磁流變液的研究與應用

張小丹　邢閃閃　郭慶

摘 要：磁流變液是一種重要的智能材料。介紹了磁流變液的組成和特性，綜述了目前磁流變液的國內外研究現狀，說明了磁流變液在阻尼器、離合器和拋光方便的應用優勢，最后對磁流變液未來的前景作了展望。

關鍵詞：磁流變液；磁流變阻尼器；磁流變離合器；磁流變拋光

磁流變液（MAgnestorheologicalFluids）是一種主要由載液、高導磁低磁滯的磁性顆粒和添加劑等構成的新型可控流體，是當前智能材料研究的一個重要分支。

1.磁流變液組成及特性

磁流變液由3部分組成：載液（如礦物油、硅油等），可磁化分散懸浮相顆粒，添加劑等懸浮相顆粒具有高飽和磁化強度、低矯頑力，通常由具有確定粒度分布的單質Fe、Fe3O4粉體構成，其表面一般經過化學方法處理，以提高工作時的耐久性。載液一般選用礦物油、硅油、聚α烯烴、水等非極性或極性介質。分散劑包括不同類型表面活性劑、偶聯劑及觸變劑等，能對懸浮相、載液進行兩親性和結構化處理，主要解決懸浮相在載液中的分散穩定性問題。磁流變液一般采用機械球磨法制備。

目前對于磁流變效應工作機理的解釋是：在無磁場作用時，懸浮相粒子懸浮于母液中呈隨機分布，表現為線黏性牛頓流體。當施加外磁場作用后，粒子表面出現極化現象，形成磁偶極子，磁偶極子沿外磁場方向結成鏈狀、簇狀結構，具有一定的抗剪切屈服應力。同一條極化鏈中各相鄰粒子之間的抗剪切屈服應力會隨外加磁場強度的增強而增加。當磁場增大至一定程度時，磁偶極子相互作用增強，此時磁流變液便呈現類固體特性。磁流變液的屈服應力值隨外加磁場強度的增加而增加，但當達到某一飽和值后，磁流變液的力學性質基本不變，即達到了飽和磁場下的動態屈服應力，對外呈現出非牛頓流體的特性。

2.磁流變液研究現狀

磁流變液憑借自身的可控特性，成為世界各國學者研究的熱點。國外目前研究較多的國家主要有美國、德國、日本、白俄羅斯和韓國等，其中美國處于技術領先水平，特別在工程化應用發面。美國lord公司在研制磁流變液及相關產品方面一直為世界所矚目，其磁流變液年產量達到數百噸，并且與其他公司合作開發了大量磁流變減隔振器件，由其制造的減隔振器、離合器等器件的數量超過10萬件，預計今后每年都會以成倍的速度遞增。該公司產品已在Cadillac系列轎車磁流變懸架控制系統、磁流變風扇離合器、火神系列火炮、土木工程、飛行器、直升機、微機械、智能拋光技術等民用和軍用領域得到成功應用。美國Delphi公司利用磁流變液研制了汽車動力系統橡膠磁流變復合隔振器，該器件阻尼大，實現了實時調節阻尼比和動態剛度，在整個相關頻率范圍內保持對懸置系統上的動力總成的控制，從而避免系統出現共振堆積。除顯著降低動力總成噪音及振動外，這種新懸置系統還能提高車輛性能及穩定性，幫助減小由停車—起步等操作中產生的扭矩突變問題對乘客的影響。法國的P.jean等將磁流變（MR）技術加入到STEWART平臺內用于隔振，取得了一定效果。

與國外的研究相比，國內對磁流變材料及產品的研究與應用起步相對較晚。我國自然科學基金委員會曾先后資助部分研究機構和大學開展磁流變材料及其相關技術的研究。目前我國在磁流變流變機理、裝置開發、動力建模、控制策略及工程應用方面取得了一定的進展，已有數十家科研機構從事磁流變技術研究，有些已經應用于實際工程中，具有良好的工程應用前景，重慶材料研究院是國內少數研制磁流變液的機構之一，其研制的磁流變液主要技術指標已接近國外產品水平，并提供給國內數十家機構進行產品研究開發。同時該院也涉足磁流變產品的開發，研制的橋梁拉索抗風振阻尼器已成功用于重慶外環觀音巖大橋，效果良好。

3.磁流變液的應用

3.1磁流變阻尼器

機械、建筑某些結構的振動，特別是來自于各種擾動過程中的載荷，嚴重地影響了結構的可靠性和精確度，也導致結構的損傷與斷裂，嚴重地威脅設備的正常運行，縮短設備使用壽命，造成安全隱患。因此，結構自適應控制成為設計制造的關鍵問題。磁流變液在結構振動抑制方面的應用主要是利用磁流變液的黏度和剪切屈服應力能隨磁場迅速、可逆變化這一力學特性，制成一種易于控制、連續可調的阻尼介質，為結構振動抑制研究提供了一種新的途徑。

3.2磁流變離合器

普通離合器接合時嚙合主、從動元件之間一般會不可避免地會產生相當大的沖擊載荷，從而引起沖擊和噪聲，對整個器件的精密性和穩定性有著不良得影響，會造成了一系列損失。而根據磁流變效應設計的磁流變離合器，依靠主、被動元件之間工作介質磁流變液來傳遞動力。工作時通過調整施加的外磁場可改變磁流變液的黏度和剪切屈服應力，從而調整了主、被動元件之間傳遞的力或力矩，是一種新型實用的離合器。磁流變離合器很好利用了磁流變液的“液——固”間的瞬時可逆變化特性，巧妙避免了普通離合器的缺點。同時磁流變離合器還具有結構簡單、操作方便、無磨損、噪聲低、響應快、無級可調和工作可靠等許多優點，是一種較為理想的離合器件。

4.結束語

目前磁流變液研究報道較多，磁流變技術的研究也取得了深入的進展，其工程應用已經引起了各國專家學者的興趣，但國內迄今為止仍未實現磁流變產品的大規模商品化。磁流變技術從實驗室走向實際工程應用時面臨很多苛刻、復雜的環境，特別是需要解決長期服役可靠性問題。磁流變技術研究涉及到材料、測試評價技術、工程科學等眾多學科和領域的交叉，需要更多相關單位以及從事相關領域的專家聯合研究，由工程應用的專家提出材料性能要求，材料專家按照其要求研制磁流變液材料，并對使用過程中發現的問題提出改進意見，再由材料專家對磁流變液材料進行改進，提高綜合性能。如此多次循環，形成良性互動，才能研制出滿足工程應用的高性能材料和器件。隨著磁流變技術研究的進一步深入以及磁流變液穩定性、耐久性研究的突破進展，磁流變技術必將在眾多領域中得到廣泛的應用。

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