磁流变液材料的性能与应用综述

杨健健，晏华，代军，张寒松



磁流变液材料的性能与应用综述

杨健健，晏华，代军，张寒松

（中国人民解放军后勤工程学院化学与材料工程系，重庆 401311）

磁流变液是一种流变特性可控的新型智能材料，具有响应快（毫秒级）、连续可调、能耗低等优良特点，在机械工程、汽车工业、精密加工、主动控制等领域具有广阔的应用前景。本文在总结近年来国内外有关磁流变液材料研究成果的基础上，分别从复杂流体、智能流体、结构流体三方面对磁流变液进行了概念界定，着重阐述了磁流变液的磁性能、流变特性、稳定性、再分散性以及摩擦学性能，分析了其中需重点解决的问题，并对磁流变液在工程中的应用进行了总结，最后从材料物理状态、结构流变学的角度对磁流变材料体系的进一步发展进行了展望。

磁流变液；胶体；流变学；稳定性

磁流变液（magnetrheological fluid，MRF）是一种新型的功能材料，它将液体的流动性和磁性材料的磁性统一在一种物质中，使之具备了很多新的物理机理和特性，也正因如此，它的制备、性能和理论研究都有着重要的科学意义。磁流变液可以在磁场作用下迅速可逆地改变其内在结构，进而改变材料的某些物理性能（如流变学、磁学、力学、光学、热学等性能），这种安静、简单、迅速变化的性质提供了电子控制和机械系统之间良好的互动关系，在各类科学研究和工程技术中能够产生新的变革，加上它的控制和调节可连续变化、不易磨损、成本低、能耗少、无污染和适用范围广等特点，因此受到人们的极大注意。国外的磁流变液及其器件的发展已由实用化研究进入商业化阶段，成功地用于重要的民用和军用领域。我国在磁流变机理、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，一些成果已经应用于实际工程中。本文就磁流变液材料性能和应用的研究状况和发展方向进行了总结和评述。

1 磁流变液的概念界定

典型的磁流变液是由微米级磁性颗粒分散于载液（油或水）中形成的悬浮液，其物理状态和流变特性能够随外加磁场的变化而发生变化：在无外磁场作用下表现为流动良好的液体状态，而在磁场作用下，黏度可瞬间增加两个数量级以上，并呈现类似固体的力学特性，一旦去掉磁场后，又变成自由流动的流体。

1.1 MRF被称为第三类复杂流体

复杂流体（complex fluid），是指混合液、悬浮液、胶体、泡沫、聚合物、液晶等，其典型特征是组成的分子大，或为不同物质组成的混合物，具有与简单流体不同的结构和特性。磁流变液的复杂性体现在系统内的固体磁性颗粒的特性决定不了悬浮液整体的物理性质，而系统整体的物理性质是由局域固体颗粒之间产生不确定性的、复杂的耦合后才体现出来的。因此，一般认为磁流变液不满足牛顿流体的运动规律，是一种同时具备固体和液体特性的特殊系统。根据流体的黏弹性行为，磁流变液又被归类为第三类复杂流体[1-2]，在应变扫描下，磁流变液的储能模量随应变的增大而减小，而损耗模量则先出现应变硬化效应，随之模量逐渐下降（weak strain overshoot），该现象与材料内部网络结构节点的破坏与重组达到平衡有关。

同简单流体相比，磁流变液中包含有具有诱导偶极磁矩的磁性颗粒，这些颗粒之间的相互作用行为是非常复杂的，可产生奇特的结构和性质变化。磁流变液的磁光实验[3]和小角度散射实验[4]表明在外磁场作用下，磁流变液出现三种分离的相，可以用磁场强度来表征。当磁场较低时，磁性颗粒或几个颗粒的聚集体相互独立地、互不相关地沿磁场方向取向，弥散在载液中的悬浮颗粒的迁徙和转动受热波动影响，是自由相；较高磁场下，颗粒相互靠拢呈有序排列，会沿磁场形成长的互不相关的细线状物，变为有序相；随着磁场的更进一步增大，有序相以长链为核心，吸收短链，使链变粗，形成固态相。ZHU等[5-7]利用神经网络理论计算出磁流变液存在3个相变磁场c1、c2、c3：①＜c1，磁流变液完全处于流体状态，固体颗粒随机分布；②c1＜＜c2，开始形成链状结构，链与颗粒共存且是随机分布的；③c2＜＜c3，开始形成柱状结构，柱与链共存；④＞c3，颗粒全部形成柱状结构。

磁流变材料中的磁性颗粒分散相会在磁场驱动下发生重组，其重组过程会对材料的宏观性能产生极大地影响，表现出典型的软物质特性（即小扰动，大响应）。对于典型的铁基磁流变液，最大的磁能密度约为0.1J/cm3，可以采用低电压驱动（所需电流仅需1～2A）。当磁场强度小于1T，即可引起磁流变液性质的显著变化。以羰基铁粉做分散相的磁流变液的屈服应力可达100kPa以上，而产生磁场强度的电压不过几十伏。美国FORD汽车公司GINDER等[8]用微米级磁性颗粒分散在磁流体中制备的磁流变液，具有较强的磁流变效应，当体积分数达到50%时其屈服应力超过200 kPa。

1.2 MRF是一类智能流体

磁流变液在磁场作用下可发生“液-固”转变，可通过调节磁场强度可实现软-硬连续可逆变化，被称之为“智能流体”。磁流变液可作为一种的能量储存与转化材料。当施加外部磁场时，磁流变液把一部份磁能储存起来，同时材料内部形成一定的空间结构，该结构促使磁流变液的许多材料常数（如流变常数、电磁常数、光学常数、声学常数等）发生显著的变化，在外界能量与材料内能发生相互转化过程中，材料便呈现出不同的能量转化特性，这种特性不但具有极高的能源效率而且还可以通过外部磁场进行迅速地连续可逆调控。将磁流变液作为一种执行器植入工程结构中，形成磁流变智能控制系统，就能使工程结构感知和处理信息，并执行处理结果，对环境的刺激作出自适应响应，实现增强结构安全、减轻质量、降低能耗、提高结构性能等目标。基于磁流变液的阻尼器便是一种结构简洁、低能耗、可无级调控的高稳定性智能振动控制装置，还可以实现实时主动、半主动控制，是实现汽车和土木结构智能化振动控制的新一代高性能装置。

SPENCER等[9]与LORD公司合作首次研制出了适合土木结构振动控制的出力达20吨的足尺磁流变液阻尼器。他们还在一个20层的钢框架结构的1～16层共设置了30个磁流变减振器，然后进行了地震反应实验。实验结果表明，半主动控制与原结构相比，最大位移减少了21.6%～55.8%，最大加速度减小了22.8%～50.0%。哈尔滨工业大学的欧进萍等[10-11]基于磁流变液的智能控制系统的研究，自行研发的磁流变阻尼器应用于山东滨州黄河公路大桥上的斜拉索，还成功地安装于渤海某采油平台上。

1.3 MRF是一种结构流体

一般认为无外加磁场作用时，磁流变液中的磁性颗粒在基液中呈无序分布，磁流变液表现出液体的流动性。由于悬浮液中的磁性颗粒表面积很大，存在巨大的界面自由能，当悬浮液浓度增大时，为降低表面自由能、颗粒通过尖棱边角处自发地联结起来，结果可能从原始质点形成次级质点，即各种聚集体，其中有结构紧密的聚集体，也有结构松弛、亚稳定的絮凝体结构等，以防止颗粒的进一步黏附。磁流变悬浮液中的颗粒是维持在原始的单个颗粒状态，还是相互结合形成次级颗粒如聚集体、附聚体，在很多程度上取决于分散介质与质点的界面性质。目前对悬浮液结构的研究多是从颗粒分散为依据，研究颗粒间的作用力[12-15]，进而确定悬浮液的结构。

磁流变液在外力剪切作用下表现出的稀化行为[16]，与分散介质中悬浮颗粒的结构重排有关。当流体处于静态时，磁性颗粒由于布朗运动随机分布于载液中，在低速剪切下，磁流变液中无序分布的颗粒提供了较大的阻力，表现为流体表观黏度较大；而随着剪切速率增加，颗粒开始沿着剪切方向流动，重排形成有序的颗粒层，使得垂直于流动方向的颗粒间距离增大。这种空间重排导致颗粒运动阻力减小，因此流体的黏度减小直至基本保持不变。

磁流变液在磁场作用下能够形成丰富的微结构形态，如链状、柱状、网状或更复杂的微结构。为了研究磁流变液的微结构及其对材料宏观特性的影响，人们进行了大量的观察与分析，研究其在静态和动态条件下的结构形成及演化规律。

对于磁流变液在磁场作用下的排列结构，TAO[17-18]用分子动力学的方法模拟了磁流变液的微观结构变化过程，磁流变液在偶极子力、布朗力和黏滞力作用下能形成3种不同类型的结构；即链状结构、体心立方结构和流体结构。TAO根据结构能量极小化原理计算出体心立方结构能量最低，是磁流变液中最稳定的结构。ZHU等[19]用水基磁性聚苯乙烯磁性微粒磁流变液进行了结构研究，发现非常慢速地增加磁场可得到稳定的分散柱状结构；而非常快速地增加磁场，可得到像蚯蚓状（从磁场方向看）中等稳定的“弯曲壁”结构。尹林茂等[20]在显微镜下观测了静磁场下磁流变液的微观结构，并分析了不同的磁感应强度、不同体积分数下微结构的特点，随着磁感应强度的增加，磁流变液内部的磁性颗粒由一开始的无规则分布转化为规则排列的链状结构，并逐渐形成较粗的柱状和网状结构。

LIU等[21]利用光散射技术观察了极稀的磁流变液在静态条件下的结构演化规律。在静态条件下，磁流变液的结构生长尺寸与时间呈指数关系。王秋宽等[22]将数字显微全息（DMH）技术应用于磁流变液微观结构与机理的观测得到了磁流变液在无磁场下其铁磁性微粒子和有磁场下其微观结构的三维空间分布，实时观测了磁流变液微观结构的变换过程，获得了磁流变液在外加磁场下的成链结构、链化速度和响应时间，验证了磁流变液的响应时间为毫秒量级。

赵春伟等[23-25]利用体视显微镜对磁流变液分别进行了静磁场和剪切模式下链状结构的形成及演化过程的实验观测。结果显示，直通链的数目随着体积分数的增加而增加，随着磁感应强度的增加，颗粒链逐渐增长并由单链结构转变为束链结构；在剪切实验中，成功地捕捉到了磁流变液中颗粒链从形成→拉伸→断裂→重组的动态过程。

中国科技大学的方生等[26]通过对旋转磁场作用下磁流变液中一定数目颗粒运动的数值模拟，在旋转平面内得到盘状聚集结构，在垂直于旋转平面的平面内得到层状结构。MELLE等[27]和王瑞金[28]模拟了旋转磁场下不同Mason数对应的磁流变液聚合链形态。

磁流变液在磁场和力场作用下的微结构形态及其演化决定了磁流变液的奇异特性，磁场强度、颗粒体积分数、颗粒尺寸、应变率等因素对磁流变液的微结构及其演化过程都有显著地影响，从而影响了磁流变液的宏观特性。因此，借助实验观测和数值模拟方法，研究在多场耦合下磁流变液响应特性的微结构及其演化等问题，可以为建立完善的物理模型提供更好的实验依据。

2 磁流变液的基本性能

2.1 磁特性

就磁化率来说，磁流变液可以算作铁磁性材料，其磁化特性依赖于颗粒本身和载体（这里尤指磁性载体）的磁学特性，其中颗粒类型[29-31]和体积比对磁流变材料的磁化性能有着重要的影响。KORDONSKI等[32]发现磁流变液的磁化率随体积分数的增加而线性增加，而且有随颗粒直径增大而增大的趋势。铁磁性颗粒的大小对材料磁性能的影响也非常明显，当磁性颗粒粒径为纳米量级（8～10nm）时，磁流变液可成为超顺磁材料（磁流体）[33-34]这时由于强烈的Brown运动，很难观察到磁性颗粒在外加磁场作用下发生相变的过程[35]。另外，为了实现材料性能可逆控制，需要颗粒具有更好的软磁性，这样在外加磁场撤去时，材料的各项力学性能恢复到未加磁场时的初始状态。这是影响磁流变液的分散性以及沉降稳定性的重要因素，否则颗粒在液态基体中就会互相吸引团聚[36]。

当外加磁场强度很小时，磁流变液近似表现出线性介质的磁特性，磁化强度与磁场强度成正比=0，为磁化强度，0是磁流变液的磁化率；随着外加磁场强度的增加，磁感应强度也迅速增加，磁流变液逐步达到磁饱和，磁化强度可以表示为=(r–1)，r是相对磁导率，它是磁场强度和体积分数的函数；随着外加磁场强度的进一步增加，磁流变液达到完全磁饱和。

磁流变液的磁饱和磁化强度依赖于颗粒材料的饱和磁化强度和磁流变液的体积分数。常用的软磁性颗粒主要有Fe3O4、Fe3N、Fe、Co、Ni等微粒及其合金[37-38]。最理想的磁性颗粒是一种称为波明德（Permendur）的铁钴合金，它的饱和磁化强度是2.4T，但成本太高，所以很少采用。铁氧体属亚铁磁性材料，其分子磁矩一般是通过相邻晶格磁矩之差而得到，因而铁氧体饱和磁化强度较低。目前使用最多的微粒是磁饱和度能够达到2.1T的纯铁粉和纯羰基铁粉，其饱和磁化强度大，且居里温度高（＞700℃），这不仅对提高磁流变液的力学性能有利，而且温度稳定性优于铁氧体磁性材料。

2.2 流变性能

目前普遍接受的用来解释磁流变液的磁流变效应的微结构模型是颗粒磁偶极子模型[39]。当外加磁场时，磁性颗粒受磁极化，瞬时（毫秒级）产生磁性偶极子相互作用，为了达到能量最小要求而形成长链，外磁场的加大，使这种链状结构进一步发生聚集，形成复杂的团簇结构，这种微观结构上的变化直接导致了液体流变性能发生变化。除了磁偶极相互作用力外，颗粒能否形成链状结构还受到热运动作用的影响，ROSENSWEIG[40]给出了两个相邻磁性颗粒之间的磁相互作用能（线性磁化区内）和热能的比值，来表征链的结合强度，其表达式为式(1)。

式中，0为真空磁导率；c为载液的相对磁导率；＝(p–c)/(p+2c)，p为磁性颗粒相对磁导率，为颗粒粒径；0为外加磁场强度。对于单分散的磁性颗粒在磁场下的平衡状态结构由参数和分散相的体积分数决定[39]。

当磁流变液处于流动状态时，颗粒的运动状态（或流变性能）除了与磁性颗粒的体积分数和相关外，还与另外一个量纲为1参数（即Mason数）相关。在稳态剪切流动中，定义为作用在磁性颗粒上的流体动力学阻力和静磁力的比值[42-44]，如式(2)。

其中，c为载液黏度，为剪切速率。值得注意的是，描述流体动力学阻力和静磁力相对强弱的Mason 数也因为颗粒在不同场强下的极化规律不同而有所修正[27,43]。同时，流体动力学阻力与Brown热运动的相对影响程度可由另一个量纲为1参数表示，显然，和Mason数存在函数关系23。若忽略短程作用力的影响，例如Van der Waals力、摩擦力等，磁流变液的流变性能则可以由参数、分散相的体积分数和决定。

MARSHALL等[45]通过引入Mason数来反映相对黏度随磁场强度及剪切速率的变化，当剪切速率增大时，值增大，磁流变液的相对黏度降低，出现剪切稀化现象。此外，除较高Mason数的区段外，磁流变液的相对黏度可拟合为Mason数的幂函数：r∝–Δ，指数的变化范围为0.89～1.0[46-47]。BECNEL等[48]用Mason数有效地分析了磁流变耗能器的旋转剪切行为。

通常磁流变液非牛顿流的特性表现为拟塑性Bingham流体，即既有剪切稀化，又有屈服应力。当磁流变液的剪切应力超过其屈服应力时，磁流变液又以零磁场时的黏度流动；当剪切应力小于其屈服应力时，磁流变液作类似固体的运动。GINDER等[49]发现在较低磁场强度的区段磁流变液的屈服应力和剪切弹性模量与2成正比；对较高的磁场强度每个颗粒的极化或接触区出现局部饱和，此时屈服应力与3/2成正比，而剪切弹性模量与成正比；当磁场强度高至足以达到完全饱和时，所有颗粒都可视为偶极子此时屈服应力和剪切弹性模量与磁场无关，而与磁饱和强度的平方2成正比。CHIN等[50]和PHULÉ等[51]的测量结果表明剪切屈服应力与3/2成正比，与GINDER研究结果相符。

一般来说，通过提高磁性颗粒含量或磁场强度可以增强磁流变液的屈服应力。但这将会导致磁流变液的零场黏度升高，磁流变器件质量、尺寸增大，同时还会增加磁流变装置的电力负荷。如何提升剪切屈服应力一直是磁流变液的链化结构和力学行为研究热点和重点，也是其有效应用所必需解决的关键性问题，多年来科学界和工程界均在为此努力。

（1）基于双粒度分布体系FOISTER[52]混合使用大、小两种粒径的磁性颗粒，大幅度地提高了磁流变液的屈服应力，同时降低了其零场时的表观黏度。大、小颗粒的粒径比对磁流变增强效应具有重要影响。GOLDEN等[53]提出当分散相粒径比为5～10时，更有利于增强剪切屈服应力，KITTIPOOMWONG等[54-55]对双粒度分布的磁流变液增强效应机理进行了研究，认为加入小粒径的磁性颗粒有利于形成更强的链状结构，从而提高了磁流变液的动态屈服强度。

（2）基于非球状磁性颗粒一般为了减小颗粒间磨损，宜选用球形磁性颗粒作为分散相。但是与球形颗粒相比，基于杆状或片状的磁性颗粒的磁流变液表现出更大的磁流变响应特征和良好的沉降稳定性[56-57]。DE VICENTE等[47]以杆型磁性颗粒作为分散相制备了磁流变液，它比传统的球形颗粒基磁流变液具有更高的储能模量以及屈服应力。李海涛等[58]建立了杆形颗粒磁流变液的剪切屈服应力模型，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磁流变材料的剪切屈服应力。

（3）基于高饱和磁化强度的磁性颗粒 YANG等[38]在水介质下合成了多种铁合金的纳米颗粒，通过调节乙醇在反应介质中的体积分数，得到了平均直径在17～35nm的Fe-Co-B合金颗粒，在实验中制得的4种纳米合金颗粒中，Fe-B合金颗粒具有最高的磁饱和强度。ARIEF和MUKHOPADHYAY[59]通过硼氢化还原法制备了铁钴合金粒子，具有较高的磁导率，所制备的磁流变液表现出较高的磁流变 响应。

（4）基于挤压模式下的工作特性TANG等[60-61]通过沿磁场方向挤压固化的磁流变液，使其屈服强度达到800kPa。张先舟等[62]利用磁流变液挤压模式下的工作特性制造了一套柔性夹具样机，他指出通过压缩作用，减小了相邻颗粒间的距离，使得磁性偶极力作用增强，从而提高了磁流变液的剪切屈服应力。SARKAR等[63]基于挤压增强技术设计了剪切式磁流变液制动器，结果表明：磁流变液的剪切屈服应力能够提高一个数量级。

此外，使用磁性液体作载液[64-66]、添加磁性粒子[67-68]以及非磁性粒子[69-71以及通过电磁场协同作用[72]等也可以增强在磁流变液中的屈服应力。

当悬浮颗粒间存在较强作用或悬浮介质有较强的结构时，磁流变液还表现出黏弹性。磁流变材料颗粒链组成的网络在受到剪切时，铁磁粒子发生错动和松弛，使能量耗散而产生阻尼效应。目前，经常采用在交变应力或应变作用下发生滞后现象和力学耗散，来研究黏弹性材料的阻尼效应。分析黏弹性材料在交变应力或应变作用下的阻尼特性，对于减小振动、降低噪声等工程实际应用有很大帮助。

磁流变液在振荡剪切模式下的动态力学性能是其重要的黏弹性指标（储能模最、损耗模量与损耗角等），同时也是研究磁流变材料微结构机理的有效工具。MCLEISH等[73]建立了单链结构模型，他们将链分为通链和支链结构两类。在小幅振荡剪切下，通链在任一频率下均作仿射运动，不发生弛豫现象。此时，磁流变液的储能模量是磁场的函数，其变化与磁场强度的平方呈正比，而与频率变化无关；链结构中的自由支链的非仿射形变引起了能量的损耗，且损耗模量的变化与频率相关。CLARACQ等[74]定义了一个用来区分黏弹性材料微结构破坏转折点的临界应变幅值γc。根据该定义，如果应变幅值小于γc，材料是稳定的而且其微结构尚未被破坏，因此从零到应变幅值γc区间被认为是线性黏弹性区间。根据该准则，多数磁流变液在外加磁场作用下应变幅值的线性黏弹性区间小于0.1%。磁场对磁流变材料的动态力学性能有很大的影响[75-76]，理想的磁流变材料应该同时具备较高的相对磁流变效应和磁致储能模量，根据报道，磁流变液的磁致储能模量可达1MPa以上[77]。

增大应变幅值，磁流变液的力学特性会由线性黏弹性转变为非线性黏弹性，高阶谐波也同时出现，这也就意味着磁流变液进入了屈服阶段，材料的动态力学性能会发生巨大的变化，且动态力学性能的物理含义也不同于材料在线性黏弹性区间内时的定义[78]。LI等[79]和CLARACQ等[74]分别研究了磁流变液在大振幅振荡剪切和旋转剪切模式下的非线性黏弹性行为，并指出其非线性来自于微结构的改变。KUZHIR等[80]研究了纤维状颗粒磁流变液在振荡剪切下的非线性黏弹性响应，发现随着剪切应变增大，磁流变液的剪切模量逐渐减小，并且出现两处平台区域，这磁流变液微观结构重排有关；他们还发现剪切模量与激励频率在低频区存在幂律关系。

由于磁流变液黏弹性独特的磁场相关性，对于磁流变材料黏弹性的研究引起了人们极大的兴趣，一方面从现实使用角度考虑，磁流变器件多处于振荡剪切模式下运行，即磁流变液的动态流变性能更接近于工程应用；另一方面通过研究微结构演化和黏弹性之间的关系也有助于深入理解磁流变机理。

2.3 稳定性

磁流变液属于固液二相流体，由于磁性颗粒与载液之间较大的密度差以及颗粒的高表面能等客观存在的特征，使得磁流变液成为热力学不稳定体系，随着时间变化，固体颗粒的聚集和沉降将不可避免。悬浮相粒子的沉降可分为两个方面：一是磁性颗粒相互接触过程中，在Van der Vaals力作用和静磁作用下团聚长大，进而发生聚沉现象；二是磁性颗粒在自身重力下发生沉降。关于磁流变液的稳定性研究，多认为是悬浮液的“分散稳定性”，表现为体系中单位体积的颗粒数量在很长一段时间内保持不变。分散性好，表现为颗粒间的斥力作用较大，颗粒不会发生团聚而沉降。通过添加表面活性剂[81-84]、采用高分子包覆[85-88]和具有壳-核结构的羰基铁复合颗粒[89-90]等手段均在一定程度上改善了磁流变液的分散稳定性。

对于低浓度的磁流变分散体系，其沉降性能符合Stocks沉降理论，通过减小磁性粒子的粒径、降低粒子与基液的密度差以及提高基液黏度的方法均可在一定程度上改善沉降稳定性能。随着颗粒浓度增大，颗粒的沉降规律不服从Stocks定律，主要原因有两点：首先实际应用的分散相颗粒尺寸是多分散的，质点浓度增大，小颗粒尺寸的微小质点所占比例相应增大。由于微小质点沉降慢，粗大质点沉降快，粗大质点下沉过程中不断与微小质点发生碰撞，质点间碰撞的概率增多影响了定向下沉速度，这就是实际沉降速度偏离Stocks定律的所谓“多粒子效应”[91]。其次对于高质点浓度的分散体系，颗粒间相互作用距离缩短，质点间相互作用增强，颗粒存在堆积效应，使体系分散结构发生了改变。

在磁流变液的微观体系中，能导致颗粒互相聚集的因素有范德华力和静磁相互作用，而阻碍颗粒相互聚集的因素有布朗运动、静电斥力、碰撞排斥力和空间位阻效应。磁性颗粒尺寸、颗粒形状和含量以及添加剂能影响颗粒间相互作用力的大小，进而改变悬浮液结构。LÓPEZ-LÓPEZ等[29]和BELL等[92]采用纤维状或棒状的磁性材料作为分散相改善了磁流变液沉降问题以及磁流变性能。在磁流变液中加入触变剂，如有机黏土[93-95]、气相二氧化 硅[96]、硅酸镁锂等[97]，由于氢键作用触变剂在整个体系中形成三维网状结构，在一定程度上可以有效减缓颗粒的沉降，将磁流变液的硬沉淀转化为软沉降。在磁流变液中加入纳米颗粒[98-100]，使得弥散的微米级颗粒之间的空间位阻效应增大，同时，纳米粒子本身的布朗运动，消耗了磁性颗粒的动能，对磁性粒子的沉降起到一定的阻碍作用，提高了磁流变液的稳定性。另外，与球形颗粒添加剂相比，纤维状和片状的非磁性颗粒具有更好的抗沉降效 果[101-104]，如碳纳米管、层状石墨、纳米纤维等材料。ASHOUR等[105]用软、硬磁颗粒混合的方法来制备磁流变液，可以得到较好的稳定性。软磁材料表现出铁磁性并有较大的饱和磁化强度，但是没有多少剩磁或矫顽力。硬磁材料有较高的剩磁和矫顽力，如针状细小的CrO2吸附在羰基铁颗粒的表面，使合成的液体有高的稳定性，并能提高在外加磁场情况下的流变性。图1为4种常用提高磁性颗粒稳定性的方法。

图1 4种常用提高磁性颗粒稳定性的方法

分散介质也会影响悬浮液的结构稳定性。对于水基磁流变液，磁性颗粒在分散介质中形成双电层结构，因此可以增大颗粒的双电层厚度[108-110]，增加颗粒间的静电斥力来阻止颗粒的团聚。而在非极性或a—磁性颗粒化学吸附单分子层碳氟硅烷[106]；b—单壁碳纳米管在羰基铁颗粒上的吸附[109]；c—壳-核结构的硅包覆羰基铁颗粒[107]；d—PMMA聚合物包覆磁性颗粒[85]弱极性介质中，颗粒表面难以获得电离电荷，使得静电斥力作用甚微。因此，表面活性剂对油基磁流变悬浮液体的稳定性取决于固-液界面分子构型所产生的空间位阻效应。另外，将离子液体作为载液制备出的磁流变液表现出良好的沉降稳定性[111]。

2.4 再分散性

磁性颗粒被浸入液体介质时，颗粒间存在两种不同的状态：一种是颗粒彼此之间由于为Van der Waals力和静磁力吸引作用发生团聚行为，形成团聚体，使单个颗粒“长大”成为二次颗粒；另一种情况是颗粒之间由于空间位阻、双电层静电斥力以及热运动等而相互排斥，形成稳定分散的悬浮液。在常温下，分散于液体中的铁磁颗粒，若能因布朗运动来抗衡由于静磁相互作用而使微粒团聚的发生，要求固相颗粒的尺寸要尽可能的小（铁磁颗粒直径的上限约为3nm[112]），才能对液体分子的碰撞作出响应。随着时间变化，固体颗粒将不可避免地聚集和沉降，形成紧密堆积的硬块，很难再分散，导致体系物理化学性质发生变化，直接影响其力学强度和正常使用要求。

对大多数应用而言，磁流变液的沉降可以通过磁流变器件本身的运动，如阻尼器中活塞的往复运动、制动器中制动盘的剪切作用，使分层的磁流变液重新分散混合，恢复均匀状态。但是，若发生沉降后的磁性颗粒结块成团，则即使强力搅拌，也不能使颗粒再次均匀地分散到载液中，从而失去流动性以至使磁流变液失去应用价值。因此，磁流变液沉降后再分散的难易程度将成为制约材料应用的一个关键指标。

再分散性是指已产生一定沉降分层的磁流变液，在外场激励下，悬浮相颗粒重新起浮的速率和程度情况。美国匹兹堡大学的 PHULÉ等[113]通过对磁性颗粒之间的磁吸引能和范德华力能的比较计算发现，即使非常小的剩磁都会使磁流变液二次悬浮性能大大降低，他们提出了提高磁流变液二次悬浮性能又不损失最大屈服应力的最好办法是添加可在磁性颗粒表面形成一定厚度包覆层的添加剂，因为包覆层可以同时屏蔽磁相互作用和范德华力。LÓPEZ-LÓPEZ等[96,99]发现在静态放置下，表面活性剂和触变剂可有效提高磁流变液的沉降稳定性。但是触变剂粒子与磁性颗粒相互作用以及颗粒表面性质的变化会使磁流变液的沉淀物变得更加致密，导致磁流变液的再分散性变差。IGLESIAS等[114]研究了双分散体系磁流变液的再分散性能，发现磁性纳米粒子可以减弱大颗粒间的短程吸引力作用，从而形成软沉降状态。

由于颗粒的结团沉降是一个漫长过程，而沉淀在激励下是否能够再次恢复到原来状态，是一个非常模糊的概念，这就使得如何表征磁流变液的二次悬浮性能变得尤为重要。目前关于磁流变液再分散性能的表征和评估，并没有一致公认的性能指标和相应的标准测试方法，主要是通过对样品板结情况的观察和QXP型刮板细度计测量，或借用颜料沉降的ASTM评级法等进行定性表征[115-117]。目前再分散性评价研究多集中在已沉降完全的磁流变液样品上，对沉降过程中材料的再分散性问题研究 较少。

2.5 摩擦学性能

磁流变液使用过程中不仅要作为一种磁性功能液体，发挥磁流变效应，而且还要对运动部件实施润滑[118]。而在磁流变器件中相互滑动的两接触表面其摩擦间隙远小于颗粒粒径，流体动压润滑条件不再适用。另一方面，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，磁性颗粒在磁流变器件中存在相当严重的自磨损和对器件壁面的磨损。

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摩擦磨损问题。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[119-121]在这方面做了大量基础性和探索性的工作，他们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，发现高浓度的磁流变液表现出良好的抗磨性能，并指出极压条件下，羰基铁颗粒被碾压成片状，在摩擦副表面形成保护层，减小了磨损。LEE等[122]在磁流变液中加入摩擦改进剂，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，结果表明含有添加剂的磁流变液在高压低转速下表现出更好的润滑性能。BOMBARD等[123]考察了磁流变液在点接触下的弹性流体润滑性能，发现基础油黏度对摩擦系数有重要影响。在边界润滑条件下，他们还研究[124]了6种不同类型羰基铁磁流变液的摩擦学性能，结果发现表面包覆无定形硅的羰基铁磁流变液具有良好的抗磨减摩性能。最近，BOMBARD采用离子液体作为分散介质，发现离子液体基磁流变液的摩擦磨损性能要优于传统的聚α-烯烃基磁流变液[125]。

以上研究均是在无场条件下进行的，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，使得磁流变液在有场下的摩擦状态与无磁场时有明显不同。SONG等[126]利用销盘摩擦磨损试验机考察了磁场作用下的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。SHAHRIVAR等[127]比较了磁流体和磁流变液在零场和磁场下的摩擦学性能，发现磁流体表现出优异的减摩性能。晏华课题组[128-131]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，指出磁性颗粒破坏了基础油油膜的连续性，是导致其润滑性能下降的首要原因。发现基础油类型及其黏度决定着磁流变液的摩擦性能；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。

3 工程应用探索

磁流变液的应用基础是依据本身具有的特性和流体可被磁力控制流动与变形所产生的结果。

（1）振动控制 磁流变液的表观黏度在磁场的调控下可以发生几个数量级的变化，表现出典型的磁流变效应。利用磁流变液在磁场下其流变性能的变化，可调节结构的刚度，从而改变振动的固有频率，达到阻尼、减震的目的。利用磁流变液通过不同间隙流道所产生的阻尼力，并通过外加磁场进行调节，磁流变阻尼器[132]和减震器[133]已成功应用于汽车机械和土木工程领域。

（2）密封 利用外磁场将磁流变液固定在运动件与固定件间的间隙处，可以起到密封的作用。磁流变液密封装置具有密封性能好，使用寿命长，效率高，器件无磨损，无方向性密封等优点[134]。日本的TOYOHISA等[135]将磁流变液用于动密封技术，发现磁流变液密封件的冲破压力与磁性颗粒大小、母液黏度、体积分数及磁场强度成正比关系。

（3）精密抛光 磁流变抛光液处于抛光磨头和工件表面的间隙处，在梯度磁场作用下流变性能发生变化，磁流变抛光液在工件表面的接触区域处产生较大的剪切力，从而实现工件表面的精密抛 光[136]。磁流变抛光能够获得质量很高的光学表面，易于实现计算机控制，并且去除效率高。KIM等[137]研制了磁流变抛光装置，并利用装置对BK7玻璃进行大量的基础试验，获得了表面粗糙度为Ra 3.8nm的光滑表面。

（4）传动 磁流变制动器[138]和离合器[139]基于磁流变液的流变效应，以磁流变液为动力传递介质，通过调节外加磁场强度，以改变磁流变液的剪切屈服应力，进而调节传递转矩或转速的大小，具有高转矩、高输出、结构简单、响应时间短、运行功率小、节能等优势。

（5）柔性夹具 基于磁流变效应和流动性，能够快速地适应不同几何形状零件的装夹要求，对不断变化的零件的装夹需求能作出快速响应，以满足加工要求的新型夹具。中国科技大学的张先舟等[62]设计制做了基于磁流变液的柔性夹具，并对磁流变液的挤压增强效应进行理论和实验研究。

相对其他器件，磁流变液器件具有以下优点：①控制和调节具有连续变化的性能，可以进行精确的实时控制；②主要工作构件不易磨损、工作寿命长；③结构简单，工作柔和、噪音低，响应速度快；④控制需要的能耗低，易于与计算机技术相结合，形成智能化的控制。

除此之外，磁流变液在热传导[140-141]，声音传播[142]，各向异性自组装[143]，化学传感器[144]和生物医学[145-146]等领域也都有着广泛的应用。

4 结论与展望

4.1 流体-黏弹体-类固体连续变化的磁流变材料体系

无论从基础研究还是实际应用的角度考虑，具备高磁致效应和稳定性的磁流变材料都具有十分诱人的价值。根据磁流变材料在无外加磁场条件下的物理状态，目前可将磁流变材料大致分为具有流体特征的磁流变液、磁流变胶（magnetorheological gel）[147]和磁流变乳化液（magnetorheological emulsion）[148]；具有类固体特征的磁流变脂（magnetorheological grease）[149]、具有固体特征的磁流变泡沫（magnetorheological foam）[150]和磁流变弹性体（magtietorheological elastomer）[151]。这些磁流变材料都是从提高性能和稳定性的角度出发，选用不同种类基体而设计出来的，例如，磁流变脂和磁流变弹性体解决了磁流变液的沉淀和密封等问题，磁流变泡沫由于特殊多孔结构的存在，具有重量轻、磁流变效应可调和、吸音性能良好等诸多优点。但是需要说明的一点是，不同基体的磁流变材料其工程应用范围也不同，例如，磁流变液的应用主要是在材料屈服后及流动阶段，铁磁性颗粒在磁流变液中的链状结构可以反复破坏再形成，剪切屈服强度可以通过改变外加磁场来控制。而对于磁流变弹性体的应用只能工作在其屈服阶段前，达到屈服点以后，磁流变弹性体基体以及铁磁性颗粒形成的链状结构就可能会被破坏且无法恢复。由此可知基体对磁流变材料的性能与应用有很大的影响，选择合适的基体对于制备不同物理状态的磁流变材料十分重要。作者认为通过选用新型的基体材料，并基于基体的特性制备出从流体到弹性体连续变化的高性能磁流变材料体系，拓展其应用范围将是一项值得期待的工作。

4.2 磁流变液的结构流变学

结构流变学是研究物质的结构与宏观流变性质关系的科学。两个牛顿流体发生化学反应，分子结构变了，可以还是牛顿流体，只是黏度变了，其结构的变化只反映在唯一的参数黏度中。磁流变液中组分和微结构相当复杂，影响其性能的因素也多种多样，其结构变化能使悬浮液表现出复杂的流变行为。通过磁流变液宏观上表现出来的流动性能能够反应出悬浮液的内部结构。流变性和磁流变液结构的关系表现为如下两个方面：①磁流变液微弱的结构变化会表现出完全不同的流变特性；②流变性表现出来的宏观参数能够了解悬浮液内部的结构信息。故通过磁流变液的结构流变学研究，深入研究各个因素对体系结构及力学性能的影响，从结构与流变学数据的积累、概念性模型的归纳与动力学模型和数值模拟等，弄清物质的组成和结构与其变形性质及流变常数的关系及各组成间相互作用的规律，进而可以为设计性能良好的磁流变液提供理论指导。

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A review on magnetorheological fluid：properties and applications

YANG Jianjian，YAN Yua，DAI Jun，ZHANGHansong

（Department of Chemistry and Material Engineering，Logistic Engineering University，Chongqing 401311，China）

Magnetorheological fluid is a type of smart material which exhibits fast（less than milliseconds），continuous，reversible changes in their rheological properties with low power requirement. These outstanding properties make them very promising for applications in machinery，automobile，precision machining，and active control engineering. Based on the latest research achievements，this paper reviewed the characteristic and application of magnetorheological fluid and discussed the problems that need to be resolved. The conceptual definition of magnetorheological fluid was conducted from the aspect of complex fluid，smart fluid，and structured fluid，respectively. Special emphasis is paid to the understanding of their magnetization，rheology，stability，redispersibility，and tribology performance of MRF. Finally，the future developments of magnetorheological fluid are also presented from the view of physical state and structural rheology.

magnetorheological fluid；colloid；rheology；stability

TB381

A

1000–6613（2017）01–0247–14

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.031

2016-06-06；修改稿日期：2016-06-17。

国家科技支撑计划项目（2012BAF06B04）。

杨健健（1989—），男，博士研究生，从事磁流变材料研究。联系人：晏华，教授，博士生导师，主要从事功能高分子材料和智能材料研究。E-mail：yanhuacq@sina.com。