磁流變液的研究與應用

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研究中心，重慶 400707)

磁流變液(magnetorheological fluids，MRF)是一種主要由載液、高導磁低磁滯的磁性顆粒和添加劑等構成的新型可控流體，是當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可連續(xù)、可逆地轉變?yōu)榫哂懈唣ざ取⒌土鲃有缘腂ingham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性質，此效應被稱為磁流變效應(MR effect)［3］。而當撤去外加磁場時，磁流變液又恢復良好的流動性。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、安靜而且響應迅速的特點［4］。磁流變液有著巨大的應用前景，可用于許多重要工程和尖端技術領域。磁流變技術涉及到眾多學科，如材料科學、流體學、高分子化學、力學、計算機、自動控制及機械等，磁流變技術的發(fā)展將帶動相關技術的進步。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)了磁流變離合器應用裝置［6］。磁流變效應的發(fā)現(xiàn)與電流變效應的發(fā)現(xiàn)時間相近。當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)研究電磁流變技術的科技人員把主要精力放在電流變技術的開發(fā)與應用上，磁流變技術長期未被人們所重視，致使磁流變技術的發(fā)展一直落后于電流變技術。直到最近幾十年，由于磁流變液在力學方面的優(yōu)勢，人們對發(fā)展磁流變技術又重新產生興趣，并取得巨大的進展［7－8］。據(jù)預測，目前已經(jīng)有超過一萬種磁流變產品，包括磁流變阻尼器、減振器、離合器等在實際中應用，未來10年將會有超過100萬個磁流變產品應用于具體工程中［9］。我國對磁流變技術的研究開始于20世紀90年代。最近幾年，國內對于磁流變液的研究取得了很大的進展，在液體制備和應用方面的研究已經(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Fe、Fe3O4粉體構成，其表面一般經(jīng)過化學方法處理，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。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構化處理，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成鏈狀、簇狀結構，具有一定的抗剪切屈服應力。同一條極化鏈中各相鄰粒子之間的抗剪切屈服應力會隨外加磁場強度的增強而增加。當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。磁流變液的屈服應力值隨外加磁場強度的增加而增加，但當達到某一飽和值后，磁流變液的力學性質基本不變，即達到了飽和磁場下的動態(tài)屈服應力，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，其中美國處于技術領先水平，特別在工程化應用發(fā)面。美國lord公司在研制磁流變液及相關產品方面一直為世界所矚目，其磁流變液年產量達到數(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，預計今后每年都會以成倍的速度遞增。該公司產品已在Cadillac系列轎車磁流變懸架控制系統(tǒng)、磁流變風扇離合器、火神系列火炮、土木工程、飛行器、直升機、微機械、智能拋光技術等民用和軍用領域得到成功應用。美國DELPHI公司利用磁流變液研制了汽車動力系統(tǒng)橡膠磁流變復合隔振器，該器件阻尼大，實現(xiàn)了實時調節(jié)阻尼比和動態(tài)剛度，在整個相關頻率范圍內保持對懸置系統(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)技術加入到Stewart平臺內用于隔振，取得了一定效果［13］。美國Virginia大學利用磁流變液研制了磁流變橡膠復合隔振器，具有隔振參數(shù)可調的特性，在寬頻范圍內具有優(yōu)良的隔振效果和抗沖擊性能。除隔振裝置外，該大學還研制了火炮磁流變抗后坐裝置，降低了抗后坐裝置的質量，起到了良好的抗后坐效果。美國學者已經(jīng)系統(tǒng)研究了磁流變器件在建筑結構振動控制中的應用，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，并針對鋼框架結構進行磁流變控制的振動臺試驗研究。結果表明，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構振動的控制效果。結果表明，在這些載荷的激勵下，磁流變隔振器對此結構的控制效果非常好，優(yōu)于傳統(tǒng)隔振系統(tǒng)［15］。日本 SanwaTekki公司將磁流變技術用于建筑結構減震，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葉片由于飛行狀態(tài)和氣候變化而產生的振動問題［17］。美國軍方長期資助磁流變技術的研究工作，具體內容嚴格保密，不為外界所知。

與國外的研究相比，國內對磁流變材料及產品的研究與應用起步相對較晚。我國自然科學基金委員會曾先后資助部分研究機構和大學開展磁流變材料及其相關技術的研究。目前我國在磁流變流變機理、裝置開發(fā)、動力建模、控制策略及工程應用方面取得了一定的進展，已有數(shù)十家科研機構從事磁流變技術研究，有些已經(jīng)應用于實際工程中，具有良好的工程應用前景［18－22］。重慶材料研究院是國內少數(shù)研制磁流變液的機構之一，其研制的磁流變液主要技術指標已接近國外產品水平，并提供給國內數(shù)十家機構進行產品研究開發(fā)。同時該院也涉足磁流變產品的開發(fā)，研制的橋梁拉索抗風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。哈爾濱工程大學利用磁流變隔振器與傳統(tǒng)鋼絲繩復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，并提出了可調滯回模型，通過實驗驗證了變電流可調滯回模型的優(yōu)越性，當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。清華大學研究了磁流變復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、西安交通大學等單位在國家自然科學基金支持下研制出了水下裝置磁流變智能隔振器，應用效果良好。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 磁流變液的應用

3.1 磁流變阻尼器

機械、建筑某些結構的振動，特別是來自于各種擾動過程中的載荷，嚴重地影響了結構的可靠性和精確度，也導致結構的損傷與斷裂，嚴重地威脅設備的正常運行，縮短設備使用壽命，造成安全隱患。因此，結構自適應控制成為設計制造的關鍵問題。磁流變液在結構振動抑制方面的應用主要是利用磁流變液的黏度和剪切屈服應力能隨磁場迅速、可逆變化這一力學特性，制成一種易于控制、連續(xù)可調的阻尼介質，為結構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阻尼力由磁場快速無級調節(jié)、結構簡單、功耗小的新型阻尼可調減振器，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和的矛盾，一個好的反后坐裝置可以極大減輕火炮質量，提高機動性能。一般的火炮反后坐裝置都是通過調整節(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，但這種液壓裝置質量大，嚴重影響火炮的機動性。磁流變阻尼器具有輸出力大、結構簡單、響應迅速、易于控制等特點，將磁流變阻尼器應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生相當大的沖擊載荷，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)磁流變效應設計的磁流變離合器，依靠主、被動元件之間工作介質磁流變液來傳遞動力。工作時通過調整施加的外磁場可改變磁流變液的黏度和剪切屈服應力，從而調整了主、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構簡單、操作方便、無磨損、噪聲低、響應快、無級可調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，轉變成為具有黏塑性的Bingham流體。利用這一特性，磁流變液也可應用在拋光方面。目前設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雜光學表面的拋光。

4 結束語

目前磁流變液研究報道較多，磁流變技術的研究也取得了深入的進展，其工程應用已經(jīng)引起了各國專家學者的興趣，但國內迄今為止仍未實現(xiàn)磁流變產品的大規(guī)模商品化。磁流變技術從實驗室走向實際工程應用時面臨很多苛刻、復雜的環(huán)境，特別是需要解決長期服役可靠性問題。磁流變技術研究涉及到材料、測試評價技術、工程科學等眾多學科和領域的交叉，需要更多相關單位以及從事相關領域的專家聯(lián)合研究，由工程應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用的高性能材料和器件。隨著磁流變技術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，磁流變技術必將在眾多領域中得到廣泛的應用。

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