磁流變液技術(shù)第8期

1、磁流變液技術(shù)圖書館信息部摘要 近年來，磁流變液技術(shù)在工程技術(shù)領域得到越來越廣泛的應用。文章介紹了磁流變液的基本原理、理化特性以及當前的研究與發(fā)展情況。 并舉例說明了磁 流變液在減振、振動控制、降噪等領域的實際應用。關(guān)鍵詞磁流變液流變特性阻尼減振磁流變液（Magnetorheological Fluid,簡稱 MR Fluid）是一種可控流體。它由量級的鐵磁性顆粒分散在低粘度的油或水中，同時加入添加劑，提高混合物的穩(wěn)定性、抗腐蝕性、 潤滑、抗氧化、pH值、色素、鹽度以及降低酸度。在外部磁場作用下，其性能（如磁學、 電學、熱學、聲學、光學及流變學等性能）可發(fā)生顯著、迅速（在毫秒級時間內(nèi)）、連續(xù)且

2、基本完全可逆的變化。以流變性能為例，顆粒在外加磁場的作用下被磁化，磁化后的顆粒相互作用聚集成鏈或柱狀有序結(jié)構(gòu)，即流動性良好的牛頓流體在瞬間流變?yōu)榫哂幸欢羟星姸鹊腂ingham類固體。在宏觀上看來，是由自由流動的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞虘B(tài)，發(fā)生了相變； 而一旦磁場撤去，磁流變液又恢復為自由流動狀態(tài)。在上個世紀九十年代，磁流變液在制備、固化機理、微觀結(jié)構(gòu)、力學分析等方面都取得 了豐碩的研究成果，使人們對磁流變液的認識更加深入，直接導致近幾年磁流變液在工程中的廣泛應用。到目前為止，磁流變液技術(shù)已經(jīng)滲透到機械、 采礦、自動化儀表、印刷等行業(yè)， 包括應用磁流變液制作的家庭健身器械、機械手的抓持機構(gòu)、裝配車間

3、不規(guī)則形體的依托架、閥門和密封、機器人傳感器、減振器等。應用磁流變液的流變特性制作的器件通常具有結(jié)構(gòu) 簡單、功耗小、可控性強、易于集成到控制系統(tǒng)中等優(yōu)點。磁流變液在減振、振動控制、降噪等領域具有巨大的應用價值，采用磁流變液技術(shù)的阻尼器，因其具有能耗低、出力大、響應速度快、結(jié)構(gòu)簡單、阻尼力連續(xù)順逆可調(diào)，并可方便 地與微機控制結(jié)合等優(yōu)良特點，已經(jīng)成為新一代高性能和智能化的減振裝置。在汽車工業(yè)、 機器人工業(yè)、高層建筑和橋梁等相關(guān)領域有著廣泛的應用前景和巨大的市場潛力。在日本， 一個大型博物館的建筑中利用磁流變液阻尼器來減輕地震對其破壞；在中國洞庭湖大橋上已應用磁流變阻尼器進行斜拉索的減振。另外全球著

4、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；以生產(chǎn)賽車的防沖擊減震器而著稱的Carrera公司已經(jīng)開發(fā)出第二代磁流變減震器。Lord公司最近開發(fā)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。除了可應用在減振、振動控制、降噪等領域外，磁流變液還可以用于假肢、拋光、洗衣機、閥等。另外兩個比較特殊的應用包括：在癌癥治療中應用磁流變液，這本質(zhì)上是磁流變閥的應用，使腫瘤因為得不到血液而停止生長；聲波在磁流變液中傳播有兩種模態(tài)而且可由磁場控制，因而在聲學中也可以得到應用。Lord公司以專業(yè)生產(chǎn)磁流變液和開發(fā)

5、磁流變液商用器件而著稱，同時它也成立了自己 的磁流變液研究小組。在磁流變液的制備方面他們解決了許多技術(shù)問題，如沉降、長效性等。Lord公司的產(chǎn)品已被作為實驗、測試、應用的標準。Lord公司目前已申請了幾十項關(guān)于電磁流變液器件方面的專利。此外，F(xiàn)ord汽車公司的磁流變液小組長期從事磁流變液的機理及應用研究，也為磁流變液性能的提高以及在汽車上的應用做出了貢獻。近年來，磁流變液已受到美國軍方的關(guān)注。美國 Army Tank and Armaments Command (TACOM)正在研制能由計算機控制的磁流變懸掛系統(tǒng)來更新當前的悍馬(Hummed戰(zhàn)車。美國 Systems and Planning

6、 Analysis, Inc(SPA) 正在為阿帕奇 AH-64 直升機的機關(guān)炮(Chain gun)研發(fā)半主動控制的磁流變反沖阻尼系統(tǒng)。該研究受到美國Army Research Laboratory(ARL)的資助。 MIT的Gareth McKinley教授正在使用磁流變液研制瞬時盔甲(instantarmor)。正如最新的黑客帝國影片所展示的那樣，當危險來臨時，這種盔甲立刻會變成 一面堅 不可摧 的盾牌。該 項目受 到美國 軍方 的Army Research Office 資助。SatCon Technology Corporation 研制出了基于磁流變液的連續(xù)可變傳動裝置(Magne

7、torheologicalFluid-Based Continuously Variable Transmission )。仕匕項工作也受至U美國Army ResearchOffice(ARL)的巨額資助。1、磁流變液的理化特性1.1磁流變液的基本組成磁流變液主要由磁性顆粒、基礎液、添加劑三部分組成。1、磁性顆粒在外加磁場作用下，磁流變液中的磁性顆粒產(chǎn)生鏈化作用，是磁流變液產(chǎn)生磁流變效應的核心。根據(jù)磁流變效應機理研究結(jié)論，磁性顆粒具有以下特點： 通常磁性顆粒的所用的磁性材料都屬于鐵、鉆、鐐等材料； 磁性顆粒的材料的飽和磁化為0.210.24Tesla ; 磁性顆粒的形狀為球形，直徑一般為10-

8、710-5m； 磁性顆粒的體積分數(shù)一般為10%40%在人們所知道的大量磁性材料中，可供選擇用于制備磁流變液的卻只有少數(shù)幾種： V一 -Fe2O3, CoFe2O4, Ni Fe2O4, Fe3O4, Ni, Co, Fe, FeCo 和 NiFe 合金等。在這些磁性材 料中，只有 Fe2O4, CoFe2O4, NiFe2O4 氧化穩(wěn)定性較好。2、基礎液基礎液是磁流變液中磁性顆粒的載體，其作用是將顆粒均勻地分散在液體中，以使磁流變液在零磁場時，具有牛頓流體的特性，而外加磁場時又具有粘塑性流體的特性。選擇基礎液要根據(jù)它的流變特性、摩擦特性和溫度變化時的穩(wěn)定性，常用的基礎液有礦物油、硅油、合成油、

9、水等。美國Lord公司已有商品化磁流變液產(chǎn)品上市，如型號為MRF-122-2ED, MRF-132DG MRF-140CG MRF-241E& MRF-336AG這五種磁流變液的基礎液，前三種均為碳氫化合物，第四種為水，第五種為硅油。3、添加劑為改善磁流變液的性能而加入添加劑，如增強磁流變效應的表面活性劑，防止零磁場時顆粒凝聚的分散劑和防止顆粒沉淀的穩(wěn)定劑。某磁流變液的基本物理化學性質(zhì)下表所列。Tider MRF27/50Tider MRF8000/50組成：一甲基硅油，猿基鐵粉，穩(wěn)TE劑及助劑二甲基硅油，菽基鐵粉，穩(wěn)定劑及助劑顏色：灰黑色灰黑色外觀：粘稠懸浮液粘稠懸浮液密度(g/ml

10、 ):3.073.09固含量(%):81.7981.24閃點：155 C300 C1.2磁流變液的性能研究磁流變液的性能及其影響因素對于磁流變液的應用具有重要意義。對于工程應用， 磁流變液的性能包括： 1、流變學性能不加磁場時，磁流變液表現(xiàn)出牛頓流體行為；外加磁場時，磁流變液表現(xiàn)出 Bingham (賓漢)塑性體的行為，其本構(gòu)方程為： = y(H ) 一 y (H )，y=0 T <Ty(H )式中： E 是磁流變液的剪切應力；勺(H )是磁流變液的動態(tài)屈服應力，它隨外加磁場強度Hge化；n 是零場時磁流變液的粘度；'是磁流變液的剪切應變率。Bingham模型表明：在零磁場時，磁

11、流變液表現(xiàn)為牛頓流體；在外加磁場時，磁流變液 表現(xiàn)為Bingham流體。當磁流變液的剪切應力超過其屈服應力時，磁流變液又以零磁場的粘 度流動；當磁流變液的剪切應力小于其屈服應力時，磁流變液類似固體運動。2、磁學特性磁流變液的磁化曲線表現(xiàn)為：當磁場強度增加時， 磁化強度先是迅速增加， 然后是緩慢增加，最終達到飽和磁化強度。Jolly等人介紹了 Lord公司生產(chǎn)的4種磁流變液的磁化曲線，磁感應強度隨磁場強度的增加而增加；當磁場強度從零增加到16kA/m時，磁感應強度也線性增加；磁場強度增加到 318kA/m時，磁感應強度是非線性的迅速增加；磁場強度超過318kA/m時，達到飽和感應強度。 屈服應力

12、磁流變液能產(chǎn)生很高的屈服強度，如美國 Lord公司生產(chǎn)的磁流變液體MRF-241ES勺屈服 應力接近70KPa包含有洗基鐵粉的磁性懸浮液組成的磁流變液體的屈服應力可達100 kPa。2、磁流變液技術(shù)的應用磁流變阻尼器是一種智能振動控制裝備。由于采用了性能優(yōu)異的智能可控流體一一磁流變液， 所以該裝備結(jié)構(gòu)簡潔，功耗極低，并可實現(xiàn)對阻尼力的瞬間精確控制。其工作原理 是：當給磁流變阻尼器內(nèi)置勵磁線圈加一定穩(wěn)恒電流時，阻尼通道內(nèi)便產(chǎn)生磁場，磁場會導致磁流變液的流變特性發(fā)生瞬間改變，從而實現(xiàn)了加外電流對阻尼力的精確控制，這種控制是無級、精確、迅速（響應時間為毫秒級）、連續(xù)和可逆的。磁流變阻尼器非常適合于重

13、大 工程結(jié)構(gòu)抗震減振、大型機械設備緩沖減振、交通工具減振等領域。目前，磁流變液減振器已經(jīng)在橋梁斜拉索、海洋平臺結(jié)構(gòu)以及汽車懸掛系統(tǒng)、假肢、卡車座椅、滾筒洗衣機等工程中的減振方面得到了初步的應用，取得了非常好的振動控制效果。其中洗衣機中有一個很好的應用，洗桶有許多的彈簧支撐，這些彈簧除了起到支撐之外，還可以起到滾筒在高速旋轉(zhuǎn)時候的減振。許多家庭只有一個洗衣機，沒有干燥機，當滾筒以2000轉(zhuǎn)/min高速旋轉(zhuǎn)的時候，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使得水拋向筒的四周產(chǎn)生振動。事實上制造商應該減小排水口的尺寸，防止小件衣物排出來。為了提高這一性能，制造商采用了磁流變阻尼減振器。結(jié)構(gòu)如圖1所示。Controller

14、SpringsMR Dampers圖1阻尼減振器在洗衣機中的應用示意圖結(jié)構(gòu)中有一組彈簧吊起滾筒，在滾筒腳柱有一組磁流變阻尼減振器，這種阻尼減振器是可控的。工作原理是彈簧配合阻尼器來減小滾筒高速振動的幅度。圖2阻尼減振器的結(jié)構(gòu)剖面圖雖然磁流變液阻尼減振器不許要密封和軸承，但是一些被動部件仍然需要一些修改。減振器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖 2所示，主要包括：電動鉛、鋼套、鐵心，線圈，帶有MR勺吸振泡沫或其他吸振材料。由這些元件組成一個位于軸端的活塞，可以在鋼套里面沿著軸線方向運動，鋼套用于阻止磁通量的路徑。 磁場的加載使得矩陣中的磁流變液數(shù)列形成了屈服強度和抗剪 切數(shù)列，產(chǎn)生力的大小與暴露在磁場中的磁流變液體

15、泡沫海綿體多少成正比，這種布局可以同時適用于線性和旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。在洗衣機滾筒高速旋轉(zhuǎn)情況下，磁流變液減振器的效果會更好。在洗衣機滾筒高速運動 的時候，磁流變液阻尼減振器會被關(guān)閉一段時間，目的是為了隔離更高一級的振動。一般來說，理想的情況下，每雙阻尼器最少產(chǎn)生50到150牛的阻尼力，當振動加強或者在阻尼器圖3阻尼減振器在不同的轉(zhuǎn)速下的減振圖譜可控阻尼力的磁流變液減振器需要的電能很少。為了有效控制共振，通常需要輸入的功率為10瓦左右，此功率要在磁流變液減振器中持續(xù)輸入510s 。這樣的功率很容易裝配在機器上。在洗衣機減震系統(tǒng)中，同時還需要有一個低成本的繼電器。TransmrttedForce圖4磁流

16、變液阻尼減振阻尼力分布范圍3、總結(jié)磁流變液技術(shù)雖然是最近幾年出現(xiàn)的具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)材料，但是已經(jīng)顯示出優(yōu)越的性能和廣闊的工程應用前景， 特別在減振器上的應用更為廣闊。 由于磁流變液的物理化學成分， 決定了其特定的力學特性，利用現(xiàn)代控制技術(shù)，可以讓磁流變液表現(xiàn)出人們所需要的性能， 不論在洗衣機減振，汽車懸架系統(tǒng)，土木采礦，醫(yī)療都有成功的應用， 相信這項技術(shù)在我國 的研究和開發(fā)會有很大的突破。參考文獻：1 Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modeling, Testing and Contr

17、ol/Guangqiang Yang2 3 Commercial Leader in MRTechnology 4 Carlson J D, John C. Controllable Brake. US Patent No. 5842547, 19985 Carlson J D, Clair K A St, Chrzan M J. Controllable Vibration Apparatus. USPatent No.5878851, 19996 David S, Mehdi A. Vehicle evaluation of the performance of magneto-rheol

18、ogical damper for heavy truck suspensions. Journal of vibration and acoustics, 2001, 123: 365-3757 Rosensweig R E. Ferrohydrodynamics. London: Cambridge University Press, 19858 Rosensweig R E. On magnetorheology and electrorheology as states of unsymmetricstress. Rheol. 1995,39(1): 179-1929 Rosensweig R E, Popplewell J, Siller J K