磁流变液的研究与应用

【前言】磁流变液的研究与应用由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。2、磁流变液的流变机理 到目前为止,磁流变效应产生的机理还没有完全明确,但是从显微镜的观察下可以明显的看到（图1）,在零磁场下,磁流变液的颗粒分布是杂乱的,而在磁场作用下,却是有规则的,且沿磁场方向链束状排列,其原理示意图如图2所示。这样就限制了液体的流动,由...

摘要：磁流变液是在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料,呈现可控的屈服强度,且变化是可逆的。本文阐述了磁流变液的流变机理,介绍了磁流变液的类型和组成成分,以及磁流变液的类型对磁流变效应的影响和磁流变液的各项性能指标对磁流变效应的影响因素。最后给出了磁流变效应的应用领域。

关键词：磁流变液 流变机理 磁流变效应

1、前言

磁流变液（Magnetorheological Fluid,简称MRF）是在外加磁场作用下其黏性、塑性等流体特性发生急剧变化的材料。其在外磁场作用下能在瞬间（毫秒级）从自由流动的液体转变为半固体,呈现可控的屈服强度,而且这种变化是可逆的。磁场对磁流变液的黏度、塑性和黏弹性等特性的影响称为磁流变效应。

80年代中后期,MRF的研究克服了悬浮稳定性差、应用装置磁路设计复杂的缺点,取得了惊人的进展,不仅研制成功了剪切屈服强度可达100、性能稳定的MRF,而且相关的应用也扩展到了阀门、密封、自动化仪器、传感器、研磨（抛光）以及车辆、机械和设备减振等领域。

2、磁流变液的流变机理

到目前为止,磁流变效应产生的机理还没有完全明确,但是从显微镜的观察下可以明显的看到（图1）,在零磁场下,磁流变液的颗粒分布是杂乱的,而在磁场作用下,却是有规则的,且沿磁场方向链束状排列,其原理示意图如图2所示。这样就限制了液体的流动,由原来的流体向半固体发展,剪切屈服强度也随之产生。

（a）零磁场下随机分布 （b）强磁场下成链状

图1 显微镜下MRF颗粒的分布变化

（a）零磁场下随机分布 （b）强磁场下成链状

图2 MRF的原理示意图

颗粒成链束的原因,也存在许多的假设,其中具有代表性的有相对成核理论和场致偶极矩理论。

相对成核理论认为零磁场时,弥散在基液中固体颗粒成随机状态,其迁徙为自由运动。当场强增加时,颗粒磁化,颗粒互相靠拢成有序排列。随着场强增加,这些有序排列联成长链,且以长链为核心,吸收短链,使链变粗,构成固态相。

场致偶极矩理论认为在外加磁场的作用下,每一颗粒都极化成磁偶极子,各个偶极子互相吸引形成链（或纤维）,流变效应强度与偶极子链的力的大小有关系,静磁相互作用是该理论的基础。

上面两种理论体系都假设弥散质粒子为一规则形状（球形）,在磁场作用下球形颗粒完全磁化而互相靠近。实际上,粒子是非常不规则的,某些粒子可能互相嵌套,而且粒子表面又有活性剂包覆,因此在建立模型过程中遇到的困难较多,所得出理论公式与试验所得相差很远,至今还未见成熟的公式出现。

3、磁流变液的类型和成分

3.1 磁流变液的类型

磁流变液的主要成分为软磁性颗粒、母液以及为了防止磁性颗粒沉降而添加的所占比例很少的添加剂。根据组成和性能的不同,磁流变液分为四种类型。

3.1.1 微米磁性颗粒-非磁性载液型磁流变液

这是经典性的磁流变液,绝大多数的研究和应用都使用这种类型的磁流变液。采用微米尺寸的顺磁或软磁材料的颗粒和低磁导率的载液。它具有较强的磁流变效应,屈服应力可达到50～100。

3.1.2 纳米磁性颗粒-非磁性载液型磁流变液

研制的纳米级磁流变液是用30的铁氧粉分散于非磁性载液中制成的非胶体悬浮液,它具有非常好的沉淀稳定性,在中等磁场（0.2,是磁感应强度,1=）作用下,屈服应力可达4。

3.1.3 非磁性颗粒-磁性载液型磁流变液

这种磁流变液使用微米级的非磁性颗粒（如40～50的聚苯乙烯或硅石颗粒）分散溶于磁性载液（如铁磁流体）中制成的悬浮液。虽然铁磁流体作为载液仅具有微小的磁流变效应,但是微小的磁性颗粒形成的链状聚集可与较大的非磁性颗粒结合成类凝胶网状体系,从而使磁流变效应加强。这种悬浮液的磁流变效应较低,主要用于磁流变液的对比研究。

3.1.4 磁性颗粒-磁性载液型磁流变液

这种磁流变液是用微米级的磁性颗粒分散溶于磁性载液中制成的悬浮液。磁性载液加强了磁性颗粒间的作用力,从而增强了磁流变效应。

3.2 磁流变液的组成成分

现就常见的微米磁性颗粒-非磁性载液型磁流变液的组成进行介绍。

3.2.1 软磁性颗粒

软磁性颗粒主要有铁钴合金、铁镍合金、羟基铁等常规的性能优良的颗粒,使用最多的磁性颗粒为羟基铁,因为它是工业化产品,产量大、价格便宜。

根据场致偶极矩理论,建立磁流变液剪切屈服强度的计算模型,得出的剪切屈服强度可以近似表示为:

当颗粒未达到磁化饱和时

（1）

当颗粒达到磁化饱和时

（2）

式中,和为常数,它们受磁流变液中颗粒的体积含量以及颗粒的饱和磁化强度（）等因素影响;为外加磁场;为介于1与2之间的常数。

由式（1-2）可以看出,磁流变液的剪切屈服强度（）与磁化颗粒的饱和磁化强度（）的平方成正比,因此,饱和磁化强度是磁性颗粒最主要的性能指标之一。

3.2.2 载液

用作载液的液体有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇等,对载液的要求是温度稳定性好、非易燃,且不会造成环境污染。

3.2.3 添加剂

磁流变液中温度稳定性主要取决于母液,添加剂的目的就是为了保持磁流变液的不结团、不沉降,如添加各种表面活性剂（油酸）或保护性胶体物质（如硅胶、硅氧化物等）。

4、磁流变效应的特性

4.1 沉降稳定性和再分散

磁流变液中磁性颗粒的体积很小,具有很大的表面能,当混入母液后,因表面吸附作用,具有凝聚,结团的趋势;同时由于磁性颗粒和母液之间的密度差,磁性颗粒有沉降的问题。所以通常需要添加稳定剂和表面活性剂。影响稳定性的因素包括颗粒直径的大小、体积分数、颗粒密度以及载液的黏度和密度等。

4.2 磁特性

研究表明,当磁场强度增加时,磁化强度先是迅速增加,而最终达到饱和磁化强度（）。用颗粒直径为3.7、体积分数分别为0.1、0.2、0.3的三种磁流变液进行了试验,发现磁流变液都在 时饱和,该值与体积分数无关。实验还发现,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。

4.3 剪切屈服强度

影响磁流变液屈服应力的因素有如下几方面:

(1)颗粒饱和和磁化强度的影响。由式（2）可以看出磁流变液的极限剪切屈服强度（）与磁性颗粒的饱和磁化强度（）的平方成正比。

(2)磁场强度的影响。由式（1-1）可以看出,在未达到饱和前磁流变液的屈服应力随磁场强度（或磁感应强度）增大而增加,这种定性的关系已被较多的实验数据曲线所证实。通过进一步试验发现只有在较低磁场强度的区段屈服应力才与成正比;对较高的磁场强度,每个颗粒的极化区出现局部饱和,此时屈服应力与成正比;当磁场强度高至足以使磁化颗粒完全饱和时,所有颗粒都可视为偶极子,此时屈服应力与磁场无关,而与磁化强度（）成正比。

(3)体积分数（）的影响。实验发现,磁流变液的屈服强度与颗粒体积分数成正比。对于较小的磁场强度,当10%≤≤40%时,磁流变液的剪切屈服强度几乎与颗粒的体积分数无关;当≥40%时,剪切屈服强度随颗粒体积分数增大有线性增加的趋势。对于较强的磁场强度,在的整个范围上,剪切屈服强度随颗粒的体积分数（）增大而线性增加。

(4)颗粒直径的影响。研究表明,当颗粒直径较小（0.5～1）时,屈服强度随颗粒直径的增加而大大增加,只有当颗粒直径较大（25～45）时,屈服应力才与颗粒大小无关。

4.4 黏度

通过实验发现,零场黏度随着体积分数的增加而急剧增加,而与颗粒直径无明显关系。对于磁流变阻尼器要求磁流变液零磁场黏度低,以便是磁流变阻尼器的出力有更大的可调范围。

由上述可知,具有良好性能的磁流变液应满足以下要求:

磁场作用下有较高的屈服应力;零场作用时具有较低的黏度;长期的沉降稳定性和凝聚稳定性;较好的化学稳定性;与密封元件不发生化学作用。

5、磁流变效应的应用

磁流变液在很小的磁场下就能获得很高的屈服剪应力,使磁流变液在汽车制造业、测量技术行业、机加工行业、机器人工业领域具有巨大的应用价值。

5.1 磁流变液制动器

磁流变液制动器作用平稳、结构紧凑,比涡流和迟滞制动器所需运行功率小、易控制、作用平稳、更具价格优势;磁流变液刹车与离合器不仅能提高操作机动车辆刹车时的柔韧性,而且能节约大量有色金属。

5.2 磁流变液减振器

磁流变减振器具有很大的阻尼力,且阻尼力可通过调节外加的电流大小来控制,这种减振器由活塞和外壳组成,线圈固定在活塞体上,活塞可在腔内上下运动,通过改变加在线圈的电流大小来改变磁场强度,从而改变磁流变液的粘度,产生附加的阻尼力。它使车辆、船舶、建筑等随着行驶条件或环境条件的变化而具有较好的自适应性并能提高舒适性与稳定性。

5.3 其他领域应用

磁流变液产品广泛应用于其他各个行业,如在医学领域治疗癌症时,应用磁流变阀使肿瘤因得不到血液而停止生长;磁流变阻尼器还可用于制成无级可调式健身器材;磁流变液抛光、磁流变液密封等等。

随着人们对磁流变液其优越的特性逐渐深入的认识和重视,相信磁流变液将得到迅速的发展并得到更广泛的应用。

参考文献

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