磁流變產(chǎn)業(yè)化可研報告

1、國家高技術(shù)軍民兩用產(chǎn)業(yè)化項目基于磁流變及磁流體的半主動雙層多級減振平臺可行性研究報告北京國浩傳感器技術(shù)研究院二一三年二月八日目 錄1. 產(chǎn)業(yè)化意義11.1 巨大的社會經(jīng)濟效益11.2 國內(nèi)外技術(shù)指標對比31.3 項目產(chǎn)業(yè)化的必要性41.3.1 項目已具備堅實的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)41.3.2 項目是國家重點支持的技術(shù)領(lǐng)域51.3.3 項目產(chǎn)品是國防軍用和民用急需的產(chǎn)品61.3.4 項目產(chǎn)品擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，關(guān)鍵技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平72. 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展思路82.1 技術(shù)路線82.2 技術(shù)優(yōu)勢93. 智能器件及應用領(lǐng)域113.1 磁流變及器件在軍工領(lǐng)域的應用123.1.1 武器沖擊緩沖裝置123.1.2

2、磁流變技術(shù)在軍用運載方面的應用133.1.3 磁流變技術(shù)在直升機上的應用133.1.4 磁流變液在軍用防護裝置中的應用143.1.5 新型磁流變液伺服閥153.2 磁流變及器件在民用領(lǐng)域的應用163.2.1 磁流變阻尼控制系統(tǒng)163.2.2 控制元件203.2.3 研磨拋光223.2.4 磁流變液密封234. 項目優(yōu)勢245. 產(chǎn)業(yè)化的投資回報率25271. 產(chǎn)業(yè)化意義1.1 巨大的社會經(jīng)濟效益磁流變液(Magnetorheological Fluids即MRF)是一種具有工程應用價值的新型智能流體材料，被譽為二十一世紀最有前途的智能材料之一。它是一種由微米級磁性顆粒分散在載液中形成的穩(wěn)定懸浮

3、液。主要由載液、磁性粒子和添加劑等組成。磁流變液能夠隨外加磁場強度的增加由液體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞腆w，當外加磁場撤消，磁流變液又能恢復到液體的狀態(tài)。在該過程中，磁流變液的粘度保持連續(xù)、無級變化，整個轉(zhuǎn)化過程極快，且可控，能耗極小，可以實現(xiàn)實時的主動和半主動控制。磁流變液中磁性顆粒的尺寸很小，無磁場作用時其流動特性和工作特性與傳統(tǒng)液壓油沒有多大區(qū)別，在制造或使用過程中不易受到化學雜質(zhì)的影響，多數(shù)磁流變液裝置不需要特殊加工。因此，磁流變液可代替普通液壓油直接應用于現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)中，只需低電壓，利用基本電磁感應回路即可產(chǎn)生激活和控制磁流變液的磁場，只要有磁場作用，就能獲得幾十個千帕以上的應力場，應用前景為

4、專家學者普遍看好，世界發(fā)達國家都投入了巨額資金進行了長時間的應用開發(fā)研究。圖1-1為磁流變液在磁場下的靜態(tài)照片。圖1-1.磁流變液外加磁場下的狀態(tài)磁流變液技術(shù)可廣泛應用于機械工程、汽車工程、控制工程、精密儀器加工及航空航天、生物醫(yī)藥以及國防和軍事工程等領(lǐng)域，主要包括磁流變液阻尼技術(shù)、傳動技術(shù)、制動技術(shù)、拋光技術(shù)、密封技術(shù)以及生物醫(yī)藥技術(shù)等方面。目前已經(jīng)有超過一萬種的磁流變產(chǎn)品，包括磁流變阻尼器、減振器、離合器、超微型智能多維機器人仿生手指等已投入應用，在未來10年中將會有超過100萬個磁流變產(chǎn)品應用于具體工程。對于磁流變液的研究已經(jīng)有50多年的歷史，近十幾年來在材料性能、機理及應用均取得了突破

5、性的進展，解決了生產(chǎn)成本、大規(guī)?；a(chǎn)和應用的諸多制約瓶頸，應用前景十分廣闊。其相關(guān)器件在軍工領(lǐng)域的應用，將會大大提高武器裝備性能，推動裝備現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展；在民用領(lǐng)域的大規(guī)模推廣，每年可創(chuàng)造數(shù)百億元的產(chǎn)值，能有效促進國民經(jīng)濟的發(fā)展。然而，對于這種新型智能材料的研究在我國還是剛剛開始，大規(guī)模生產(chǎn)還處在空白階段，在軍工和民用領(lǐng)域均擁有巨大潛在市場。美國Lord公司是目前唯一可批量供貨的磁流變液產(chǎn)品供應商，其產(chǎn)品標準已事實上成為通用的產(chǎn)品質(zhì)量參考標準。國浩傳感器技術(shù)研究院一直致力于磁流變智能器件的研究開發(fā)工作，經(jīng)過長期的努力，在國家多項科研成果的基礎(chǔ)上，自主開發(fā)了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型智能

6、氮化鐵磁流變液核心原材料及其相關(guān)器件。與國內(nèi)外同類產(chǎn)品比較，它具有以下優(yōu)勢：1） 新型高性能磁流變液采用氮化鐵作為主要磁介質(zhì)，抗氧化性能全面超越國外鐵和鐵鈷合金磁介質(zhì)磁流變液，且具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)。2） 采用液相兩步法制備工藝，氮化鐵磁介質(zhì)具有優(yōu)異的親油性能，抗沉降穩(wěn)定性能優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品，靜態(tài)沉降三個月無析油，保證了器件長期穩(wěn)定連續(xù)工作的需要。3） 密度達到3.8 g/cm3, 具有高的剪切屈服強度，1T磁場下的剪切屈服強度比國外同類產(chǎn)品高出60，為智能器件的微型化小型化提供了核心原材料的保證。4） 具有能與電子系統(tǒng)匹配的響應速度，瞬態(tài)響應為毫秒級（千分之一秒），集成電路可非常容易實現(xiàn)

7、對磁流變裝置的實時控制。5） 飽和磁化強度達到323 KA/m，采用高飽和磁化強度磁流變液核心原材料能簡化機械結(jié)構(gòu)，降低制造公差要求和加工成本。如在磁流變閥中可以省去傳統(tǒng)閥必備的閥芯、操縱桿和密封裝置等，實現(xiàn)少移動件甚至無移動件; 制造公差也可以放寬，從而降低制造成本。項目實施至今，已經(jīng)申請了國防專利，完成了單臺日產(chǎn)100公斤規(guī)模中試，僅需并聯(lián)一定數(shù)量的相關(guān)設(shè)備即可實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。將這個具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的高科技產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化并推向市場，不僅能夠取代進口，打破國外Lord公司一家壟斷的局面，對推進我國產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級也具有深遠的影響和意義。1.2 國內(nèi)外技術(shù)指標對比國浩傳感器技術(shù)研究院聯(lián)合鋼

8、鐵研究院、北京科技大學和清華大學等多所院校的資深專家，投入大量的資金，經(jīng)過長期的科研公關(guān)，歷經(jīng)10年的潛心研發(fā)，開發(fā)出一種連續(xù)規(guī)?；a(chǎn)、高性能的磁流變液制備工藝，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)性能優(yōu)異的、抗氧化的氮化鐵微粒磁流變液，其主要技術(shù)指標全面超越了國外Lord公司產(chǎn)品的水平。我院研制的低密度產(chǎn)品最低可達到1.5 g/cm3，首創(chuàng)了磁流變液在低負載高速響應振動控制的新應用領(lǐng)域，擴展了磁流變液的應用范圍。表1-1為Lord公司產(chǎn)品與我院產(chǎn)品的性能參數(shù)對比。圖1-2為我院研制產(chǎn)品與Lord公司產(chǎn)品最主要性能磁場-剪切屈服應力的對比。我院產(chǎn)品最高屈服應力達到100KPa，Lord公司最高性能牌號14

9、0產(chǎn)品也僅為60KPa。（數(shù)據(jù)來源于Lord公司產(chǎn)品網(wǎng)站技術(shù)手冊，網(wǎng)址： ）表1-1本項目產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品的比較項目美國Lord產(chǎn)品指標我院指標基液成分硅油/合成礦物油硅油/合成礦物油 工作溫度 5015050150 材料密度 2.53.7g/cm31.53.8g/cm3常態(tài)粘度（剪切速率10s-1） 9.5 Pa·s9.5 Pa·s 剪切屈服強度（200KA/m）5060kPa65-100kPa初始沉降速率（起始沉降格/%）0.30.1飽和磁化強度294 KA/m323 KA/m三個月凈置析油率2小于1或不析油國浩研究院產(chǎn)品圖1-2. 產(chǎn)品數(shù)據(jù)對比(上圖為Lord公司最

10、高產(chǎn)品，下圖紅線為我院研制產(chǎn)品)1.3 項目產(chǎn)業(yè)化的必要性1.3.1 項目已具備堅實的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)我院產(chǎn)業(yè)化項目科研團隊曾負責過國家863高性能氮化鐵磁性液體的制備和應用研究，掌握成熟超細磁性微粒的制備工藝和技術(shù)，而且核心技術(shù)為世界首創(chuàng)，產(chǎn)品性能優(yōu)異，突破了在高新技術(shù)領(lǐng)域長時間跟跑的窘境。已經(jīng)解決了大顆粒氮化鐵微粒的沉降問題，提高了液相分解磁流變液的綜合性能，攻克了大規(guī)模批量生產(chǎn)和智能器件仿真、設(shè)計、制造等關(guān)鍵技術(shù)問題。對于大顆粒氮化鐵微粒的沉降問題，采用添加納米級氮化鐵顆粒、多孔親油氣相二氧化硅和多種表面活性劑等手段聯(lián)合，成功解決了磁流變液沉降穩(wěn)定性的世界難題；通過引入鐵核心的技術(shù)方案解決了液

11、相分解制備磁流變液性能不高的技術(shù)難點；用羰基鐵液體直接通入熱油介質(zhì)制備磁流變液，通過控制爐溫調(diào)控磁性顆粒的形貌和粒度，可滿足包括軍用等苛刻環(huán)境下對產(chǎn)品性能的要求。目前我院產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的磁流變液靜置三個月析油少于1%，密度達到3.85g/cm3，最高屈服應力達到100KPa，達到甚至超越了國外最高水平Lord公司產(chǎn)品的標準。我院研究團隊所掌握的信息、技術(shù)儲備和研究經(jīng)驗能夠保證產(chǎn)業(yè)化項目的順利完成，為產(chǎn)業(yè)化的實施提供充足的技術(shù)支撐。在實驗室規(guī)模生產(chǎn)完成的前提下，研究院組織實施了產(chǎn)業(yè)化的準備工作，先后投入設(shè)備近兩千萬元，完成了針對產(chǎn)業(yè)化實施的小試和中試生產(chǎn)放大試驗。目前已成功實現(xiàn)單爐日產(chǎn)100公斤

12、的規(guī)模化生產(chǎn)，后期僅需要在此基礎(chǔ)上按比例擴建10臺套相關(guān)設(shè)備即可實現(xiàn)年產(chǎn)量達400噸左右規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，完全具備產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件。基于自主研發(fā)的高性能氮化鐵磁流變液，設(shè)計可應用于裝甲車輛智能主動減振、潛艇發(fā)動機半主動振動控制降噪、較大口徑武器減振緩沖、航空航天著陸緩沖器等領(lǐng)域，具有瞬態(tài)響應快、低功耗、大阻尼力特點的軍民兩用阻尼、減振、密封、緩沖器件，通過對設(shè)計的磁流變器件進行的模擬試驗和實際使用，驗證了其實際應用的優(yōu)勢。開發(fā)出了基于磁流變和磁性液體雙相高壓動密封器件，動態(tài)密封可達到30MPa。開發(fā)的基于磁流變及磁流體的半主動雙層多極減振平臺，在多項國家戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)級別的軍工項目上都予以

13、實際應用。申請了國防專利，為國防事業(yè)的現(xiàn)代化作出了貢獻。1.3.2 項目是國家重點支持的技術(shù)領(lǐng)域本項目是國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(國防863計劃)項目，由國浩傳感器技術(shù)研究院承擔開發(fā)，同時由清華大學、北京科技大學、中國人民公安大學、中國人民解放軍裝備指揮學院、中國科學院、航天科工集團等單位協(xié)同完成，是我國軍民兩用新型智能材料與器件重點開發(fā)與應用的高技術(shù)項目。國家科學技術(shù)中長期發(fā)展規(guī)劃綱要(2005-2020年) 把磁流變液材料列為國家重點扶持的“高科技前沿技術(shù)項目” 。項目實施至今已經(jīng)申請了國防專利，完成了一項國防863專項。1.3.3 項目產(chǎn)品是國防軍用和民用急需的產(chǎn)品隨著世界軍事科技的發(fā)展，

14、現(xiàn)代戰(zhàn)爭對武器的自動化水平、射擊精確性、機動性要求日益提高。加強對各種武器、車載艦載精密儀器、航空航天精密儀器的智能化主動減振，提高儀器的精密加工和真空密封水平是提升我國國防建設(shè)和武器裝備自動化程度的基本保障。但鑒于國家安全的考慮，國外在諸多技術(shù)方面對我國實行禁運或各種限制。本項目開發(fā)的磁流變液及相關(guān)器件具有自主知識產(chǎn)權(quán)，將現(xiàn)代的自動控制技術(shù)和新型智能可控材料相結(jié)合，在軍工及民用的智能主動減振、精密拋光、高壓動密封等方面均有廣泛應用，是現(xiàn)代國防軍工和民用的急需產(chǎn)品！在軍工方面，如在軍用車輛和車載武器上使用磁流變阻尼減振器，可隨著行駛條件的變化而具有自適應性，不僅能提高舒適度與穩(wěn)定性，而且能夠提

15、高車載武器裝備在行進狀態(tài)射擊的精確度，尤其是在野外戰(zhàn)場和路面情況惡劣的情況下，有效提高我軍的打擊精準度、威攝力和機動性。按照我國的探月工程規(guī)劃，二期工程中要將探測器送到月球上，應用磁流變緩沖控制技術(shù)可以保證探測器中的精密儀器，在著陸時免受沖擊。磁流變液還是優(yōu)良的軍用防護裝置核心材料，將磁流變液填充在防護裝置的空隙中，同時將傳感器散布于其中，當傳感器檢測到?jīng)_擊波或者瞬態(tài)沖擊時，電源便開啟產(chǎn)生相應大小的磁場使磁流變液在毫秒級的時間內(nèi)成為堅韌的類固體，從而達到抵御沖擊波的目的。此外，磁流變液在武器緩沖裝置，直升機起落架減振，潛艇振動控制減噪，導彈發(fā)射架減振，導彈引信延期保險機構(gòu)等方面均有巨大的應用潛

16、力，是提升我國武器裝備自動化水平和殺傷能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。磁流變液相關(guān)器件在汽車、機器人、醫(yī)療、精密加工、建筑等民用領(lǐng)域中也具有廣闊的應用空間和市場前景。磁流變液溫度穩(wěn)定性好，受環(huán)境影響小，所制成的耗能器可以在-40150 的環(huán)境下工作，且抗環(huán)境干擾能力強，適合應用于惡劣條件下的各種土木工程結(jié)構(gòu)，因此，是土木工程界高度重視的急需產(chǎn)品。磁流變液剎車與離合器不僅能提高操作機動車輛剎車時的柔韌性，且能節(jié)約大量有色金屬，是節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)良的新型智能剎車產(chǎn)品。磁流變液阻尼器件可以主動或半主動的控制阻尼輸出，且連續(xù)可調(diào)，適用于各領(lǐng)域的阻尼減振環(huán)境，并且性能均在現(xiàn)有水平上有大幅提高。例如利用磁流變液阻尼器

17、件開發(fā)的健身器材，既輕便又能更加真實地模擬自然力，提高器材的舒適度。磁流變液還可廣泛應用于其它各個行業(yè)，如在磁流變液拋光、磁流變液密封，磁流變伺服閥，磁流變制動，磁流變傳動，機器人多維仿生手指控制等等領(lǐng)域均使相關(guān)器件的自動化水平、使用舒適度和控制可靠性等有較大幅度的提升。 1.3.4 項目產(chǎn)品擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，關(guān)鍵技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平 該項目產(chǎn)品完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，其關(guān)鍵技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。國浩傳感器技術(shù)研究院充分發(fā)揮核心原材料、傳感測控、自動化控制和智能器件設(shè)計的資源整合優(yōu)勢，完成了從氮化鐵磁流變液核心原材料制備到傳感控制和自動化控制的智能器件的系統(tǒng)搭建，形成了貫通產(chǎn)業(yè)鏈始末的技術(shù)開

18、發(fā)鏈，掌握全套的制備、設(shè)計和自動化控制核心技術(shù)，為后期產(chǎn)品升級和系列化開發(fā)奠定了堅實的技術(shù)儲備。國內(nèi)外產(chǎn)品的技術(shù)指標對比和查新報告證明，我院首創(chuàng)了氮化鐵磁流變液液相制備工藝，自主開發(fā)的磁流變液不僅在剪切屈服應力方面超越了國外Lord公司產(chǎn)品的水平，在抗氧化指標上因采用了耐氧化的鐵三氮取代羰基鐵粉，磁流變液的抗氧化性能得到質(zhì)的提高，這為器件的長期穩(wěn)定工作提供了原材料的保障。因為采用直接液相分解的制備方案，我院制備的磁流變液在沉降穩(wěn)定性方面也遠優(yōu)于世界同類產(chǎn)品，連續(xù)靜置3個月不析油，可保證器件的連續(xù)安全使用。該產(chǎn)品是目前國內(nèi)唯一能在性能上與國外產(chǎn)品相抗衡競爭的。將該產(chǎn)品迅速實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推向市場，滿足

19、市場需求，不僅能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益，而且對推動我國產(chǎn)業(yè)技術(shù)自主創(chuàng)新也將產(chǎn)生巨大的示范效應。 2. 產(chǎn)業(yè)化發(fā)展思路2.1 技術(shù)路線目前，常用的納米和微米材料制備方法主要有兩種：Top-down（自上而下）和bottom-up（自下而上）。前者是利用機械研磨和蝕刻技術(shù)等制備微納尺度結(jié)構(gòu)，是從大做到小的技術(shù)；而后者是從原子或分子出發(fā)，來控制、組裝、反應生成各種納米材料或納米結(jié)構(gòu)，是從小做到大的技術(shù)。對應于磁流變液的制備，自上而下的工藝主要指球磨法制備磁流變液，其優(yōu)點是理論上可以制備任何成份的磁流變液，缺點是制備周期過長，性能不高，尤其是抗沉降性能不高，影響到后期器件長時間工作的安全可靠性；自下而上的

20、工藝主要指熱解羰基金屬，優(yōu)點是制備周期短，性能高，缺點是不易大規(guī)模生產(chǎn)。我院產(chǎn)業(yè)化項目科研團隊選用了自下而上的生產(chǎn)工藝，采用自主設(shè)計制造的核心設(shè)備和制備技術(shù)，解決了高性能氮化鐵磁流變液大規(guī)模連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的世界難題，新生產(chǎn)工藝兼具自上而下工藝和自下而上工藝的優(yōu)點，為規(guī)?；a(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。技術(shù)路線上采用五羰基鐵（Fe(CO)5）在熱油介質(zhì)中進行分解的方法制備磁流變液。根據(jù)我院研發(fā)的兩步法氮化鐵磁變液制備技術(shù)，設(shè)計管式氨化爐和分解爐（如圖2-1），將精確體積的羰基鐵液體通過送料泵從儲料罐泵入管式爐內(nèi)，通過精密控溫技術(shù)，在管式反應爐的預定位置進行如下的化學反應。管式反應爐控溫到90，通入氮氣，將發(fā)生如

21、下合成反應： 然后將中間產(chǎn)物Fe(CO)3·(NH3)2輸送到熱分解爐，控溫到180，再發(fā)生如下熱分解反應：熱分解后制得的鐵微粒子立即進入油介質(zhì)，并被表面活性劑包覆，最后產(chǎn)品Fe3N微粒再上升到爐上部，在那里Fe3N微粒將生長長大，通過控制五羰基鐵加入速度、反應時間、溫度、氨氣流量、表面活性劑種類及用量等相關(guān)參數(shù)，控制氮化鐵微粒的形貌和粒度，冷卻出爐后可得到高性能氮化鐵磁流變液。I管式氨化反應系統(tǒng) II. 熱分解反應系統(tǒng)1.恒溫油浴鍋 2.管式反應器 3.攪拌器 4.加熱器 5.氣液分離器 6.氨化PID溫控器7.微型泵 8.換向閥 9.單向閥10.加熱絲 11.熱解爐 12. 表面

22、活性劑加料漏斗13.閥門 14.熱分解PID溫控器圖2-1. 氮化鐵磁流變液制備裝置示意圖2.2 技術(shù)優(yōu)勢我院研發(fā)的新兩步法制備高性能智能磁流變液的合成工藝，采用了自下而上的技術(shù)路線，并解決了其不易大規(guī)模生產(chǎn)的難題。從磁流變液的制備、檢測、成形、到包裝全流程簡練有序，效率大大提高。所研制的新型氮化鐵磁流變液的磁學性能和力學指標達到或超過了美國Lord公司同類產(chǎn)品的水平，在抗氧化性能上超越了Lord公司產(chǎn)品。產(chǎn)品安全無毒、不揮發(fā)、無異味、種類多、溫度使用范圍寬、抗沉降性能優(yōu)良，適用于各個應用領(lǐng)域。 通常的磁流變液制備技術(shù)是采用表面活性劑對磁性粉末進行改性處理后再調(diào)制分散到油載液中去，羰基鐵粉電磁

23、性能好，是最常用的材料。但該方法存在如下缺點：其一，所制備的鐵磁流變材料性能低，屈服應力60 kPa；其二，羰基鐵粉是采用羰基鐵蒸汽的氣相熱解法制取的，其粒度分布范圍寬，單個粒子是球形的，但粒子間凝聚力很強，出爐時原始狀態(tài)粉末團聚成體積較大的棉花團狀，要在機械壓力下強制過篩，過篩后的粉末在金相顯微鏡下觀察呈鏈球線段狀，有的還是首尾相接的圓圈狀。這種現(xiàn)象使分散很困難，帶來制備工藝和設(shè)備復雜的難題；其三，在大氣環(huán)境中羰基鐵粉顆粒表面會生成一層不均勻的的蓬松狀氧化膜，含氧量23%，這種現(xiàn)象會降低其磁性能；其四，市售的羰基鐵粉粒度規(guī)格一般為2.53.5m，比較粗，沉降動能大，所制備的磁流變液長期穩(wěn)定性

24、差。為解決上述磁流變液制備工藝的磁性能不高，顆粒容易沉降等技術(shù)問題，人們提出球磨法研磨羰基鐵粉制備磁流變液的工藝路線，將羰基鐵粉，表面活性劑以及載液油等加入到球磨機中，使用球磨的方法研磨大顆粒羰基鐵粉制備性能較高的磁流變液。這一制備工藝也存在制備時間長、磁性金屬微粒容易氧化失效、分散困難、成本高等諸多缺點，磁性能不高制約了其在軍工和民用領(lǐng)域的大規(guī)模應用。日本制備Fe3N磁流體采用先氨化再熱分解的工藝（日本專利， 特開平5-101920），但是因為其氨化反應和熱分解反應在同一個容器中分階段完成，即先氨化，再熱分解，然后再進行氨化，熱分解如此往復進行25次，最終形成Fe3N磁流體，在反應的過程中因

25、為形成Fe3N的過程不連續(xù)，F(xiàn)e3N顆粒不能連續(xù)生長，非常適宜于制造磁性微粒粒度20nm以下的磁流體，而不適合制造微粒粒度100-2500nm的磁流變液。我院產(chǎn)業(yè)化項目科研團隊采用的技術(shù)路線和工藝與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下顯著特點和積極效果：其一，磁流變液中的懸浮磁性微粒采用氮化鐵微粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鐵微粒，改善了磁流變液的抗氧化性能和高溫穩(wěn)定性，更適合應用于惡劣環(huán)境；其二，制備工藝直接采用羰基金屬液作為原材料，通過熱分解的工藝直接制備磁性微粒，微粒的形貌和粒度都容易控制，可以制備磁性微粒固形物含量更高，磁性能更優(yōu)異的氮化鐵磁流變液；其三，可以采用兩種或者三種不同的羰基金屬液，根據(jù)使用環(huán)境的要求，制備

26、各種成分比例的磁性合金微粒；其四，磁流變液制備時間減少到傳統(tǒng)球磨法五分之一到三分之一，具有更低的制備成本。下圖為我院制備的氮化鐵磁流變液照片及其微觀掃描電鏡照片。 圖2-2. 氮化鐵磁流變液 （a）無磁場TEM照片 （b）磁場狀態(tài)下TEM照片 圖2-3. 氮化鐵磁流變液TEM照片3. 智能器件及應用領(lǐng)域磁流變液是性能優(yōu)良的智能可控流體，是未來大規(guī)模使用的智能材料之一。利用在磁場中氮化鐵磁流變液良好的可控性能和力學性能，通過控制激勵電流來改變磁場，可實現(xiàn)機電一體化智能控制，在航空航天、軍用防護裝置、武器緩沖裝置、直升機、軍用車輛及引信等軍工領(lǐng)域及機械工程、汽車工程、精密加工工程、自動控制工程、精

27、密動密封、醫(yī)療器械、家電等民用領(lǐng)域均有廣泛的應用前景。阻尼元件是磁流變液的最典型應用，圖3-1所示為典型阻尼器結(jié)構(gòu)圖。通過調(diào)整磁場線圈中電流的大小，控制磁場分布區(qū)域中的磁場強度，從而改變磁流體通道中磁流變液的剪切應力，產(chǎn)生可控的阻尼力。磁流變液阻尼器能產(chǎn)生強大的阻尼力，且可根據(jù)外部的振動不同自行調(diào)節(jié)磁場強度大小，來改變振動系統(tǒng)的阻尼和剛度，達到主動減振的目的。目前，根據(jù)尺寸和使用環(huán)境不同，已研制出了適用于車輛、機械、橋梁等領(lǐng)域的各類阻尼器，以及阻尼力高達20噸力，可抵御地震波的建筑物抗震阻尼器。圖3-1. 典型阻尼器結(jié)構(gòu)圖 3.1 磁流變及器件在軍工領(lǐng)域的應用3.1.1 武器沖擊緩沖裝置在火炮

28、與自動武器的發(fā)展過程中，解決威力與機動性的矛盾一直是其發(fā)展的主線。傳統(tǒng)的火炮反后坐裝置是通過調(diào)整節(jié)流孔的面積來控制后坐阻尼，以實現(xiàn)后坐阻尼規(guī)律，其所含的液壓裝置質(zhì)量大，影響火炮的機動性。磁流變減振器具有輸出力大、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、響應迅速、易于控制等特點，將磁流變減振器應用于火炮反后坐系統(tǒng)上，可減小后坐力或行程，減輕火炮質(zhì)量，提高機動性能，減小火炮發(fā)射時的振動，改善對火炮平穩(wěn)性的控制，提高精度和毀傷率，對武器裝備的輕量化和機動性的提高，對現(xiàn)役武器性能的改造和提高有重要的現(xiàn)實意義。圖3-2為磁流變火炮后坐裝置原理圖。磁流變液的響應時間為毫秒級，所需電源功率不大，通常只需要小于20W 的電功率。目

29、前的技術(shù)條件可以在野戰(zhàn)條件下提供的電源的重量小于1 kg。該電源可以與其他裝備如激光測距儀，夜視儀等電子設(shè)備共用。磁流變緩沖技術(shù)還可以用于武器載體的減振與緩沖。圖3-2 磁流變火炮后坐裝置原理3.1.2 磁流變技術(shù)在軍用運載方面的應用磁流變減振器可以用于車輛、艦艇、航天等各種軍用運載工具的減振上。在路面情況惡劣的情況下，采用磁流變減振系統(tǒng)可提高駕乘穩(wěn)定性和舒適性，提高車、艦載武器裝備的打擊精確度，提高車載武器的機動性。磁流變緩沖控制技術(shù)可以保證我國探月計劃中的精密探測器，在月球著陸后的穩(wěn)定性和可靠性；此技術(shù)可以軍民兩用，在乘用車上的應用可大幅度改善乘車舒適度和駕駛體驗。如圖3-3所示為磁流變減

30、振器在軍用車輛中的應用。目前，汽車零部件供應商德爾福公司已為國外多款轎車提供此技術(shù)作為減振的方案。 圖3-3. 磁流變減振器應用于軍用車輛3.1.3 磁流變技術(shù)在直升機上的應用磁流變阻尼器在地面共振穩(wěn)定性控制方面有很好的表現(xiàn)，將其用于直升機旋翼系統(tǒng)穩(wěn)定性控制是近年來磁流變液在航空工業(yè)中應用的新進展。將磁流變阻尼器用于直升機起落架的減振（如圖3-4）是磁流變阻尼器在直升機上的另一個新應用。利用磁流變液與橡膠制作的復合材料(MRFE) 作為直升機起落架阻尼器的介質(zhì)，在外界磁場的作用下能夠提供連續(xù)可控的阻尼力，通過控制外加磁場可以克服由于單一頻率激勵造成的阻尼幅值損失。圖3-4. 磁流變液阻尼器應用

31、于直升機3.1.4 磁流變液在軍用防護裝置中的應用面對不斷升級的武器裝備，人們不得不研制更堅固先進的盔甲（如凱夫拉纖維）來自我防御。但凱夫拉纖維做的護甲阻礙子彈需要20到40左右的纖維層，不能像其他衣服一樣能彎折，并且笨重、堅硬即便除去內(nèi)部用作額外保護的陶瓷防護層，一件通常也達到4.5公斤，因此一般僅能防護頭部和軀干，對于手臂、腿和脖子處的防護就有些捉襟見肘。利用磁流變液開發(fā)的一種新型防護設(shè)施，正如科幻影片黑客帝國中所看到的一樣，這種盔甲受到外力沖擊后立刻會變成一面堅不可摧的盾甲。其原理是將機織纖維的防彈衣半成品浸泡于磁流變液中，磁流變液充滿織物的空隙中（如圖3-5），利用普通的電源產(chǎn)生控制磁

32、場，同時將傳感器布于瞬時盔甲中，當傳感器檢測到?jīng)_擊波或者瞬態(tài)的沖擊時，電源便開動使磁流變液在ms級的時間內(nèi)成為堅硬的固體，從而達到抵御沖擊波或者散彈沖擊的目的。采用高性能的磁流變液僅僅需要較小的電流就可以產(chǎn)生很大的屈服應力，因而使用普通的單兵野外作戰(zhàn)用普通電源就可以滿足需要，不會增加額外的負擔。如圖3-6所示，新材料的使用改變了傳統(tǒng)護甲堅硬沉重的弊端，而且可以有效的防護脖子，手臂，腿部等活動部位。圖3-5為填充了磁流變液的織物圖3-6新型磁流變防彈衣3.1.5 新型磁流變液伺服閥基于智能材料磁流變液開發(fā)的磁流變液伺服閥可應用于航天器、飛機、艦船、潛艇、核反應控制系統(tǒng)和其它任何需要高性能伺服機構(gòu)

33、的場合。磁流變液伺服閥是一種無磨損、無移動元件、結(jié)構(gòu)簡單的伺服閥，當磁流變液流經(jīng)閥門時，磁流變液的粘度隨外加磁場強度變化而變化，導致流經(jīng)閥門的阻力及閥門入口的壓力增加，因而可減慢或停止液體的流動。磁流變液伺服閥不僅體積小、重量輕、輸出功率大、響應快速，而且成本低、不磨損、可靠性好、易于維護，克服了傳統(tǒng)電液伺服閥加工難度大，維護不易，既昂貴又易磨損的缺點。與傳統(tǒng)液壓控制系統(tǒng)相比，由磁流變伺服閥控制的系統(tǒng)更易獲得反應速度快、穩(wěn)定性高、精度高等動態(tài)特性，能滿足一般小功率、低壓系統(tǒng)控制系統(tǒng)的要求。圖3-7為一款采用磁流變伺服閥的剎車裝置。圖3-7磁流變剎車伺服閥3.2 磁流變及器件在民用領(lǐng)域的應用3.

34、2.1 磁流變阻尼控制系統(tǒng)基于氮化鐵磁流變液開發(fā)設(shè)計的各種阻尼器、制動器、驅(qū)動器、減振器、離合器、緩沖器、液壓系統(tǒng)等可應用于機械減振、汽車減振緩沖、剎車器、主動驅(qū)動器以及半主動減振降噪器，汽車懸架減振、座椅減振、運動健身器械、人造假肢等方面。國外已經(jīng)有成熟的商品化磁流變器件出售，如美國福特和通用汽車公司將磁流變阻尼器用于汽車懸架的半主動控制，并運用于其公司的高檔轎車上；以生產(chǎn)賽車的防沖擊減振器而著稱的Carrera公司已經(jīng)開發(fā)出第二代磁流變減振器（如圖3-8）；全球著名的汽車零部件生產(chǎn)商Delphi公司生產(chǎn)的磁流變懸掛裝置已經(jīng)應用在Cadillac豪華轎車上，且該公司準備推出的MagneRid

35、e品牌之磁流變減振技術(shù)的下一代產(chǎn)品，只需單一減振部件，即可滿足基于同一整車平臺的諸多車型對懸架系參數(shù)調(diào)諧的要求（如既可標定為賽車的運動操控類型，也可調(diào)諧成在城市道路行駛的舒適平順類型）。Lord公司研制出在2A電流下能產(chǎn)生180KN阻尼力的阻尼器，使得磁流變液在建筑、橋梁中用于抗擊地震成為可能。在日本東京國家科學發(fā)明博物館（Tokyo National Museum of Emerging Science & Innovation）就使用了磁流變緩沖阻尼器件以應對地震發(fā)生。在中國的洞庭湖斜拉索大橋上也使用了Lord公司的緩沖阻尼器件，如圖3-9，3-10所示，可根據(jù)橋梁的受力情況自動調(diào)

36、節(jié)橋梁繩索的張力大小。此外，磁流變液減振器還可用于鋼鐵連鑄機、洗衣機等各類大小工業(yè)機械和家用電器中，如圖3-11和3-12所示。圖3-13所示為磁流變減振器在高速列車姿態(tài)控制上的應用。圖3-8 車用主動減振器圖3-9 斜拉索大橋磁流變液自動阻尼減振圖3-10 橋梁阻尼緩沖器圖3-11 鋼鐵行業(yè)連鑄磁流變液減振圖3-12 洗衣機用磁流變液減振器圖3-13 高速列車姿態(tài)控制磁流變半主動懸架采用磁流變減振器作為改變阻尼大小的執(zhí)行器，控制系統(tǒng)根據(jù)路面激勵和懸架響應來調(diào)節(jié)輸入給磁流變減振器的電流，從而改變減振器勵磁線圈產(chǎn)生的磁場強度，使阻尼通道中磁流變液的表觀粘度隨之變化，達到調(diào)整減振器阻尼力的目的。其

37、實現(xiàn)原理如圖3-14所示。相對于被動懸架，磁流變半主動懸架明顯地抑制了汽車垂直振動（圖3-15所示），改善了汽車行駛的平順性，是一種有效的、可靠地、應用前景可觀的可控阻尼執(zhí)行器。傳感器信號處理A/D轉(zhuǎn)換控制器PWM電源非懸置質(zhì)量懸置質(zhì)量磁流變阻尼圖3-14 磁流變阻尼減振原理圖圖3-15 磁流變阻尼減振與軟阻尼和硬阻尼的效果3.2.2 控制元件新型的磁流變控制元件結(jié)構(gòu)更簡潔，功耗更低，具有目前廣泛使用的控制元件無可比擬的成本優(yōu)勢，同時還具有毫秒級的高速響應。是下一代控制元件理想的最佳候選器件。磁流變傳動裝置主要采用剪切模式，其結(jié)構(gòu)主要有圓柱式、圓筒式和圓盤式。磁流變傳動裝置圓柱式結(jié)構(gòu)如圖3-1

38、6所示。當線圈不通電時，磁流變液呈現(xiàn)牛頓流體狀態(tài)，主動轉(zhuǎn)子和從動轉(zhuǎn)子分離；當線圈通電后，磁流變液在磁場作用下成為類固態(tài)形式，在磁場方向形成磁鏈。當主動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，靠磁鏈的磁拉力將轉(zhuǎn)矩從主動轉(zhuǎn)子傳遞到從動轉(zhuǎn)子。磁流變傳動裝置所能傳遞的轉(zhuǎn)矩由磁鏈的剪切強度決定，而磁鏈的剪切強度又隨磁場強度的增加而增大，直到磁飽和為止。當勵磁電流足夠大時，主動轉(zhuǎn)子和從動轉(zhuǎn)子同步運行；當勵磁電流減小至在一定范圍內(nèi)變化時，主、從動轉(zhuǎn)子不同步，憑滑差運行；當勵磁電流進一步減小，主動轉(zhuǎn)子已不能帶動從動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，裝置呈制動狀態(tài)。若將從動轉(zhuǎn)子固定，則裝置變?yōu)榇帕髯冎苿悠鳌?圖3-16 磁流變傳動裝置結(jié)構(gòu)示意圖由于磁流變液相變

39、的過程在毫秒量級內(nèi)完成，因此可以做成敏捷度極高的控制元件，用于聯(lián)接和傳遞兩部件之間的力或力矩。如汽車用離合器、制動器、傳動器等，圖3-19和圖3-20所示為磁流變液制動器及傳動器。圖317(a)、(b)分別為單級同心圓式和多級平行盤式離合器的結(jié)構(gòu)圖。另外，還可制成可控閥門控制液體的流動，做成柔性夾具控制和固定物體的形狀及變化等；利用磁流變液剪切應力可以進行動力的傳遞，使所設(shè)計的器件能夠更加柔軟連續(xù)的控制真正實現(xiàn)連續(xù)無級調(diào)速。如圖3-18所示磁流變液控制的機器人手指柔軟到可運用自如的彈鋼琴，是未來真正智能化機器人最理想的控制器件，即使是在工業(yè)機器人領(lǐng)域其應用潛力也是不可估量。圖 （a）單級同心圓

40、式離合器 （b）三級平行盤式離合器圖3-17磁流變液離合器的結(jié)構(gòu)圖圖3-18. 磁流變控制柔性機器人手指圖3-19磁流變液制動器圖3-20 磁流變液傳動器3.2.3 研磨拋光磁流變拋光給光學領(lǐng)域帶來新的技術(shù)革命，大口徑望遠鏡以及軍事偵察衛(wèi)星光學系統(tǒng)鏡頭表面光潔度大大提高到納米級水平，因技術(shù)的高度敏感性，此項技術(shù)被美國列為軍事禁運名單。 磁流變研磨拋光的原理是用永久磁鐵或電磁鐵工具，將混有磨料的磁流變液吸附在工具上面，對工件表面進行拋光。由于磁流變液外形可以隨工件外形而自動變化，因此對磁鐵工具外形無嚴格要求，很容易加工制造。可以用平面工具吸附磁流體進行拋光。也可用桿狀工具，一端吸附磁流體，代替立

41、銑刀在多軸數(shù)控聯(lián)動機床上，對自由曲面進行拋光，如圖3-22所示。磁流變拋光可使被研磨物表面的光潔度提高至傳統(tǒng)拋光技術(shù)的30倍。其原理圖如圖3-21。圖3-21 磁流變研磨拋光原理圖圖3-22 磁流變研磨拋光機3.2.4 磁流變液密封磁流變液可以應用在機械密封方面，可實現(xiàn)無轉(zhuǎn)動摩擦零磨損的動態(tài)密封效果，在真空系統(tǒng)和高壓旋轉(zhuǎn)動密封領(lǐng)域有著其他同類產(chǎn)品無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢。 同時，因為磁流變液比磁流體具有更高度飽和磁化強度和剪切應力，其密封的效果比磁流體密封還要更好。磁流變液密封的原理圖如圖3-23所示。圓環(huán)形永久磁鐵，極靴和轉(zhuǎn)軸所構(gòu)成的磁性回路，在磁鐵產(chǎn)生的磁場作用下，把放置在軸與極靴頂端縫隙間的磁

42、流變液加以集中，使其形成一個所謂的“O”形環(huán)，將縫隙通道堵死而達到密封的目的。這種密封方式可用于轉(zhuǎn)軸是磁性體和轉(zhuǎn)軸是非磁性體兩種場合。前者磁束集中于間隙處并貫穿轉(zhuǎn)軸而構(gòu)成磁路，而后者磁束比不通過轉(zhuǎn)軸，只是通過密封間隙中的磁流變液而構(gòu)成磁路。圖3-24所示為磁流變液動密封裝置。圖3-23磁流變密封原理圖圖3-24 磁流變液動密封 綜上所述，磁流變及其器件在諸多領(lǐng)域都具有無可比擬的競爭優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和開發(fā)價值，自主知識產(chǎn)權(quán)的磁流變關(guān)鍵原材料和相關(guān)器件的開發(fā)不僅能夠帶動相關(guān)行業(yè)的技術(shù)提升，對我國產(chǎn)業(yè)化技術(shù)升級也具有示范效應。4. 項目優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)化項目是國家重點支持的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項目，在資金支持，稅收抵扣和人才引進方面都給予大力支持。我院擁有先進的兩步法制備磁流變液的技術(shù)工藝，所制備新型氮化鐵磁流變液安全無毒、不揮發(fā)、無異味，具有抗氧化性能強、零磁場粘度低、剪切屈服強度高、高溫穩(wěn)定性好、抗沉降性好、響應速度快、磁性微粒的形貌和粒度可調(diào)可控、磁性合金微粒成分可設(shè)計、制備周期短、成本低等優(yōu)勢，其磁學性能和力學指標達到或超過美國Lord公司同類產(chǎn)品的水平，抗氧化性能超越Lord公司產(chǎn)品。 利用我院生產(chǎn)的核心原材料磁流變液制備的相關(guān)阻尼器件在磁場作用下，在同等剪切強度時，器件體積更小，同時具有更大的可調(diào)范圍、功耗