磁流变液的研究与应用

唐 龙，卢利平，岳 恩，罗顺安，张 平

(1.重庆材料研究院有限公司，重庆 400707;2.国家仪表功能材料工程技术研究中心，重庆 400707)

磁流变液(magnetorheological fluids，MRF)是一种主要由载液、高导磁低磁滞的磁性颗粒和添加剂等构成的新型可控流体，是当前智能材料研究的一个重要分支［1－2］。在磁场作用下，磁流变液在毫秒级的时间内可连续、可逆地转变为具有高黏度、低流动性的Bingham流体，表观黏度能增加2个数量级以上，具有类似固体的力学性质，此效应被称为磁流变效应(MR effect)［3］。而当撤去外加磁场时，磁流变液又恢复良好的流动性。根据磁流变液这种连续、可逆、易控和响应迅速的特点，可用来制成计算机控制系统与机械系统之间的联接装置，具有简单、安静而且响应迅速的特点［4］。磁流变液有着巨大的应用前景，可用于许多重要工程和尖端技术领域。磁流变技术涉及到众多学科，如材料科学、流体学、高分子化学、力学、计算机、自动控制及机械等，磁流变技术的发展将带动相关技术的进步。磁流变液还可以解决一些工程中目前难于解决的实际问题，近年来受到了西方各发达国家的高度重视，投入了很大的财力和物力开展这方面的研究［5］。

19世纪40年代，瑞士的Rabinow最早发明了磁流变液，并开发了磁流变离合器应用装置［6］。磁流变效应的发现与电流变效应的发现时间相近。当时人们在实验过程中，向低黏度、绝缘的油中加入某些可磁化的分散性半导体微粉，在磁场作用下发现流体的黏弹性会发生显著改变。但后来大多数研究电磁流变技术的科技人员把主要精力放在电流变技术的开发与应用上，磁流变技术长期未被人们所重视，致使磁流变技术的发展一直落后于电流变技术。直到最近几十年，由于磁流变液在力学方面的优势，人们对发展磁流变技术又重新产生兴趣，并取得巨大的进展［7－8］。据预测，目前已经有超过一万种磁流变产品，包括磁流变阻尼器、减振器、离合器等在实际中应用，未来10年将会有超过100万个磁流变产品应用于具体工程中［9］。我国对磁流变技术的研究开始于20世纪90年代。最近几年，国内对于磁流变液的研究取得了很大的进展，在液体制备和应用方面的研究已经取得了很多成果。

1 磁流变液组成及特性

磁流变液由3部分组成:载液(如矿物油、硅油等)，可磁化分散悬浮相颗粒，添加剂等［10］。悬浮相颗粒具有高饱和磁化强度、低矫顽力，通常由具有确定粒度分布的单质Fe、Fe3O4粉体构成，其表面一般经过化学方法处理，以提高工作时的耐久性。载液一般选用矿物油、硅油、聚α－烯烃、水等非极性或极性介质。分散剂包括不同类型表面活性剂、偶联剂及触变剂等，能对悬浮相、载液进行两亲性和结构化处理，主要解决悬浮相在载液中的分散稳定性问题。磁流变液一般采用机械球磨法制备［11］。

目前对于磁流变效应工作机理的解释是:在无磁场作用时，悬浮相粒子悬浮于母液中呈随机分布，表现为线黏性牛顿流体。当施加外磁场作用后，粒子表面出现极化现象，形成磁偶极子，磁偶极子沿外磁场方向结成链状、簇状结构，具有一定的抗剪切屈服应力。同一条极化链中各相邻粒子之间的抗剪切屈服应力会随外加磁场强度的增强而增加。当磁场增大至一定程度时，磁偶极子相互作用增强，此时磁流变液便呈现类固体特性。磁流变液的屈服应力值随外加磁场强度的增加而增加，但当达到某一饱和值后，磁流变液的力学性质基本不变，即达到了饱和磁场下的动态屈服应力，对外呈现出非牛顿流体的特性［12］。

2 磁流变液研究现状

磁流变液凭借自身的可控特性，成为世界各国学者研究的热点。国外目前研究较多的国家主要有美国、德国、日本、白俄罗斯和韩国等，其中美国处于技术领先水平，特别在工程化应用发面。美国lord公司在研制磁流变液及相关产品方面一直为世界所瞩目，其磁流变液年产量达到数百吨，并且与其他公司合作开发了大量磁流变减隔振器件，由其制造的减隔振器、离合器等器件的数量超过10万件，预计今后每年都会以成倍的速度递增。该公司产品已在Cadillac系列轿车磁流变悬架控制系统、磁流变风扇离合器、火神系列火炮、土木工程、飞行器、直升机、微机械、智能抛光技术等民用和军用领域得到成功应用。美国DELPHI公司利用磁流变液研制了汽车动力系统橡胶磁流变复合隔振器，该器件阻尼大，实现了实时调节阻尼比和动态刚度，在整个相关频率范围内保持对悬置系统上的动力总成的控制，从而避免系统出现共振堆积。除显著降低动力总成噪音及振动外，这种新悬置系统还能提高车辆性能及稳定性，帮助减小由停车－起步等操作中产生的扭矩突变问题对乘客的影响。法国的P.Jean等将磁流变(MR)技术加入到Stewart平台内用于隔振，取得了一定效果［13］。美国Virginia大学利用磁流变液研制了磁流变橡胶复合隔振器，具有隔振参数可调的特性，在宽频范围内具有优良的隔振效果和抗冲击性能。除隔振装置外，该大学还研制了火炮磁流变抗后坐装置，降低了抗后坐装置的质量，起到了良好的抗后坐效果。美国学者已经系统研究了磁流变器件在建筑结构振动控制中的应用，建立了磁流变隔振的非线性模型，提出了基于加速度反馈的clipped-Optimal控制策略，并针对钢框架结构进行磁流变控制的振动台试验研究。结果表明，磁流变半主动控制效果比被动控制效果好得多，且控制效果总是稳定的［14］。Aldemir仿真分析了磁流变隔振在简谐载荷、脉冲载荷、人工地震动及实际地震动的作用下对单自由度结构振动的控制效果。结果表明，在这些载荷的激励下，磁流变隔振器对此结构的控制效果非常好，优于传统隔振系统［15］。日本 SanwaTekki公司将磁流变技术用于建筑结构减震，并于2001年在日本东京国家新兴科技博物馆使用磁流变器件用于地震反应控制，在以后的几年里又在多幢大楼安装了类似磁流变器件，取得良好的抗震效果［16］。美国Marathe、Pronota研究了磁流变技术对飞行器机翼的振动控制问题，利用磁流变器件有效解决了直升机旋转叶片由于飞行状态和气候变化而产生的振动问题［17］。美国军方长期资助磁流变技术的研究工作，具体内容严格保密，不为外界所知。

与国外的研究相比，国内对磁流变材料及产品的研究与应用起步相对较晚。我国自然科学基金委员会曾先后资助部分研究机构和大学开展磁流变材料及其相关技术的研究。目前我国在磁流变流变机理、装置开发、动力建模、控制策略及工程应用方面取得了一定的进展，已有数十家科研机构从事磁流变技术研究，有些已经应用于实际工程中，具有良好的工程应用前景［18－22］。重庆材料研究院是国内少数研制磁流变液的机构之一，其研制的磁流变液主要技术指标已接近国外产品水平，并提供给国内数十家机构进行产品研究开发。同时该院也涉足磁流变产品的开发，研制的桥梁拉索抗风振阻尼器已成功用于重庆外环观音岩大桥，效果良好。南京航空航天大学的周瑾等研究了磁流变隔振器与磁悬浮隔振并联后的效果，实验证明，磁流变隔振的阻尼效果明显。哈尔滨工程大学利用磁流变隔振器与传统钢丝绳复合隔振方式对船舶减振基座进行试验研究，实验表明该减振基座系统对振动响应有较好的控制效果，特别在激振载荷幅值较大、频率较低时控制作用显著，力的传递率在低频激振条件下接近于1，在高频条件下仅为0.02，隔振效率较高。哈尔滨工业大学开展了磁流变阻尼器在建筑物上的抗震研究，并提出了可调滞回模型，通过实验验证了变电流可调滞回模型的优越性，当输入简谐振动频率低于0.5 Hz、位移幅值大于8 mm时，限位性能较明显。清华大学研究了磁流变复合隔振器各种理论控制模型，实验表明其采用的半主动控制策略对隔振效果有一定的改善作用。重庆大学、西安交通大学等单位在国家自然科学基金支持下研制出了水下装置磁流变智能隔振器，应用效果良好。除隔振器外，这些单位开发的磁流变减振器已通过200万振动台架试验，并用于某些特种车辆的路试，获得了理想的减振效果，还发表了多篇研究论文，获得数项发明专利。

3 磁流变液的应用

3.1 磁流变阻尼器

机械、建筑某些结构的振动，特别是来自于各种扰动过程中的载荷，严重地影响了结构的可靠性和精确度，也导致结构的损伤与断裂，严重地威胁设备的正常运行，缩短设备使用寿命，造成安全隐患。因此，结构自适应控制成为设计制造的关键问题。磁流变液在结构振动抑制方面的应用主要是利用磁流变液的黏度和剪切屈服应力能随磁场迅速、可逆变化这一力学特性，制成一种易于控制、连续可调的阻尼介质，为结构振动抑制研究提供了一种新的途径。

车辆在行驶过程中，车身要受到巨大的冲击，这样会使车辆的底盘受到剧烈的撞击力，从而对乘客以及车上仪表等造成严重的伤害。普通的机械减振器性能单一，减振效果差，不能满足车辆在不同路况时的动态变化要求。磁流变液减振器作为一种在一定范围内阻尼力由磁场快速无级调节、结构简单、功耗小的新型阻尼可调减振器，利用磁流变液作为减振器工作液，通过施加外磁场改变磁流变液的抗剪应力和黏度，从而获得可变阻尼。

火炮等自动武器在发展过程中，威力与机动性一直是难以调和的矛盾，一个好的反后坐装置可以极大减轻火炮质量，提高机动性能。一般的火炮反后坐装置都是通过调整节流孔的流域面积来控制后坐的阻尼，以实现后坐阻尼规律变化，但这种液压装置质量大，严重影响火炮的机动性。磁流变阻尼器具有输出力大、结构简单、响应迅速、易于控制等特点，将磁流变阻尼器应用于火炮反后坐系统上，可减小后坐力或行程，抑制火炮发射时的振动，改善对火炮平稳性的控制，提火炮高精度和毁伤率，同时降低后坐质量，提高火炮机动性能，对现役火炮等武器性能的改造和提高有重要的现实意义。

3.2 磁流变离合器

普通离合器接合时啮合主、从动元件之间一般会不可避免地会产生相当大的冲击载荷，从而引起冲击和噪声，对整个器件的精密性和稳定性有着不良得影响，会造成了一系列损失。而根据磁流变效应设计的磁流变离合器，依靠主、被动元件之间工作介质磁流变液来传递动力。工作时通过调整施加的外磁场可改变磁流变液的黏度和剪切屈服应力，从而调整了主、被动元件之间传递的力或力矩，是一种新型实用的离合器。磁流变离合器很好利用了磁流变液的“液－固”间的瞬时可逆变化特性，巧妙避免了普通离合器的缺点。同时磁流变离合器还具有结构简单、操作方便、无磨损、噪声低、响应快、无级可调和工作可靠等许多优点，是一种较为理想的离合器件。

3.3 磁流变抛光

磁流变液在高梯度的可控磁场的作用下能够发生明显的磁流变效应，转变成为具有黏塑性的Bingham流体。利用这一特性，磁流变液也可应用在抛光方面。目前设计的磁流变抛光一般是通过磁流变液流经工件与抛光盘形成的微小间隙时，在磁场的作用下可形成具有很高剪切屈服应力的类固态“小磨头”对工件进行抛光。磁流变液在流出磁场区域时又能迅速恢复其流体性能，可用泵和回收装置进行循环使用。磁流变液形成的“小磨头”与工件之间形成的是力度可控的软接触，可进行柔性抛光，替代传统抛光中的散粒磨料，更好地实现对工件的精密去除。磁流变抛光相较于其它传统抛光方法具有很多优点，如可通过磁场控制、抛光效率高、剪切应力高、磨头无磨损、温度适用范围宽等，特别是通过计算机的精确控制，磁流变抛光能实现其他抛光方法难以加工的复杂光学表面的抛光。

4 结束语

目前磁流变液研究报道较多，磁流变技术的研究也取得了深入的进展，其工程应用已经引起了各国专家学者的兴趣，但国内迄今为止仍未实现磁流变产品的大规模商品化。磁流变技术从实验室走向实际工程应用时面临很多苛刻、复杂的环境，特别是需要解决长期服役可靠性问题。磁流变技术研究涉及到材料、测试评价技术、工程科学等众多学科和领域的交叉，需要更多相关单位以及从事相关领域的专家联合研究，由工程应用的专家提出材料性能要求，材料专家按照其要求研制磁流变液材料，并对使用过程中发现的问题提出改进意见，再由材料专家对磁流变液材料进行改进，提高综合性能。如此多次循环，形成良性互动，才能研制出满足工程应用的高性能材料和器件。随着磁流变技术研究的进一步深入以及磁流变液稳定性、耐久性研究的突破进展，磁流变技术必将在众多领域中得到广泛的应用。

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