磁流变液技术
图书馆信息部
摘要 近年来，磁流变液技术在工程技术领域得到越来越广泛的应用。文章介绍了磁流变液的基本原理、理化特性以及当前的研究与发展情况。并举例说明了磁流变液在减振、振动控制、降噪等领域的实际应用。 关键词 磁流变液 流变特性 阻尼减振
磁流变液(Magnetorheological Fluid, 简称MR Fluid)是一种可控流体。它由量级的铁磁性颗粒分散在低粘度的油或水中，同时加入添加剂，提高混合物的稳定性、抗腐蚀性、润滑、抗氧化、pH值、色素、盐度以及降低酸度。在外部磁场作用下，其性能（如磁学、电学、热学、声学、光学及流变学等性能）可发生显著、迅速（在毫秒级时间内）、连续且基本完全可逆的变化。以流变性能为例，颗粒在外加磁场的作用下被磁化，磁化后的颗粒相互作用聚集成链或柱状有序结构，即流动性良好的牛顿流体在瞬间流变为具有一定剪切屈服强度的Bingham类固体。在宏观上看来，是由自由流动的状态转变为类固态，发生了相变；而一旦磁场撤去，磁流变液又恢复为自由流动状态。
在上个世纪九十年代，磁流变液在制备、固化机理、微观结构、力学分析等方面都取得了丰硕的研究成果，使人们对磁流变液的认识更加深入，直接导致近几年磁流变液在工程中的广泛应用。到目前为止，磁流变液技术已经渗透到机械、采矿、自动化仪表、印刷等行业，包括应用磁流变液制作的家庭健身器械、机械手的抓持机构、装配车间不规则形体的依托架、阀门和密封、机器人传感器、减振器等。应用磁流变液的流变特性制作的器件通常具有结构简单、功耗小、可控性强、易于集成到控制系统中等优点。
磁流变液在减振、振动控制、降噪等领域具有巨大的应用价值，采用磁流变液技术的阻尼器，因其具有能耗低、出力大、响应速度快、结构简单、阻尼力连续顺逆可调，并可方便地与微机控制结合等优良特点，已经成为新一代高性能和智能化的减振装置。在汽车工业、机器人工业、高层建筑和桥梁等相关领域有着广泛的应用前景和巨大的市场潜力。在日本，一个大型博物馆的建筑中利用磁流变液阻尼器来减轻地震对其破坏；在中国洞庭湖大桥上已应用磁流变阻尼器进行斜拉索的减振。另外全球著名的汽车零部件生产商Delphi公司生产的磁流变悬挂装置已经应用在Cadillac豪华轿车上；以生产赛车的防冲击减震器而著称的Carrera公司已经开发出第二代磁流变减震器。Lord公司最近开发出在2A电流下能产生180KN阻尼力的阻尼器，使得磁流变液在建筑、桥梁中用于抗击地震成为可能。
除了可应用在减振、振动控制、降噪等领域外，磁流变液还可以用于假肢、抛光、洗衣
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机、阀等。另外两个比较特殊的应用包括：在癌症治疗中应用磁流变液，这本质上是磁流变阀的应用，使肿瘤因为得不到血液而停止生长；声波在磁流变液中传播有两种模态而且可由磁场控制，因而在声学中也可以得到应用。
Lord公司以专业生产磁流变液和开发磁流变液商用器件而著称，同时它也成立了自己的磁流变液研究小组。在磁流变液的制备方面他们解决了许多技术问题，如沉降、长效性等。Lord公司的产品已被作为实验、测试、应用的标准。Lord公司目前已申请了几十项关于电磁流变液器件方面的专利。此外，Ford汽车公司的磁流变液小组长期从事磁流变液的机理及应用研究，也为磁流变液性能的提高以及在汽车上的应用做出了贡献。
近年来，磁流变液已受到美国军方的关注。美国Army Tank and Armaments Command (TACOM) 正在研制能由计算机控制的磁流变悬挂系统来更新当前的悍马（Hummer）战车。美国Systems and Planning Analysis, Inc(SPA)正在为阿帕奇AH-64直升机的机关炮(Chain gun)研发半主动控制的磁流变反冲阻尼系统。该研究受到美国Army Research Laboratory (ARL)的资助。MIT的Gareth McKinley教授正在使用磁流变液研制瞬时盔甲(instant armor)。正如最新的《黑客帝国》影片所展示的那样，当危险来临时，这种盔甲立刻会变成一面坚不可摧的盾牌。该项目受到美国军方的Army Research Office资助。SatCon Technology Corporation研制出了基于磁流变液的连续可变传动装置(Magnetorheological Fluid-Based Continuously Variable Transmission )。此项工作也受到美国Army Research Office(ARL)的巨额资助。
1、磁流变液的理化特性
1.1 磁流变液的基本组成
磁流变液主要由磁性颗粒、基础液、添加剂三部分组成。 1、磁性颗粒
在外加磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒产生链化作用，是磁流变液产生磁流变效应的核心。根据磁流变效应机理研究结论，磁性颗粒具有以下特点： ① 通常磁性颗粒的所用的磁性材料都属于铁、钴、镍等材料； ② 磁性颗粒的材料的饱和磁化为0.21～0.24Tesla； ③ 磁性颗粒的形状为球形，直径一般为10-7～10-5m； ④ 磁性颗粒的体积分数一般为10%～40%。
在人们所知道的大量磁性材料中，可供选择用于制备磁流变液的却只有少数几种：?-Fe2O3, CoFe2O4, Ni Fe2O4, Fe3O4, Ni, Co, Fe, FeCo和NiFe合金等。在这些磁性材
料中，只有Fe2O4, CoFe2O4, NiFe2O4氧化稳定性较好。 2、基础液
基础液是磁流变液中磁性颗粒的载体，其作用是将颗粒均匀地分散在液体中，以使磁流变液在零磁场时，具有牛顿流体的特性，而外加磁场时又具有粘塑性流体的特性。选择基础
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液要根据它的流变特性、摩擦特性和温度变化时的稳定性，常用的基础液有矿物油、硅油、合成油、水等。美国Lord公司已有商品化磁流变液产品上市，如型号为MRF- 122-2ED，MRF- 132DG，MRF-140CG， MRF-241ES，MRF-336AG，这五种磁流变液的基础液，前三种均为碳氢化合物，第四种为水，第五种为硅油。 3、添加剂
为改善磁流变液的性能而加入添加剂，如增强磁流变效应的表面活性剂，防止零磁场时颗粒凝聚的分散剂和防止颗粒沉淀的稳定剂。某磁流变液的基本物理化学性质下表所列。 组成： 颜色： 外观： 密度（g/ml）： 固含量（%）： 闪点： 1.2 磁流变液的性能 研究磁流变液的性能及其影响因素对于磁流变液的应用具有重要意义。对于工程应用，磁流变液的性能包括： 1、流变学性能
不加磁场时，磁流变液表现出牛顿流体行为；外加磁场时，磁流变液表现出Bingham（宾汉）塑性体的行为 , 其本构方程为：
???y(H)????Tider MRF27/50 二甲基硅油，羰基铁粉，稳定剂及助剂 灰黑色 粘稠悬浮液 3.07 81.79 155 ℃ Tider MRF8000/50 二甲基硅油，羰基铁粉，稳定剂及助剂 灰黑色 粘稠悬浮液 3.09 81.24 300 ℃ ，
???y(H)
???0,???y(H)
式中： ?——是磁流变液的剪切应力；
?y(H)?——是磁流变液的动态屈服应力，它随外加磁场强度H变化；
——是零场时磁流变液的粘度；
??——是磁流变液的剪切应变率。
Bingham模型表明：在零磁场时，磁流变液表现为牛顿流体；在外加磁场时，磁流变液表现为Bingham流体。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的粘度流动；当磁流变液的剪切应力小于其屈服应力时，磁流变液类似固体运动。 2、磁学特性
磁流变液的磁化曲线表现为：当磁场强度增加时，磁化强度先是迅速增加，然后是缓慢
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增加，最终达到饱和磁化强度。Jolly等人介绍了Lord公司生产的4种磁流变液的磁化曲线，磁感应强度随磁场强度的增加而增加；当磁场强度从零增加到16kA/m时，磁感应强度也线性增加；磁场强度增加到318kA/m时，磁感应强度是非线性的迅速增加；磁场强度超过318kA/m 时，达到饱和感应强度。 ③ 屈服应力
磁流变液能产生很高的屈服强度，如美国Lord公司生产的磁流变液体MRF-241ES的屈服应力接近70KPa。包含有羰基铁粉的磁性悬浮液组成的磁流变液体的屈服应力可达100 kPa。
2、磁流变液技术的应用
磁流变阻尼器是一种智能振动控制装备。由于采用了性能优异的智能可控流体——磁流变液， 所以该装备结构简洁，功耗极低，并可实现对阻尼力的瞬间精确控制。其工作原理是：当给磁流变阻尼器内置励磁线圈加一定稳恒电流时，阻尼通道内便产生磁场，磁场会导致磁流变液的流变特性发生瞬间改变，从而实现了加外电流对阻尼力的精确控制，这种控制是无级、精确、迅速（响应时间为毫秒级）、连续和可逆的。磁流变阻尼器非常适合于重大工程结构抗震减振、大型机械设备缓冲减振、交通工具减振等领域。
目前，磁流变液减振器已经在桥梁斜拉索、海洋平台结构以及汽车悬挂系统、假肢、卡车座椅、滚筒洗衣机等工程中的减振方面得到了初步的应用，取得了非常好的振动控制效果。其中洗衣机中有一个很好的应用，洗桶有许多的弹簧支撑，这些弹簧除了起到支撑之外，还可以起到滚筒在高速旋转时候的减振。
许多家庭只有一个洗衣机，没有干燥机，当滚筒以2000转/min高速旋转的时候，高速旋转产生的离心力使得水抛向筒的四周产生振动。事实上制造商应该减小排水口的尺寸，防止小件衣物排出来。为了提高这一性能，制造商采用了磁流变阻尼减振器。结构如图1所示。
图1阻尼减振器在洗衣机中的应用示意图
结构中有一组弹簧吊起滚筒，在滚筒脚柱有一组磁流变阻尼减振器，这种阻尼减振器是可控的。工作原理是弹簧配合阻尼器来减小滚筒高速振动的幅度。
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图2 阻尼减振器的结构剖面图
虽然磁流变液阻尼减振器不许要密封和轴承，但是一些被动部件仍然需要一些修改。减振器的结构构成如图2所示，主要包括：电动铅、钢套、铁心，线圈，带有MR的吸振泡沫或其他吸振材料。由这些元件组成一个位于轴端的活塞，可以在钢套里面沿着轴线方向运动，钢套用于阻止磁通量的路径。磁场的加载使得矩阵中的磁流变液数列形成了屈服强度和抗剪切数列，产生力的大小与暴露在磁场中的磁流变液体泡沫海绵体多少成正比，这种布局可以同时适用于线性和旋转式结构。
在洗衣机滚筒高速旋转情况下，磁流变液减振器的效果会更好。在洗衣机滚筒高速运动的时候，磁流变液阻尼减振器会被关闭一段时间，目的是为了隔离更高一级的振动。一般来说，理想的情况下，每双阻尼器最少产生50到150牛的阻尼力，当振动加强或者在阻尼器的残余力低于5牛的时候，阻尼减振器也要产生同样大的阻尼力。如图3所示。
图3 阻尼减振器在不同的转速下的减振图谱
可控阻尼力的磁流变液减振器需要的电能很少。为了有效控制共振，通常需要输入的功率为10瓦左右，此功率要在磁流变液减振器中持续输入5～10s 。这样的功率很容易装配在机器上。在洗衣机减震系统中，同时还需要有一个低成本的继电器。
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