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磁流變液的性能與應(yīng)用
M. Kciuk a,* R. Turczyn b
a Division of Nanocrystalline and Functional Materials and Sustainable
Pro-ecological Technologies, Institute of Engineering Materials and Biomaterials,
Silesian University of Technology, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Poland
b Department of Physical Chemistry and Technology of Polymers,
Silesian University of Technology ul. Marcina Strzody 9, 44-100 Gliwice, Poland
* Corresponding author: E-mail address: monika.kciuk@polsl.pl
Received 15.03.2006; accepted in revised form 30.04.2006
目的 ：本文介紹了近年來磁流變流體（MR）的基本屬性及其發(fā)展，以及在各種 機(jī)械設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用中的作用提高了。
設(shè)計(jì)/方法/方式 ：理論研究成果中獲得的性能和應(yīng)用。在過去的幾十年和近幾年所取得的進(jìn)步。
調(diào)查結(jié)果： 它是非常清楚的介紹傳統(tǒng)的設(shè)備更換與應(yīng)用，這種智能系統(tǒng)能更好地適應(yīng)環(huán)境的刺激是必要的。他們中的許多應(yīng)用將包括磁流變液為活性成分。
研究限制/影響 ：MR流體性能優(yōu)異的可以應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的民用工程，安全工程，交通運(yùn)輸和生命科學(xué)。他們提供了一個(gè)具有優(yōu)秀的活動(dòng)能力控制的機(jī)械性能。
實(shí)踐意義： 從事剎車的設(shè)計(jì)工程師非常有用的材料，阻尼器，合器和減震器系統(tǒng)。
創(chuàng)新/價(jià)值 ：本文介紹了一個(gè)跟上時(shí)代的MR材料的開發(fā)和應(yīng)用在土木工程。超過時(shí)下解決方案的智能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)將成為的方向21世紀(jì)器件的研究和設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 智能材料，磁材料，磁學(xué)性質(zhì)，剪應(yīng)力
1. 1 介紹
目前使用標(biāo)準(zhǔn)的電子和機(jī)械設(shè)計(jì)的材料在科學(xué)技術(shù)已經(jīng)取得了驚人的發(fā)展，這些材料不具有某些金屬材料特別特殊的特性（即 鋼，鋁，金）。
試想一下各種可能性，存在的特殊材料具有的屬性，并且科學(xué)家可以操作，一些材料有能力改變形狀或大小，只需加入一點(diǎn)點(diǎn)的熱量，或從液體到固體在磁鐵附近時(shí)發(fā)生改變，這些材料就是所謂的智能材料。 智能材料具有一個(gè)或多個(gè)屬性，可以顯著地改變材料的屬性。最日常的材料具有的物理性質(zhì)，這是不能隨便改變的：例如，如果油被加熱會(huì)變得更薄一點(diǎn)，而智能材料加于變量可能會(huì)變成易流動(dòng)的液體狀態(tài)到固體。每個(gè)單獨(dú)的智能材料有不同的屬性，它可以顯著地改變，如粘度、體積或著導(dǎo)電性。這些可以可以改變的屬性， 確定是什么類型的應(yīng)用程序的智能材料可以應(yīng)用于下表[1]。
智能材料的品種已經(jīng)存在，并正在廣泛的研究。這些包括壓電材料和形狀記憶合金，一些日常用品（如咖啡壺，汽車，眼鏡）將智能材料和為他們的應(yīng)用程序數(shù)量已經(jīng)在穩(wěn)步增長了。磁材料（流體）（MR）是一類智能材料的流變性能（例如粘度）通過施加磁場，可以迅速改變其特性。在磁場下的影響，懸浮的磁性粒子相互作用形成的結(jié)構(gòu)，即抵抗剪切變形或拉伸形變。
在材料中出現(xiàn)的這種變化作為一種快速增加表觀粘度或半固體狀態(tài)的發(fā)展。在磁流變材料中的應(yīng)用進(jìn)展是處于新的，使更復(fù)雜的磁流變材料的具有發(fā)展更好的性能和穩(wěn)定性。
許多智能系統(tǒng)和的粘度的變化或其他結(jié)構(gòu)將受益于材料性能的MR。 如今，這些應(yīng)用程序包括制動(dòng)器，減震器，離合器，避震系統(tǒng)。
2. 2 流體的磁特性
典型的磁流變流體的懸浮液微米級(jí)的，可磁化顆粒（主要是鐵顆粒）懸浮于適當(dāng)?shù)妮d體液體，如礦物油、合成油、水或乙二醇。載體液作為分散的介質(zhì)中，并確保流體中的顆粒的均勻性。各種各樣的添加劑（穩(wěn)定劑和表面活性劑）是用來防止重力沉降和促進(jìn)穩(wěn)定的顆粒懸浮液，提高潤滑性和改變初始粘度的磁流變液。穩(wěn)定劑將有助于保持顆粒懸浮在流體中，從而被吸附的表面活性劑的表面上的磁性顆粒，以提高流體中感生的極化的磁場的應(yīng)用程序后的懸浮顆粒。
表1概括的MR流體的屬性 ：
表[1]：
特性 典型值
初始粘度 0,2 – 0,3 [Pa·s] (at 25oC)
密度 3 – 4 [g/cm3]
磁場強(qiáng)度 150 – 250 [kA/m]
屈服點(diǎn) 50 – 100 [kPa]
反應(yīng)時(shí)間 幾毫秒
典型的電源電壓和電流強(qiáng)度 2 – 25 V, 1–2 A
工作溫度 -50 do 150 [oC]
通常情況下，可磁化粒子的直徑范圍從3到5微米，可以用于功能性磁共振液體中。但是較大的顆粒，讓懸浮液中顆粒的穩(wěn)定的會(huì)變得越來越困難，因?yàn)樵黾宇w粒的大小使它要更大的浮力使其懸浮。相對便宜的羰基鐵的數(shù)量通常是限于尺寸大于1或2微米。更小的顆粒容易暫停并且更好的運(yùn)用，但制造這樣的顆粒是困難的。較小的顯著鐵磁顆粒，顆粒通常是僅可作為氧化物，如材料通常在磁記錄介質(zhì)中找到。從這些顆粒材料的磁流變液是相當(dāng)穩(wěn)定， 因?yàn)轭w粒通常直徑只有30納米。 然而，由于其較低的飽和度磁化強(qiáng)度，由這些顆粒制成的流體通有常約5千帕的壓強(qiáng)，并有一個(gè)比表面積大的大的塑料來限制其粘度。這些主要參數(shù)被列于上表1。
在外加磁場的情況下，MR流體是近似于牛頓流體。對于大多數(shù)工程應(yīng)用一個(gè)簡單的賓漢塑性模型對其有效的描述必不可少的，實(shí)際情況取決于流體的特性。一賓漢型塑料是一種非牛頓流體，其屈服應(yīng)力必須超過前的流量可以開始。此后，將剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線曲線是程線性的。在此模型中，
總屈服應(yīng)力由下式給出（1）：
其中：-屈服應(yīng)力引起的磁場，[Pa]
H -磁場強(qiáng)度，[A / M]
- 剪切速率，[S]
-塑性粘度，[[Pa]
許多現(xiàn)代的復(fù)雜模型，如磁流體[5，6]，通常情況下，磁流變液是自由流動(dòng)的液體，和潤滑油（圖1）相類似。
圖1. 1
無外磁場MR流體模型（1 -載體液體，2 -懸浮磁化顆粒）
然而，在所施加的磁場的存在下，在鐵粒子獲得與外部對齊的偶極矩的時(shí)候，這會(huì)導(dǎo)致顆粒形成對準(zhǔn)到磁場的直鏈。
這種現(xiàn)象可以穩(wěn)定暫停的鐵顆粒和限制的流體運(yùn)動(dòng)。因此，在屈服強(qiáng)度與流體內(nèi)的開發(fā)的變化程度所施加的磁場的大小有關(guān)，并且這種改變可以發(fā)生在幾個(gè)毫秒之內(nèi)。
磁流變液的性能及應(yīng)用典型的磁流變材料可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度分別為約50-100千帕，150–250 kA/m。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壁面粗糙度對接觸與流體的屈服強(qiáng)度是很重要的，特別是在低磁場之中。在MR材料中，最終達(dá)成飽和點(diǎn)時(shí)增加的磁場強(qiáng)度的做不增加的MR材料的屈服強(qiáng)度。這現(xiàn)象通常在大約300千安/米的磁飽和時(shí)的MR材料的強(qiáng)度是可以的。
使用有限元分析研究：
圖2. 2流體模型外磁場
MR流體模型外的磁場作用是立即恢復(fù)，如果磁場強(qiáng)度是減少或取消，將會(huì)記錄6.5毫秒的反應(yīng)時(shí)間。MR材料是已經(jīng)可以是穩(wěn)定的從-50℃至150℃的溫度范圍內(nèi)有輕微的變化的體積分?jǐn)?shù)，因此在這些溫度下的強(qiáng)度輕微減少它的吸收率，但它們的變化是很小的。
另外的懸浮顆粒的粒度的影響分布是在一個(gè)變化中的MR流體的屬性磁場之中。
磁性材料表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，是典型的隨電流變化的材料。相對的那些材料，磁流變液是有用的，因?yàn)榱髯冃再|(zhì)的改變是大，ER流體，所以增加的屈服應(yīng)力的20-50倍。與ER的材料不同的是，他們也不太對濕度和污染物敏感，因此，磁流變材料的候選中的使用不潔或受污染的環(huán)境中。 它們也不作為ER材料的表面活性劑的表面化學(xué)。 功率（50 W），電壓（12-24V）的條件下MR與ER是相對比較小的材料被激活的材料。
3. 3 應(yīng)用磁流體
磁流變材料的在液體狀態(tài)，因?yàn)榭梢杂煽刂扑┘拥拇艌龅膹?qiáng)度，在應(yīng)用程序中變量的性能是必需的而且它是有用的。微處理器，傳感器技術(shù)和提高電子信息內(nèi)容和處理速度已經(jīng)創(chuàng)建了實(shí)時(shí)智能控制的可能性系統(tǒng)的MR設(shè)備。
MR技術(shù)的商業(yè)化開始1995年在使用的旋轉(zhuǎn)制動(dòng)器的有氧運(yùn)動(dòng)設(shè)備中，從這一刻開始應(yīng)用磁流變材料技術(shù)并在在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步增長。在過去的幾年中，一些商用提供的產(chǎn)品（或接近商業(yè)化）發(fā)展，例如：
﹒線性磁流變阻尼器的實(shí)時(shí)主動(dòng)振動(dòng)控制
﹒系統(tǒng)在重型卡車
﹒線性和旋轉(zhuǎn)制動(dòng)器的低成本的，準(zhǔn)確的位置，氣動(dòng)執(zhí)行器系統(tǒng)的速度控制
﹒旋轉(zhuǎn)制動(dòng)器，轉(zhuǎn)向提供觸覺力反饋線系統(tǒng)，在先進(jìn)的實(shí)時(shí)步態(tài)控制的線性阻尼器
﹒假肢裝置
﹒可調(diào)節(jié)的實(shí)時(shí)控制減震器
﹒汽車
﹒MR洗衣機(jī)海綿阻尼器，
﹒磁流體拋光工具，
﹒為減輕地震破壞非常大的磁流變液阻尼器
﹒在土木結(jié)構(gòu)，大型磁流變液阻尼器風(fēng)致振動(dòng)控制斜拉橋。
MR制動(dòng)器在直接剪切模式中，剪切 MR流體灌裝在兩個(gè)表面之間的間隙（軸瓦和轉(zhuǎn)子）與相對于彼此移動(dòng)。轉(zhuǎn)子被固定到軸，它被放置在軸承和可以旋轉(zhuǎn)有關(guān)軸瓦。 MR中制動(dòng)阻力轉(zhuǎn)矩取決于液體的粘度，可以通過磁場變化的MR流體。MR制動(dòng)可用于連續(xù)控制的扭矩。當(dāng)有沒有磁場的轉(zhuǎn)矩引起的載體的粘度液體變化時(shí)，軸承處于密封。MR制動(dòng)特別適合在各種應(yīng)用場所，包括氣動(dòng)致動(dòng)器控制，精密張力控制和觸覺力反饋的應(yīng)用，轉(zhuǎn)向離合器。
MR離合器類似MR制動(dòng)的操作在直接剪切模式和傳輸輸入和輸出軸之間的扭矩。那里主要有兩種類型的MR離合器的結(jié)構(gòu)：圓柱和平面的。在圓柱模型MR流體兩圓柱面和正面的MR流體填補(bǔ)差距大概兩張光盤的距離。在工作期間由線圈產(chǎn)生的磁場讓流體的粘度增加，造成的轉(zhuǎn)矩形式轉(zhuǎn)移輸入到輸出軸。有用的扭矩是經(jīng)過從刺激2-3毫秒。
磁流變阻尼器的半有源器件包含磁流變液。磁場應(yīng)用后從液態(tài)到半固態(tài)的流體的變化是幾毫秒，這樣的結(jié)果是無級(jí)變速，可控大阻尼力的阻尼能力。磁流變阻尼器提供了一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中的能量吸收吸引力的解決方案和結(jié)構(gòu)，并可以被認(rèn)為是“故障-安全”的設(shè)備。
4. 4 結(jié)論
科學(xué)和技術(shù)在21世紀(jì)將依賴新材料的發(fā)展以及在預(yù)期回應(yīng)環(huán)境的變化和體現(xiàn)自己的功能根據(jù)最佳的條件。
智能材料的發(fā)展無疑將是在許多領(lǐng)域的科學(xué)和技術(shù)，比如基本任務(wù)信息科學(xué)，微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)科學(xué)，醫(yī)學(xué)治療，生命科學(xué)，能源，交通運(yùn)輸，安全工程和軍事技術(shù)。
因此在未來的材料的開發(fā)中，應(yīng)使導(dǎo)演朝著創(chuàng)建功能亢進(jìn)材料在某些方面甚至超過生物器官。目前的材料研究開發(fā)各種途徑，這將導(dǎo)致現(xiàn)代技術(shù)向智能系統(tǒng)。
這些液體能可逆地從一個(gè)瞬間改變自由流動(dòng)的液體，半固體狀的，可控的屈服強(qiáng)度下暴露于磁場之中。
在外加磁場的情況下，MR流體是合理近似牛頓流體。對于大多數(shù)工程應(yīng)用程序，一個(gè)簡單的賓漢塑性模型是有效的描述必不可少的，現(xiàn)場取決于流體的特性。
MR技術(shù)已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入可行的商業(yè)應(yīng)用程序?yàn)椴煌念l譜的產(chǎn)品。應(yīng)用范圍包括汽車主要懸浮液，
卡車座椅系統(tǒng)，的設(shè)備， 氣動(dòng)控制，減震和人類假肢。
MR 相反，常規(guī)的電氣-機(jī)械-解決方案，MR技術(shù)提供了：
﹒實(shí)時(shí)，連續(xù)可變控制
﹒阻尼
﹒運(yùn)動(dòng)和位置控制
﹒鎖定
﹒觸覺反饋
﹒高耗散力的速度
﹒更大的能量密度
﹒簡單的設(shè)計(jì)（很少或根本沒有移動(dòng)部件）
﹒快速響應(yīng)時(shí)間（10毫秒）
﹒在極端的溫度變化一致的療效（140℃至130℃范圍）
﹒使用最小的功率（通常為12V，最大1安培的電流;故障安全備用電池，后者可能無法安全到被動(dòng)阻尼模式）
﹒系統(tǒng)固有的穩(wěn)定性（產(chǎn)生沒有現(xiàn)役部隊(duì)）
﹒磁流變液的操作可以直接從低電壓電源用品。 MR技術(shù)可以提供靈活，可靠的控制在設(shè)計(jì)的能力。
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