豐衛(wèi)邦

（中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214431）

0 引言

磁流變液(Magnetorheological Fluids, MRF)是自美國(guó)學(xué)者Rabinow于1948年發(fā)現(xiàn)以來(lái)[1]，在上世紀(jì)九十年代被深入研究的一種新型智能材料。它是由易磁化顆粒（微米級(jí)）彌散于基礎(chǔ)載液形成的穩(wěn)定懸浮液，其物理及流變性能隨外加磁場(chǎng)的變化而變化，呈現(xiàn)連續(xù)、迅速、可逆、精確可控的優(yōu)良特性。磁流變液能夠隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加由液體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃乒腆w，當(dāng)外加磁場(chǎng)撤銷，磁流變液又能恢復(fù)到液體的狀態(tài)。在該過(guò)程中，磁流變液的粘度保持連續(xù)、無(wú)級(jí)變化，整個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程極快，且可控，能耗極小，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的主動(dòng)和半主動(dòng)控制[2,3]。此外磁流變液還具有以下特征：在外加磁場(chǎng)作用時(shí)有較高的屈服應(yīng)力；在零磁場(chǎng)作用時(shí)具有較低的粘度系數(shù)；較寬的工作溫度范圍；良好的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性；較好的化學(xué)穩(wěn)定性；響應(yīng)時(shí)間短。

上述特點(diǎn)使得其受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員的重視，在問(wèn)世后的短短幾年就走出了實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始應(yīng)用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)裝置中。目前的研究表明，磁流變液技術(shù)可以在機(jī)械工程、汽車工程、控制工程、精密儀器加工及航空航天、生物醫(yī)藥以及國(guó)防和軍事工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1 磁流變液的組成

磁流變液是一種在磁場(chǎng)作用下能夠快速、可逆地由流動(dòng)性良好的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)楦唣ざ?、低流?dòng)性的Bingham彈塑性體的智能材料。典型的磁流變液由3部分組成：軟磁性顆粒、載液和添加劑。

1.1 軟磁性顆粒

制備MRF的軟磁性顆粒,一般有羰基鐵粉、Fe3O4、鈷粉、鐵鈷合金及鎳鋅合金等。除上述軟磁性顆粒之外,最近專家采用以下新技術(shù)制備出復(fù)合軟磁性顆粒。

第1類：用聚合物包覆鐵粉。該方法可以減小軟磁性顆粒的密度，增加顆粒的表面積，提高所制備磁流變液的沉降穩(wěn)定性和再分散性[5]。

第2類：用軟磁性顆粒包覆非金屬材料。該方法能減少顆粒的密度,提高所制備MRF的沉降穩(wěn)定性。Jun[6]等人以聚合物為核，以氧化鐵顆粒為殼,制備出理想的球形顆粒

第3類：用金屬顆粒包覆軟磁性顆粒。該方法可以增強(qiáng)顆粒的磁飽和強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)所制備磁流變液的屈服強(qiáng)度。John[7]用化學(xué)鍍的方法在羰基鐵粉表面包覆一層鎳粉。

對(duì)比以上幾種顆粒，羰基鐵粉是制備 MRF常用的軟磁性顆粒，目前商品化的磁流變液大多采用普通羰基鐵粉制備，但采用聚合物包覆的羰基鐵粉是目前研究的熱點(diǎn)。

1.2 載液

載液是軟磁性顆粒所能懸浮的連續(xù)媒介，是磁流變液的重要組成成分。如合成油、礦物油、水等液體都可以作為載液。

1.3 添加劑

添加劑包括分散劑和防沉降劑等，其作用主要是改善 MRF的沉降穩(wěn)定性、再分散性、零場(chǎng)黏度和剪切屈服強(qiáng)度。分散劑主要有：油酸及油酸鹽、環(huán)烷酸鹽、磺酸鹽(或酯)、磷酸鹽(或酯)、硬脂酸及其鹽、單油酸丙三醇、脂肪醇、二氧化硅等。防沉降劑主要有：高分子聚合物、親水的硅樹(shù)脂低聚物、有機(jī)金屬硅共聚物、超細(xì)無(wú)定形硅膠以及有機(jī)黏土和含氫鍵的低聚物等。此外，Chin用納米級(jí)的磁性顆粒(Co2C2Fe2O3，CrO2)作為添加劑，提高了MRF的沉降穩(wěn)定性。

磁流變液的制備是工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，提高再分散性和沉降穩(wěn)定性等性能指標(biāo)對(duì)工程應(yīng)用將產(chǎn)生重要意義。當(dāng)前應(yīng)在以下幾個(gè)制約工程應(yīng)用的問(wèn)題上開(kāi)展深入研究：如何提高 MRF的再分散性、如何利用表面改性技術(shù)提高 MRF的沉降穩(wěn)定性、如何制備出高性能的磁流變彈性體以及如何利用納米級(jí)添加劑改善MRF的綜合特性等。

2 磁流變液工作模式

根據(jù)流體流動(dòng)和流變應(yīng)力，磁流變器件的工作模式主要有下列3種模型(如圖1所示)：(a)剪切模式、(b)流動(dòng)模式和(c)擠壓模式。

圖1 磁流變液工作模式

2.1 流動(dòng)模式

在流動(dòng)模式中，磁流變液位于兩個(gè)相對(duì)靜止的極板之間，如圖 1(a)所示。由于裝置中的壓力差而使磁流變液流動(dòng)，該壓力差為由磁場(chǎng)引起的屈服應(yīng)力分量ΔPH和與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)的粘性分量ΔPη之和

式中：τH為磁流變液的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)；η為磁流變液的動(dòng)力粘度；Q為體積流速；L、h、S分別為極板長(zhǎng)度、寬度和間隙；c為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其取值為：當(dāng)壓差比率ΔPη/ΔPH＜1時(shí)，c=2；當(dāng)壓差比率1≤ΔPη/ΔPH≤100時(shí)，c=3;該式可以作為設(shè)計(jì)流動(dòng)模式下的磁流變液應(yīng)用器件的理論依據(jù)。此時(shí)磁流變液能產(chǎn)生磁流變效應(yīng)所需有效流體的最小值[8]：

由該式可以看出，要獲得磁流變效應(yīng)，所需磁流變液的最小體積可以由給定的流速和特定壓降得到。

2.2 剪切模式

在剪切模式下，MRF位于兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的極板之間(如圖 1(b)所示)，產(chǎn)生剪切阻力。該阻力為由磁場(chǎng)引起的屈服力分量 FH與粘性力分量 Fη之和[10]，

式中：τH為磁流變液體的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力，與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)；η為磁流變液體的塑性粘度；ν為極板相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；A為工作表面積，A=LH；L、h、s分別為極板長(zhǎng)度、寬度和間隙。上式可以作為剪切模式下 MRF器件設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。此時(shí)磁流變液能產(chǎn)生磁流變效應(yīng)所需有效流體的最小值為[10]：

2.3 擠壓模式

在擠壓模式中，MRF位于兩個(gè)極板之間，兩磁極作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁力線的方向平行于活塞運(yùn)動(dòng)方向，磁極擠壓磁流變液使之向四周流逸從而產(chǎn)生擠壓效果，磁極的位移量較小(幾毫米以下)，產(chǎn)生的阻力卻很大，如圖 1(c)所示。擠壓模式與流動(dòng)模式和剪切模式比較，研究得還不夠深入。

3 流變機(jī)理

有關(guān)磁流變液流變機(jī)制，目前被普遍接受的一種理論是：懸浮液中存在的磁性顆粒-磁場(chǎng)及磁性顆粒之間兩種相互作用。當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí)，磁性顆粒受磁極化，瞬時(shí)（毫秒級(jí)）產(chǎn)生的磁性偶極子相互作用，沿磁場(chǎng)方向結(jié)合成鏈，呈線性排列，圖2為其流變機(jī)制的微觀描述。鏈的強(qiáng)度取決于磁偶極矩，且結(jié)合強(qiáng)度與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。R.Sheng[10]等給出了結(jié)合強(qiáng)度的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

磁性顆粒結(jié)合強(qiáng)度取決于結(jié)合常數(shù)λ，μ0為顆粒真空磁導(dǎo)率，a為顆粒直徑，x為顆粒磁化系數(shù)，Н為磁場(chǎng)強(qiáng)度， Kb為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度。當(dāng)λ＞1時(shí)，鏈形成，鏈互相結(jié)合為柱狀，宏觀表現(xiàn)為類固體。

圖2 磁流變液的流變機(jī)制

圖3顯示了強(qiáng)、弱磁場(chǎng)下磁流變液的宏觀狀態(tài)：磁場(chǎng)較弱時(shí)，已沿磁場(chǎng)方向顯示出成鏈趨勢(shì)，磁場(chǎng)加強(qiáng)時(shí)，成明顯柱狀。磁場(chǎng)撤消后，磁性顆粒失去磁性，鏈狀結(jié)構(gòu)被打破，顆粒分散懸浮，恢復(fù)至液態(tài)。

4 磁流變液的工程應(yīng)用

基于磁流變液在外加場(chǎng)強(qiáng)作用下，可以在很短時(shí)間內(nèi)由流動(dòng)良好的牛頓流體連續(xù)、迅速、可逆地變?yōu)榧羟星?yīng)力較高的粘塑性流體，因此磁流變材料應(yīng)用范圍很廣，已引起了人們的廣泛關(guān)注。近幾年來(lái)，由于磁流變液具有優(yōu)異的工程應(yīng)用前景，各主要工業(yè)國(guó)家都競(jìng)相展開(kāi)了研究，在阻尼元件、傳動(dòng)元件、精密加工、機(jī)械密封、液壓系統(tǒng)、智能修復(fù)技術(shù)等方面得到了大量應(yīng)用。

圖3 磁流變液的流變機(jī)制

4.1 磁流變液阻尼技術(shù)

阻尼元件是磁流變技術(shù)的典型應(yīng)用，由于磁流變阻尼器具有阻尼力大、電功率消耗低，并且體積小、動(dòng)態(tài)范圍廣、頻響高、適應(yīng)面大等特點(diǎn)，而且它可根據(jù)外部的振動(dòng)環(huán)境不同調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度，很容易改變減振系統(tǒng)的阻尼和剛度，可以達(dá)到主動(dòng)減振的目的，因而磁流變阻尼器在智能結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。美國(guó)福特和通用汽車公司對(duì)磁流變阻尼器用于汽車懸架的半主動(dòng)控制作了深入研究，并將其用于高檔轎車上。2007年，馬里蘭大學(xué)[11]為火炮反后座裝置設(shè)計(jì)出了兩褶環(huán)形間隙節(jié)流閥 MRF減振器。實(shí)驗(yàn)表明：該減振器在頻率12 Hz、幅值12.7 mm的正弦激勵(lì)下，其阻尼力由2 kN變?yōu)榧与姾蟮?kN，阻尼力可調(diào)倍數(shù)達(dá)到2。圖4為該大學(xué)研制的MRF阻尼減振器原理圖。

圖4 節(jié)流閥磁流變阻尼減振器

4.2 磁流變液傳動(dòng)技術(shù)

磁流變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是磁流變技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要方向。Lord公司制造的旋轉(zhuǎn)式磁流變制動(dòng)器(MRB-107)是一種可控、響應(yīng)迅速、用途廣泛的傳動(dòng)元件，這種平滑動(dòng)作的制動(dòng)器需要的功率比渦電流式和磁滯式制動(dòng)器都要小得多，響應(yīng)時(shí)間小于10 ms。它的特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)精確實(shí)時(shí)的控制、容易集成、低電壓和低電流、低速時(shí)傳遞的力矩大、結(jié)構(gòu)緊湊以及運(yùn)行平穩(wěn)，應(yīng)用范圍廣，特別適用于氣壓傳動(dòng)裝置、精密的張力控制以及觸覺(jué)力反饋控制。

4.3 磁流變液拋光技術(shù)

磁流變液拋光是一種新興的磁場(chǎng)輔助液體動(dòng)力拋光技術(shù)。磁流變液精加工工件時(shí)，一個(gè)凸形被加工工件固定在移動(dòng)壁上的某一位置，該工作表面與移動(dòng)壁形成一個(gè)匯集間隙。一個(gè)電磁線圈置于移動(dòng)壁的下方，通電后在間隙處產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁流變液分布于移動(dòng)壁的電磁線圈上方，隨著磁場(chǎng)的變化，逐步固化，并由移動(dòng)壁的運(yùn)動(dòng)獲得速度，在進(jìn)入?yún)R集間隙前，變成彈性賓漢物質(zhì)，于是彈性的磁流變液剪切流就在此間隙形成。這位置就被稱為“拋光點(diǎn)”，該拋光過(guò)程運(yùn)用一個(gè)計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制拋光的位置。由于它們的流體——固體可控特性，這種精加工可完成復(fù)雜表面形狀的拋光，并可得到非常高的表面光潔度。

4.4 磁流變液生物醫(yī)藥技術(shù)

在磁流變技術(shù)的最新發(fā)展中，最令人激動(dòng)的可能就是用在高級(jí)假肢器官中的可實(shí)時(shí)控制的磁流變阻尼器。德國(guó)Biedermarm Motech公司是一家生產(chǎn)假肢的主要廠家，2000年該公司利用磁流變技術(shù)制造出了膝蓋以上的假肢，這是一種高智能的修復(fù)術(shù)HIP(High Intelligence Prosthesis)，用Lord 公司的型號(hào)為 Lord RD-???5改進(jìn)型的磁流變阻尼器來(lái)實(shí)時(shí)控制。和以前的假肢相比，這種假肢可以使膝蓋以上的接肢者的走路步態(tài)更自然，上下樓梯和在斜坡上走也更容易，能根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整。

圖5 磁流變拋光裝置

5 結(jié)束語(yǔ)

磁流變液及其器件在機(jī)械、交通、艦船、航天、車輛、建筑等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，展望未來(lái)，其研究工作主要有以下幾個(gè)方面。

1）新型 MRF材料研究。MRF材料在近??年取得了重大進(jìn)展，已有商業(yè)化的產(chǎn)品出現(xiàn)。由于高新技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的 MRF材料不能完全滿足工程領(lǐng)域的技術(shù)要求。例如：適用于高溫、低溫環(huán)境下的專用磁流變材料，在高頻、高速振動(dòng)環(huán)境下的特殊磁流變材料等。這就要求新型MRF材料向多功能化、高性能化的方向發(fā)展。

2）新型MRF減振器研究。新型減振器要求在多種工況條件下，保持較高的阻尼動(dòng)態(tài)變化范圍，且變阻尼遲滯時(shí)間要盡可能短。為配合振動(dòng)控制策略所需的振動(dòng)狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)與獲取，采用BIT設(shè)計(jì)將加速度、阻尼力、溫度等傳感器嵌入磁流變減振器之中，這樣可以大大降低磁流變減振器工程應(yīng)用的難度，對(duì)推動(dòng)工程應(yīng)用意義重大。

3）磁流變液的應(yīng)用還不夠廣泛和深入，有些應(yīng)用研究離工程應(yīng)用還有一定距離，磁流變液裝置的數(shù)學(xué)模型及控制技術(shù)還有待完善。

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