磁流变液的研究与应用

张小丹　邢闪闪　郭庆

摘 要：磁流变液是一种重要的智能材料。介绍了磁流变液的组成和特性，综述了目前磁流变液的国内外研究现状，说明了磁流变液在阻尼器、离合器和抛光方便的应用优势，最后对磁流变液未来的前景作了展望。

关键词：磁流变液；磁流变阻尼器；磁流变离合器；磁流变抛光

磁流变液（MAgnestorheologicalFluids）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.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。

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。

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。

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，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。

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。

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。

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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