缓冲装置。MRF阻尼器具有输出量大、能耗低、响应速度快和连续的性能特点，广泛应用于车辆、机械施工和医疗领域。

MRF阻尼器的结构如图5所示，其中：1-缸体，2-阻尼通道，3-磁流变液， 4-线圈，5-磁通，6-活塞，7-活塞杆。工作时，通电线圈产生的磁场作用在磁流变液上，磁流变液在外加磁场作用下形成链状结构，甚至可能形成复杂的王各庄结构。链结构的物质是磁化粒子，其运动基本上与磁力线方向基本一致。活塞的运动导致其与缸壁之间形成压力差，该压差作用在活塞上，产生一个阻尼力，这个力可以通过调节磁场强度来控制，从而达到不同的减震缓冲效果。

3.3 磁流变液制动器

制动器的主要作用是使机器或机械装置减速或停止，是保证机械装置正常工作的重要安全部件，磁流变液制动器是剪切模式的应用。与传统制动器相比，MRF制动器具有制动力可控;振动、冲击和噪声很小;响应速度快;使用寿命长;能耗低，结构简单等特点。MRF制动器通常有三种形式，如图6所示，分别为：盘式、柱式和锥式。

图7为盘式MRF制动器的结构图，其中：1-驱动轴，2-制动盘，3-线圈，4-磁通，5-磁流变液，6-壳体，7-轴承。无制动效果时，制动盘与驱动轴同步旋转，此时线圈不通电，MRF为牛顿流体，MRF的粘性力产生的制动力矩几乎为0。线圈通电时，电流产生磁场，在磁场的作用下，磁流变液的磁粒子沿磁场方向相互吸引形成链式结构，使磁流变液从液体变为固体，增加剪切应力并对制动盘产生扭矩，从而使制动盘与驱动轴的转速降低直至停转。

4 结论

为了使磁流变液在工程中得到广泛应用，磁流变液必须稳定可靠，但在实际应用中仍存在许多问题，其中最大的问题是沉降的稳定性，即如何使磁流变液不变质。MRF的三种工作模式，其中剪切模式（应用于制动器、离合器）和压力驱动模式（应用于阻尼器）的相关装置正在逐步进入市场，而挤压模式的研究进展缓慢。随着时代的进步科学技术的发展，相信磁流变液材料的应用也悔越来越成熟广泛，智能材料也会为人类社会的发展进步做出更多贡献。

基金项目：2020年省级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：ycgy2020012

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