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杭州维科磁电技术有限公司
杭州维科磁电技术有限公司 (编号 404) http://www.magneticfluidics.com
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磁流变液的制备、机理和应用
作者:龚兴龙 李辉 张培强
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磁性材料展厅
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摘 要:本文就作者最近在磁流变材料方面的研究介绍磁流变液这种新型智能材料的制备、机理、测试、应用和发展。
关键词:磁流体 磁流变液 磁流变弹性体

1.引言

磁流变液(Magetorheological Fluid,简称MRF)和磁流体(Magnetic Fluid,简称MF)是两个容易混淆的概念。虽然它们都是用磁性微粒分散在合适的液态载体中形成的,但由于悬浮粒子的尺寸范围不同,因而它们的物理特性和应用领域也不同[1]。

从粒子材料和尺寸上说,磁流体中悬浮粒子的直径在1~10nm范围内,通常用合适的表面活性剂将悬浮粒子分散在液体中,由于粒子的尺寸小,布朗运动可以阻止粒子沉淀和团聚,其稳定性能好;而磁流变液,悬浮粒子的直径为0.1~500μm,粒子较大,布朗运动无法阻止颗粒沉淀和团聚,必须采取如表面包裹、复合等方法来降低整个颗粒的密度,提高材料的稳定性。从受外加磁场作用而表现出来的力学性能看,磁流体的屈服应力变化通常在几Pa到几百Pa之间;而磁流变液的屈服应力变化通常可达数十kPa,比磁流体的控制范围大得多。再从二者应用角度看,磁流体主要是利用其粘度变化进行物质分离,机械装置的承载和密封等;而磁流变液主要是利用其提供的大剪切力矩,制作阻尼器件,实现阻尼控制和力矩传递。

本文尝试就我们的研究工作,向各位磁流体研究者介绍磁流变液的制备、机理、测试、应用和发展。

2.磁流变液的研究概况

1948年Rabinow首先提出了磁流变液的概念[2]。它是将微米尺寸的磁极化颗粒分散于非磁性液体(矿物油、硅油等)中形成的悬浮液。在零场情况下,磁流变液表现为流动性能良好的液体,其表观粘度很小;在强磁场作用下可在短时间(毫秒级)内表观粘度增加两个数量级以上,并呈现类固体特性;而且这种变化是连续的、可逆的,即去掉磁场后又恢复到原来的状态。然而,从50年代到80年代期间,由于没有认识到它的剪切应力的潜在性以及存在悬浮性、腐蚀性等问题,磁流变液发展一直非常缓慢。进人90年代,随着制备技术的提高,磁流变液研究重新焕发了生机,成为当前智能材料研究领域的一个重要分支[3-4]。

目前国外已有十几个国家投巨资,对该项目进行加速研究和开发,竞相发展这一技术。美国LORD公司的Carlson和Weiss等人在磁流变液性能研究和应用开发方面取得了较为突出的成就,使LORD公司在国际上第一个推出商用磁流变器[5]。美国加州州立大学的Zhu和Liu等人对磁流变液的流变学,特别是微观结构进行了大量深入的研究[6]。美国Notre Dame大学的Dyke和Spencer等人将磁流变液阻尼器用于大型结构地震响应的控制[7]。另外,白俄罗斯传热传质研究所的Kordonski等人在磁流变液的抛光和密封应用方面取得了较大的进展[8]。德国Kormann等人在对颗粒直径、表面层等作了适当修饰改进后,已研制出稳定的纳米级磁流变液(具有和磁流体几乎完全相同的组成),在0.2T的中等磁场作用下,屈服应力可达4kPa[9]。我国的磁流变液研究工作起步较晚,近几年来国内先后有中国科技大学、复旦大学、重庆大学、西北工业大学、中科院物理所、重庆智能材料结构研究所等数十家科研机构和院校也都相继开展此方面的研究工作。随着研究的深入和MRF性能的提高,该技术开始在机械工程、汽车工程、控制工程、精密仪器加工及航空航天等领域得到初步的应用,已显示了巨大的市场应用潜力。

3.磁流变液的制备

磁流变液一般由铁磁性易磁化颗粒、母液油和稳定剂三种物质构成。铁磁性(软磁性)固体颗粒有球状、棒状和纺锤状三种形态,密度为7~8g/cm3,其中球形颗粒的直径在0.1~500μm [10]范围内。目前可用作磁流变液的铁磁性固体颗粒是具有较高磁化饱和强度的羰基铁粉、纯铁粉或铁合金[11] 。由于羰基铁粉饱和磁化强度为2.15特斯拉,且物性较软、具有可压缩性、材料成本低、购买方便,已成为最常用的材料之一。磁流变液的母液油(分散剂)一般是非导磁且性能良好的油,如矿物油、硅油、合成油等,它们须具有较低的零场粘度、较大范围的温度稳定性、不污染环境等特性[11] 。稳定剂用来减缓或防止磁性颗粒沉降的产生。因为磁性颗粒的比重较大,容易沉淀或离心分离,加入少量的稳定剂是必须的。磁流变液的稳定性主要受两种因素的影响:一是粒子的聚集结块,即粒子相互聚集形成很大的团;二是粒子本身的沉降,即磁性粒子随时间的沉淀。这两种因素都可以通过添加剂或表面活性剂来减缓。由超精细石英粉形成的硅胶是一种典型的稳定剂,这种粒子具有很大的表面积,每个粒子具有多孔疏松结构可以吸附大量的潮气,磁性颗粒可由这些结构支撑均匀地分布在母液中。另一方面,表面活性剂可以形成网状结构吸附在磁性颗粒的周围以减缓粒子的沉降。稳定剂必须有特殊的分子结构,一端有一个对磁性颗粒界面产生高度亲和力的钉扎功能团,另一端还需一个极易分散于某种基液中去的适当长度的弹性基团[12]。

将这三种物质按一定的比例混合均匀,即可形成磁流变液。良好的磁流变液必须具有下列性能:(1)具有优良的磁化和退磁特性,以保证磁流变液的磁流变效应是一种可逆变化。因此这种流体的磁滞回线必须狭窄,内聚力较小,而磁导率很大,尤其是磁导率的初始值和极大值必须很大;(2)应具有较大的磁饱和特性,以便使得尽可能大的“磁流”通过悬浮液的横截面,从而给颗粒相互间提供尽可能大的能量;(3)应具有较小的能量损耗,在工作期间,全部损耗(如磁滞现象、涡流现象等)都应该是一个很小的量;(4)应具有高度磁化和稳定的性能,这就要求磁流变液中的强磁性粒子的分布必须均匀,而且分布率保持不变;(5)应具备极高的“击穿磁场”,以防止磁流变液被磨损并改变性能;(6)应在相当宽的温度范围内具有极高的稳定性,以保证磁流变液的流变性能不会在正常工作温度范围内发生改变;(7)构成磁流变液的原材料应是价廉的而不是稀有的[3,13]。

目前国际上关于磁流变液材料制备方法和工艺的报道比较多。中国科技大学磁流变研究组陈祖耀、江万权等人用Y-辐射技术产生直径在200nm~5μm 的Co粒子,并将铁颗粒表面复合此纳米尺寸的Co粒子,形成铁复合物为悬浮粒子制备的磁流变液。在中国科技大学的旋转式磁流变液测试系统上测试,结果表明剪切屈服应力显著增大[14] ;用直径为2.5μm~8μm羰基铁粉分散于硅油中,并用偶联剂预先处理,改善液态相和固态相的相容性,可有效防止粒子沉淀,该磁流变液效应显著,且具有较大的温度稳定性[15]。2002年,中国科学技术大学磁流变研究组成功地筛选制备了KDC—1磁流变液,该样品实验室工艺稳定,有较大的剪切屈服强度和沉降稳定性,其主要力学性能指标与美国Lord公司产品接近。现已完成对3家友邻研究单位KDC—1 MRF小批量实验室规模供给,反映良好[16]。

4.磁流变液的流变机理

按照磁畴理论可以解释磁流变效应。在磁流变液中,每一个小颗粒都可当做一个小的磁体。在这种磁体中,相邻原子间存在着强交换耦合作用。它促使相邻原子的磁矩平行排列,形成自发磁化饱和区域即磁畴。无外磁场作用时,每个磁畴中各个原子的磁矩排列取向一致,而不同磁畴磁矩取向不同。磁畴的这种排列方式使每一颗粒处于能量最小的稳定状态。因此,所有颗粒平均磁矩为零,颗粒不显磁性。在外磁场作用下,磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外磁场反方向排列时的磁能,结果是同自发磁化磁矩成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。这时颗粒的平均磁矩不等于零,颗粒对外显示磁性,按序排列相接成链。当外磁场强度较弱时,链数量少、长度短、直径也较细,剪断它们所需外力也较小。随外磁场不断增强,取向与外场成较大角度的磁畴全部消失,留存的磁畴开始向外磁场方向旋转,磁流变液中链的数量增加,长度加长,直径变粗,磁流变液对外所表现的剪切应力增强;再继续增加磁场,所有磁畴沿外磁场方向整齐排列,磁化达到饱和,磁流变液的剪切应力也达到最高[3]。

磁流变液的磁化特征不仅依赖固态相本身的磁特性,而且与颗粒间聚集状态和结构特征密切相关。另外,磁流变液的磁化饱和强度与体积分数无关,但磁化率却随体积分数的增加而线形增加,且有随颗粒直径增大而增大的趋势。在外加磁场作用下,磁流变液发生相变的三个临界磁场分别为Hc1、Hc2和Hc3,如图1[17-19]。

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图a:当H < Hc1时,磁流变液完全处于流体状态,铁磁颗粒随机分布;
图b:当Hc1 < H < Hc2时,开始形成链状结构,链与颗粒共存且随机分布;
图c:当Hc2 < H < Hc3时,开始形成柱状结构,柱与链共存;
图d:当H > Hc3时,颗粒全部形成柱状结构。

5.磁流变液的力学特性
磁流变液的流变特性可分为预屈服阶段和后屈服阶段。稳态剪切条件下,磁流变液的应力、应变关系如图2a所示,当剪应变超过某一临界值后,剪切应力不再随剪应变增加而增加,而是趋于相对稳定;从图2b看出剪切应力是应变率和磁场强度的函数。在稳态剪切条件下,磁流变液本构关系常用Bingham模型描述[20-22]。

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其中τ是剪切应力,η是零场粘度,对于大多数磁流变液来说,它与磁场强度无关,实验发现流体粘度随体积分数的增加而略有增加[23];τ0(H)是磁流变液的屈服应力,它与磁场强度H有关,γ是剪应变率。

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6.磁流变液的性能测试

磁流变液的剪切屈服应力表征该材料固化强度大小, 是其主要性能参数。由于国际上缺乏统一的测量手段对其衡量, 这阻碍了磁流变液的深化研究及器件商业化开发步伐。目前磁流变液测试系统有德国生产的MR-100-450[24]和中国科技大学的旋转碟片式测试装置(图3)。前者是粘度计改装成的,由测量装置、数据采集和处理、计算机终端三部分组成。测量部分中的磁流变槽,用来存储磁流变液并形成磁回路。磁流变槽为平行平板结构,上板与测量驱动转子相连,下板空腔内放有直径1mm的漆包线绕成的励磁线圈,上板和内腔之间形成1mm的固定间隙。

中国科学技术大学自行设计研制的碟片剪切式磁流变液测试系统[25],它是实现直接对磁流变液动态剪切力矩进行测量,并建立了一套计算机数据采集和处理系统,使其能对测试数据进行准确分析和精确处理,提高测试结果的精度,降低测试过程的工作量和人工处理数据带来的误差,实现测试过程的自动化。实验证明,自行设计的碟片旋转式磁流变液测量系统原理简单, 理论误差小, 用该测试系统对美国某公司生产的商用磁流变液进行了测量,并将结果与德国MR-100-450测试系统对同一样品的测试结果进行了比较,结果肯定了该碟片旋转式磁流变液测试系统的测量准确性和可靠性,而且该系统实验重复性较好,性能稳定。到目前为止先后成功对5家单位的13种磁流变液样品进行测试。

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利用该测试系统测得的KDC-1磁流变液在不同磁场下的性能曲线如图4所示,并和美国LORD公司产品进行了比较图5,性能接近。

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7.磁流变液的应用

磁流变液在外加磁场增强的过程中,液体的粘度随之增大并最终失去流动性变为固态,此过程耗能小、可逆、能产生较大屈服应力且在豪秒级内完成。利用此一系列性能,在充分考虑磁场、温度、颗粒尺寸、壁面效应和体积浓度等诸因素对应用器件影响的基础上,可以设计开发各种磁流变阻尼器件,主要有以下几类。

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(1)阻尼元件 此类装置是磁流变液的最典型应用,由于能产生强大的阻尼力,且阻尼器可根据外部的振动不同自行调节磁场强度大小,来改变振动系统的阻尼和刚度,达到主动减振的目的。根据阻尼器尺寸和使用环境不同,可以研制出机械上用各类阻尼器和阻尼力可高达20吨力的建筑物减振器。

LORD公司的阻尼器[5]如图6所示。如a所示的直线式减振器总长21.5cm,缸体直径3.8cm,活塞行程-2.5~+2.5cm,线圈电源为直流0~3V,产生电流0~1A,最大功率小于10W,产生最大阻力大于3kN,响应时间小于8ms。其优点是结构紧凑,阻尼力矩可控范围大,温度稳定性好(-40~+150),还可根据阻尼值要求,将阻尼器制成多级式。缺点是活塞行程较小。图b所示为一旋转式阻尼器。

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中国科技大学研制的旋转式阻尼器[26]如图7所示。阻尼器径向直径136mm,轴向厚度86mm,阻尼片直径90mm,对称放置的线圈各为800匝,在0~10V直流电压下,产生0~2.5A的可控电流,最大阻尼力矩7N.m。其优点是重量轻结构简单小巧,适用范围广;缺点是力矩偏小,散热效果差。目前在安徽省科技攻关项目资助下,正在研制的多片旋转式阻尼器由于在结构和磁路设计方面采取ANSYS软件进行优化计算,减小工作间隙到1mm以内,用磁导率更高的硅钢作导磁材料等多方面措施,在综合性能上,特别是最大阻尼力矩值和器件散热方面,较单片阻尼器有大幅度提升。

(2)控制元件 由于磁流变液相变的过程在毫秒量级内完成,因此可以做成敏捷度极高的控制元件,用于联接和传递两部件之间的力或力矩。如汽车用离合器、制动器等。图8(a)、(b)分别为单级同心圆式和多级平行盘式离合器的结构图[27]。另外,还可制成可控阀门控制液体的流动;做成柔性夹具控制和固定物体的形状及变化等。

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(3)研磨和密封 在光学镜头的加工中,加工精度是制约镜头质量的关键因素和技术,因此提高加工精度对镜头的最后形成和微表面粗糙度有着非常重要的意义。如图9所示,采用磁流变液进行精加工[28],试件被固定在移动壁的某一位置,在工作表面和移动面之间的间隙内盛放磁流变液,线圈置于移动壁下方。在间隙处产生可控磁场,磁流变液随外加磁场的增强而固化,并随移动壁获得速度,此间隙处被称为抛光点,其过程由计算机精确控制,可完成复杂表面形状抛光和高表面光洁度。美国S.D.Jacobs,W.I.Kordonski等人,利用此原理加工BKT.玻璃30分钟,使其形状误差由0.3μm降到0.2μm,表面粗糙度也由40A降到8A[29]。

在机械密封方面,白俄罗斯的Kordonski,使用静态剪切应力 =5kPa的磁流变液,在I=2.5A,H=150KA/m无转动条件下实施密封,可承受的压强最大值为180KPa;在转动条件下,承受的压强先是迅速上升,后缓慢下降,在35rpm时值最大为330KPa,且压强与H的平方成正比[8]。

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8.研究发展趋势

国内外围绕磁流变液的机理、测试、制备、应用等方面的研究已取得了很多的成果,但一些不足制约其进一步发展,主要表现为:磁流变液本身性能低;工作时易泄露,难密封;成分中固态相颗粒沉降稳定性差及由此带来器件工作不稳定;器件散热效果不理想等。在克服以上不足后,此项技术将在很多领域得到广泛应用。

目前,我们的研究重点方向正转向磁流变材料家族中另一新成员——磁流变弹性体。国际上关于磁流变弹性体研究的报道和文献不多[30-33]。国内基本属于空白,仅中国科技大学在磁流变弹性体的材料制备、力学性能、材料性能测试和应用上开展了研究[34-36]。

磁流变弹性体是一种高分子聚合物中嵌有铁磁性颗粒的智能材料,在外磁场的作用下固化,使颗粒在基体中形成链状及柱状有序结构,这种有序结构导致材料的力学性能特别是剪切性能可控,因此可以设计出由磁场控制的变刚度器件。图10显示了沿磁场方向,颗粒形成链状或柱状结构,而在垂直于磁场方向的平面内颗粒随机分布。磁流变弹性体的制备大体上有两种:有磁场制备和无磁场制备。目前我们制备的磁流变弹性体性能有较大幅度的突破,在体积比约为30%,磁饱和状态下,其剪切模量的相对改变量大于200%。

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虽然传统方法制备出的磁流变弹性体不具有电磁流变液在外场作用下进行两相变换的优点,但是它具有稳定性好、结构设计简单、制备成本低等独特的优点。另外如果在制备过程中使用一些物理或化学方法(如机械挤压、减小颗粒大小、对颗粒表面进行修饰等),在保证稳定性的同时,提高其灵敏性,即增加其磁场可控性,从而拓宽其应用领域。

参 考 文 献
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