唐 龍，盧利平，岳 恩，羅順安，張 平

(1.重慶材料研究院有限公司，重慶 400707;2.國家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400707)

磁流變液(magnetorheological fluids，MRF)是一種主要由載液、高導(dǎo)磁低磁滯的磁性顆粒和添加劑等構(gòu)成的新型可控流體，是當(dāng)前智能材料研究的一個重要分支［1－2］。在磁場作用下，磁流變液在毫秒級的時間內(nèi)可連續(xù)、可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈唣ざ?、低流動性的Bingham流體，表觀黏度能增加2個數(shù)量級以上，具有類似固體的力學(xué)性質(zhì)，此效應(yīng)被稱為磁流變效應(yīng)(MR effect)［3］。而當(dāng)撤去外加磁場時，磁流變液又恢復(fù)良好的流動性。根據(jù)磁流變液這種連續(xù)、可逆、易控和響應(yīng)迅速的特點，可用來制成計算機控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)之間的聯(lián)接裝置，具有簡單、安靜而且響應(yīng)迅速的特點［4］。磁流變液有著巨大的應(yīng)用前景，可用于許多重要工程和尖端技術(shù)領(lǐng)域。磁流變技術(shù)涉及到眾多學(xué)科，如材料科學(xué)、流體學(xué)、高分子化學(xué)、力學(xué)、計算機、自動控制及機械等，磁流變技術(shù)的發(fā)展將帶動相關(guān)技術(shù)的進步。磁流變液還可以解決一些工程中目前難于解決的實際問題，近年來受到了西方各發(fā)達(dá)國家的高度重視，投入了很大的財力和物力開展這方面的研究［5］。

19世紀(jì)40年代，瑞士的Rabinow最早發(fā)明了磁流變液，并開發(fā)了磁流變離合器應(yīng)用裝置［6］。磁流變效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)與電流變效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)時間相近。當(dāng)時人們在實驗過程中，向低黏度、絕緣的油中加入某些可磁化的分散性半導(dǎo)體微粉，在磁場作用下發(fā)現(xiàn)流體的黏彈性會發(fā)生顯著改變。但后來大多數(shù)研究電磁流變技術(shù)的科技人員把主要精力放在電流變技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用上，磁流變技術(shù)長期未被人們所重視，致使磁流變技術(shù)的發(fā)展一直落后于電流變技術(shù)。直到最近幾十年，由于磁流變液在力學(xué)方面的優(yōu)勢，人們對發(fā)展磁流變技術(shù)又重新產(chǎn)生興趣，并取得巨大的進展［7－8］。據(jù)預(yù)測，目前已經(jīng)有超過一萬種磁流變產(chǎn)品，包括磁流變阻尼器、減振器、離合器等在實際中應(yīng)用，未來10年將會有超過100萬個磁流變產(chǎn)品應(yīng)用于具體工程中［9］。我國對磁流變技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)90年代。最近幾年，國內(nèi)對于磁流變液的研究取得了很大的進展，在液體制備和應(yīng)用方面的研究已經(jīng)取得了很多成果。

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［10］。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(zhì)Fe、Fe3O4粉體構(gòu)成，其表面一般經(jīng)過化學(xué)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(zhì)。分散劑包括不同類型表面活性劑、偶聯(lián)劑及觸變劑等，能對懸浮相、載液進行兩親性和結(jié)構(gòu)化處理，主要解決懸浮相在載液中的分散穩(wěn)定性問題。磁流變液一般采用機械球磨法制備［11］。

目前對于磁流變效應(yīng)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(xiàn)為線黏性牛頓流體。當(dāng)施加外磁場作用后，粒子表面出現(xiàn)極化現(xiàn)象，形成磁偶極子，磁偶極子沿外磁場方向結(jié)成鏈狀、簇狀結(jié)構(gòu)，具有一定的抗剪切屈服應(yīng)力。同一條極化鏈中各相鄰粒子之間的抗剪切屈服應(yīng)力會隨外加磁場強度的增強而增加。當(dāng)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(xiàn)類固體特性。磁流變液的屈服應(yīng)力值隨外加磁場強度的增加而增加，但當(dāng)達(dá)到某一飽和值后，磁流變液的力學(xué)性質(zhì)基本不變，即達(dá)到了飽和磁場下的動態(tài)屈服應(yīng)力，對外呈現(xiàn)出非牛頓流體的特性［12］。

2 磁流變液研究現(xiàn)狀

磁流變液憑借自身的可控特性，成為世界各國學(xué)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(shù)領(lǐng)先水平，特別在工程化應(yīng)用發(fā)面。美國lord公司在研制磁流變液及相關(guān)產(chǎn)品方面一直為世界所矚目，其磁流變液年產(chǎn)量達(dá)到數(shù)百噸，并且與其他公司合作開發(fā)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(shù)量超過10萬件，預(yù)計今后每年都會以成倍的速度遞增。該公司產(chǎn)品已在Cadillac系列轎車磁流變懸架控制系統(tǒng)、磁流變風(fēng)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(shù)等民用和軍用領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。美國DELPHI公司利用磁流變液研制了汽車動力系統(tǒng)橡膠磁流變復(fù)合隔振器，該器件阻尼大，實現(xiàn)了實時調(diào)節(jié)阻尼比和動態(tài)剛度，在整個相關(guān)頻率范圍內(nèi)保持對懸置系統(tǒng)上的動力總成的控制，從而避免系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)還能提高車輛性能及穩(wěn)定性，幫助減小由停車－起步等操作中產(chǎn)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(shù)加入到Stewart平臺內(nèi)用于隔振，取得了一定效果［13］。美國Virginia大學(xué)利用磁流變液研制了磁流變橡膠復(fù)合隔振器，具有隔振參數(shù)可調(diào)的特性，在寬頻范圍內(nèi)具有優(yōu)良的隔振效果和抗沖擊性能。除隔振裝置外，該大學(xué)還研制了火炮磁流變抗后坐裝置，降低了抗后坐裝置的質(zhì)量，起到了良好的抗后坐效果。美國學(xué)者已經(jīng)系統(tǒng)研究了磁流變器件在建筑結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用，建立了磁流變隔振的非線性模型，提出了基于加速度反饋的clipped-Optimal控制策略，并針對鋼框架結(jié)構(gòu)進行磁流變控制的振動臺試驗研究。結(jié)果表明，磁流變半主動控制效果比被動控制效果好得多，且控制效果總是穩(wěn)定的［14］。Aldemir仿真分析了磁流變隔振在簡諧載荷、脈沖載荷、人工地震動及實際地震動的作用下對單自由度結(jié)構(gòu)振動的控制效果。結(jié)果表明，在這些載荷的激勵下，磁流變隔振器對此結(jié)構(gòu)的控制效果非常好，優(yōu)于傳統(tǒng)隔振系統(tǒng)［15］。日本 SanwaTekki公司將磁流變技術(shù)用于建筑結(jié)構(gòu)減震，并于2001年在日本東京國家新興科技博物館使用磁流變器件用于地震反應(yīng)控制，在以后的幾年里又在多幢大樓安裝了類似磁流變器件，取得良好的抗震效果［16］。美國Marathe、Pronota研究了磁流變技術(shù)對飛行器機翼的振動控制問題，利用磁流變器件有效解決了直升機旋轉(zhuǎn)葉片由于飛行狀態(tài)和氣候變化而產(chǎn)生的振動問題［17］。美國軍方長期資助磁流變技術(shù)的研究工作，具體內(nèi)容嚴(yán)格保密，不為外界所知。

與國外的研究相比，國內(nèi)對磁流變材料及產(chǎn)品的研究與應(yīng)用起步相對較晚。我國自然科學(xué)基金委員會曾先后資助部分研究機構(gòu)和大學(xué)開展磁流變材料及其相關(guān)技術(shù)的研究。目前我國在磁流變流變機理、裝置開發(fā)、動力建模、控制策略及工程應(yīng)用方面取得了一定的進展，已有數(shù)十家科研機構(gòu)從事磁流變技術(shù)研究，有些已經(jīng)應(yīng)用于實際工程中，具有良好的工程應(yīng)用前景［18－22］。重慶材料研究院是國內(nèi)少數(shù)研制磁流變液的機構(gòu)之一，其研制的磁流變液主要技術(shù)指標(biāo)已接近國外產(chǎn)品水平，并提供給國內(nèi)數(shù)十家機構(gòu)進行產(chǎn)品研究開發(fā)。同時該院也涉足磁流變產(chǎn)品的開發(fā)，研制的橋梁拉索抗風(fēng)振阻尼器已成功用于重慶外環(huán)觀音巖大橋，效果良好。南京航空航天大學(xué)的周瑾等研究了磁流變隔振器與磁懸浮隔振并聯(lián)后的效果，實驗證明，磁流變隔振的阻尼效果明顯。哈爾濱工程大學(xué)利用磁流變隔振器與傳統(tǒng)鋼絲繩復(fù)合隔振方式對船舶減振基座進行試驗研究，實驗表明該減振基座系統(tǒng)對振動響應(yīng)有較好的控制效果，特別在激振載荷幅值較大、頻率較低時控制作用顯著，力的傳遞率在低頻激振條件下接近于1，在高頻條件下僅為0.02，隔振效率較高。哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了磁流變阻尼器在建筑物上的抗震研究，并提出了可調(diào)滯回模型，通過實驗驗證了變電流可調(diào)滯回模型的優(yōu)越性，當(dāng)輸入簡諧振動頻率低于0.5 Hz、位移幅值大于8 mm時，限位性能較明顯。清華大學(xué)研究了磁流變復(fù)合隔振器各種理論控制模型，實驗表明其采用的半主動控制策略對隔振效果有一定的改善作用。重慶大學(xué)、西安交通大學(xué)等單位在國家自然科學(xué)基金支持下研制出了水下裝置磁流變智能隔振器，應(yīng)用效果良好。除隔振器外，這些單位開發(fā)的磁流變減振器已通過200萬振動臺架試驗，并用于某些特種車輛的路試，獲得了理想的減振效果，還發(fā)表了多篇研究論文，獲得數(shù)項發(fā)明專利。

3 磁流變液的應(yīng)用

3.1 磁流變阻尼器

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

車輛在行駛過程中，車身要受到巨大的沖擊，這樣會使車輛的底盤受到劇烈的撞擊力，從而對乘客以及車上儀表等造成嚴(yán)重的傷害。普通的機械減振器性能單一，減振效果差，不能滿足車輛在不同路況時的動態(tài)變化要求。磁流變液減振器作為一種在一定范圍內(nèi)阻尼力由磁場快速無級調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)簡單、功耗小的新型阻尼可調(diào)減振器，利用磁流變液作為減振器工作液，通過施加外磁場改變磁流變液的抗剪應(yīng)力和黏度，從而獲得可變阻尼。

火炮等自動武器在發(fā)展過程中，威力與機動性一直是難以調(diào)和的矛盾，一個好的反后坐裝置可以極大減輕火炮質(zhì)量，提高機動性能。一般的火炮反后坐裝置都是通過調(diào)整節(jié)流孔的流域面積來控制后坐的阻尼，以實現(xiàn)后坐阻尼規(guī)律變化，但這種液壓裝置質(zhì)量大，嚴(yán)重影響火炮的機動性。磁流變阻尼器具有輸出力大、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、易于控制等特點，將磁流變阻尼器應(yīng)用于火炮反后坐系統(tǒng)上，可減小后坐力或行程，抑制火炮發(fā)射時的振動，改善對火炮平穩(wěn)性的控制，提火炮高精度和毀傷率，同時降低后坐質(zhì)量，提高火炮機動性能，對現(xiàn)役火炮等武器性能的改造和提高有重要的現(xiàn)實意義。

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(chǎn)生相當(dāng)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(wěn)定性有著不良得影響，會造成了一系列損失。而根據(jù)磁流變效應(yīng)設(shè)計的磁流變離合器，依靠主、被動元件之間工作介質(zhì)磁流變液來傳遞動力。工作時通過調(diào)整施加的外磁場可改變磁流變液的黏度和剪切屈服應(yīng)力，從而調(diào)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(jié)構(gòu)簡單、操作方便、無磨損、噪聲低、響應(yīng)快、無級可調(diào)和工作可靠等許多優(yōu)點，是一種較為理想的離合器件。

3.3 磁流變拋光

磁流變液在高梯度的可控磁場的作用下能夠發(fā)生明顯的磁流變效應(yīng)，轉(zhuǎn)變成為具有黏塑性的Bingham流體。利用這一特性，磁流變液也可應(yīng)用在拋光方面。目前設(shè)計的磁流變拋光一般是通過磁流變液流經(jīng)工件與拋光盤形成的微小間隙時，在磁場的作用下可形成具有很高剪切屈服應(yīng)力的類固態(tài)“小磨頭”對工件進行拋光。磁流變液在流出磁場區(qū)域時又能迅速恢復(fù)其流體性能，可用泵和回收裝置進行循環(huán)使用。磁流變液形成的“小磨頭”與工件之間形成的是力度可控的軟接觸，可進行柔性拋光，替代傳統(tǒng)拋光中的散粒磨料，更好地實現(xiàn)對工件的精密去除。磁流變拋光相較于其它傳統(tǒng)拋光方法具有很多優(yōu)點，如可通過磁場控制、拋光效率高、剪切應(yīng)力高、磨頭無磨損、溫度適用范圍寬等，特別是通過計算機的精確控制，磁流變拋光能實現(xiàn)其他拋光方法難以加工的復(fù)雜光學(xué)表面的拋光。

4 結(jié)束語

目前磁流變液研究報道較多，磁流變技術(shù)的研究也取得了深入的進展，其工程應(yīng)用已經(jīng)引起了各國專家學(xué)者的興趣，但國內(nèi)迄今為止仍未實現(xiàn)磁流變產(chǎn)品的大規(guī)模商品化。磁流變技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H工程應(yīng)用時面臨很多苛刻、復(fù)雜的環(huán)境，特別是需要解決長期服役可靠性問題。磁流變技術(shù)研究涉及到材料、測試評價技術(shù)、工程科學(xué)等眾多學(xué)科和領(lǐng)域的交叉，需要更多相關(guān)單位以及從事相關(guān)領(lǐng)域的專家聯(lián)合研究，由工程應(yīng)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(fā)現(xiàn)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(huán)，形成良性互動，才能研制出滿足工程應(yīng)用的高性能材料和器件。隨著磁流變技術(shù)研究的進一步深入以及磁流變液穩(wěn)定性、耐久性研究的突破進展，磁流變技術(shù)必將在眾多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

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