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磁流變液

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磁流變液(Magnetorheological Fluid , 簡稱MR流體)屬流動性可控的新型流體,是智能材料中研究較為活躍的一支。在外部無磁場時呈現低粘度的牛頓流體特性。在外加磁場時呈現為高粘度、低流動性的賓漢流體(Bingham)。液體的粘度大小與磁通量存在對應關係。這種轉換能耗低、易於控制、響應迅速(毫秒級)。 [1] 
現今對磁流變效應現象的解釋多采用磁疇理論,即把磁性顆粒當成磁性單元體,鄰近單元體間通過強交換耦合作用致使粒子磁矩成列,逐漸產生磁化飽和區域,即磁疇。 [1] 
中文名
磁流變液
外文名
Magnetorheological Fluid
簡    稱
MRF
組成部分
微小軟磁性顆粒和非導磁性液體
狀    態
懸浮體
屬    性
智能材料
粘度特性
牛頓流體/賓漢流體

磁流變液一、磁流變液相關知識

磁流變液1.磁流變材料

磁流變材料是一種“智能材料”, 它一般是微米級或納米級的鐵磁顆粒 (一般為羰基鐵顆粒) 沉浸在非磁性載液中所形成的懸浮液, 同時還有少量的其他輔助溶液。根據載液的不同可以分為磁流變液和磁流變脂。磁流變材料中的鐵磁顆粒的體積分數通常在20%~40%之間, 它的流變學特性可以由外加磁場進行控制, 磁場強度不同, 磁流變材料所呈現出的性能也不一樣, 磁流變材料的這種特性被稱之為磁流變效應。 [2] 

磁流變液2.磁流變液

磁流變液是由微米級可磁化顆粒均勻分散在特定載體母液和添加劑中所形成的特殊懸浮體系.在外加磁場作用下,表現出非牛頓流體的特性,在毫秒級時間內從自由流動的液體轉變為半固體甚至固體,呈現出強烈的可控流變特性 [3]  .

磁流變液3.磁流變液的主成分

磁流變液主要由分散顆粒 ——分散質 、基液 ——分散介質 、添加劑 (穩定劑)組成。
3.1 磁性顆粒: 製備MRF的軟磁性顆粒, 一般有羰基鐵粉、Fe3O4、鈷粉鐵鈷合金及鎳鋅合金、複合軟磁性顆粒等。 [4] 
磁流變液的分散顆粒包括磁性顆粒和非磁性顆粒兩種,形狀主要是微米和納米級的球形橢球形、柱形、啞鈴形、正六邊形顆粒。①磁性顆粒主要含有Fe3O4、Fe3N、Fe、Co、Ni等微粒, 鐵鈷合金磁飽和度最大, 達到2.4T, 實際應用最多的是羰基鐵粉和純鐵粉, 其磁飽和度大約為2.1T;②非磁性顆粒主要有聚合物顆粒和無機非金屬顆粒, 如聚苯乙烯硅石顆粒。 [5] 
3.2 基液: 基液是軟磁性顆粒所能懸浮的連續媒介, 是磁流變液的重要組成成分。
合成油、礦物油、水等液體都可以作為載液。Böse報道了用膠體作為載液, 製備出一種磁流變彈性體。Fuchs等人以聚合膠體為載液製備出了一種磁流變聚合膠體。 [4] 
3.3 添加劑: 添加劑包括分散劑和防沉降劑等, 其作用主要是改善MRF的沉降穩定性、再分散性、零場黏度和剪切屈服強度。
分散劑主要有:油酸油酸鹽環烷酸鹽、磺酸鹽 (或酯) 、磷酸鹽 (或酯) 、硬脂酸及其鹽、單油酸丙三醇脂肪醇二氧化硅等。
防沉降劑主要有:高分子聚合物、親水的硅樹脂低聚物、有機金屬硅共聚物、超細無定形硅膠以及有機黏土和含氫鍵的低聚物等。
此外, Chin用納米級的磁性顆粒鹽、單油酸丙三醇、脂肪醇、二氧化硅等。防沉降劑主要有:高分子聚合物、親水的硅樹脂低聚物、有機金屬硅共聚物、超細無定形硅膠以及有機黏土和含氫鍵的低聚物等。 [4] 

磁流變液二、磁流變液的製備與改良

磁流變液1.磁性顆粒材料的選擇

由於磁流變效應來源於磁化後的顆粒形成的磁偶極子的相互作用,性能優良磁流變液中的磁性顆粒材料應該具有以下的特徵:
(1) 高磁飽和強度,在磁場作用下顆粒能產生較大的磁偶極矩,從而使磁流變液具有較高的剪切屈服強度
(2) 高磁導率,這可以保證磁流變液具有對磁場的快速響應能力;
(3) 低磁矯頑力,即在零磁場作用下,顆粒基本不存在剩磁
(4) 能在比較大的温度範圍內保持其性能穩定,以確保使磁流變液磁流變效應的熱穩定性 [6] 

磁流變液2.載液的選擇

載液是磁流變液的主要成分,為磁流變液提供了連續相,其性能對磁流變液具有直接的影響,選擇載液的原則為:
(1) 沸點高、凝固點低,確保磁流變液有較寬的工作温度範圍
(2) 粘度適宜,磁流變液在零磁場條件下應具有較低的粘度,但並非載液粘度越低越好,因為粘度越低,磁流變液的沉降穩定性就越差;
(3) 化學穩定性好、耐蝕、無毒、無異味、價格低廉。 [6] 

磁流變液3.化學試劑的選擇

化學試劑主要是用於磁性顆粒的表面改性和磁流變液的化學修飾,以達到提高磁流變液性能的目的。常用的化學試劑包括表面活性劑抗氧化劑抗磨劑等,種類和性能介紹如表所示。 [6] 
常用化學試劑 常用化學試劑

磁流變液4.磁流變液配製工藝的優選

磁流變液配製工藝方面其大致可分為傳統制備法基液置換法
1.傳統制備法:將磁性顆粒直接加入到選定的非磁性載液中,加以適當的表面活性劑或其它添加劑進行球磨或高速攪拌,即得到磁流變液。鐵磁性顆粒一般為羰基鐵粉有機溶劑主要是礦物油和硅油。
2.基液置換法:將磁性顆粒稱量後與無水乙醇異丙醇及所選的穩定劑觸變劑混合置入不鏽鋼容器內進行高速分散處理數小時;取出處理後的混合物在60~80˚C 真空乾燥箱中乾燥,使磁性顆粒表面淨化或活化,在其表面引入活性極性 基團,達到兩親性處理和提高磁流變性能的目的;然後將預處理乾燥後的懸浮相粉體與稱量好的載液在不鏽鋼磨罐中混合,再加入抗氧化劑、抗磨劑等,經高速研磨分散,即得到磁流變液 [6] 

磁流變液5.改善磁流變液穩定性

改善磁流變液穩定性的方法有以下兩種:
(1) 磁性顆粒表面改性,從而提高極性的磁性金屬與非極性的載液的兼容性分散性,常用的穩定劑有表面活性劑和偶聯劑
基液置換法示意圖 基液置換法示意圖
(2) 添加納米顆粒納米絲,該方法通過調整分散相的組成和搭配,改善磁場作用下磁鏈微結構結構形態,以達到提高磁流變效應的目的。 [6] 

磁流變液三、磁流變液應用範圍

基於磁流變材料自身獨特的性質以及大量相關的基礎研究的進行, 磁流變技術被越來越多地被應用於解決實際工程問題, 其應用相對廣泛、成熟的主要集中在離合器阻尼器、軍事等領域。根據在實際的應用情況, 磁流變材料在應用中的主要工作模式大致可分為三種, 分別是閥模式、剪切模式和擠壓模式。 [2] 
磁流變材料常見的工作模式示意圖 磁流變材料常見的工作模式示意圖 [2]

磁流變液1.磁流變液離合器

磁流變液離合器主要由主動件、被動件、線圈和磁流變液4部分組成,如圖所示。磁流變液作為工作介質,充滿主動件和被動件之間的容腔。
磁流變液離合器工作原理圖 磁流變液離合器工作原理圖 [7]
當線圈中無電流通入時,主動件和被動件之間只靠液體的黏性剪切力傳遞扭矩,這個值一般很小,不足以帶動被動件轉動,此時離合器處於分離狀態;當線圈中通入電流時,使磁流變液發生“固化”反應,剪切屈服應力增加,主動件和被動件之間傳遞的扭矩增大,當增大到一定值時,主動件通過磁流變液帶動被動件轉動起來,直至最終兩者同步轉動,實現離合器的接合;當切斷電流後,作用於磁流變液的磁場消失,磁流變液迅速恢復原狀,離合器又回到分離狀態。 [7] 

磁流變液2.磁流變液減振器

磁流變減振器結構示意圖1 磁流變減振器結構示意圖1
磁流變阻尼器是一種利用磁流變效應工作的新型智能減振器件,已廣泛應用於汽車、橋樑、建築等領域。 [8]  右圖所示為基於剪切模式和流動模式的汽車單筒充氣型磁流變減振器的結構示意圖
磁流變減振器結構示意圖2 磁流變減振器結構示意圖2 [8]
減振器主要包括油缸、空心活塞桿, 密封總成、複合導向器、活塞總成, 氣囊等元件。活塞總成將工作油缸分為兩個腔, 油缸內部充滿磁流變液。電磁線圈繞在活塞的工字形鐵芯上, 線圈引線從空心活塞桿引出。活塞上設置的兩級環形阻尼通道串聯, 線圈產生的磁場垂直於環形阻尼通道, 通過輸入不同的電流改變磁場的大小, 從而改變磁流變液的流動特性, 實現阻尼力可控。 [9] 

磁流變液3.磁流變液力矩伺服系統

分層式磁流變裝置 分層式磁流變裝置
多層式磁流變裝置傳動部分主要有:主動軸 5、主動轉子 3、從動轉子 4 和從動軸 12。主動軸通過螺栓與左右兩片外轉子固定聯接,從動軸通過楔形鍵與左右兩片內轉子固定聯接,磁流變液均勻分佈在兩片內轉子與外轉子之間的工作間隙中。當加載勵磁電流時,產生磁流變效應,主從轉子粘合,轉矩通過主從轉子剪切磁流變液進行扭矩傳遞;當撤去勵磁電流時,磁流變液迅速恢復牛頓流體狀態,主從轉子斷開,轉矩傳遞過程結束。轉矩傳遞的過程中可以通過改變激勵電流的大小改變勵磁線圈磁感應強度,達到改變磁流變液剪切屈服應力的效果,最後改變輸出轉矩 [10] 
分層式磁流變裝置中的序號分別表示為1.勵磁線圈 2.磁流變液 3.主動轉子 4.從動轉子 5.主動軸 6.軸承7 左端蓋 8 磁軛 9 隔磁環 10 右端蓋 11 油封 12 從動軸 13 螺栓

磁流變液4.磁流變拋光技術

磁流變液拋光微觀結構圖
磁流變液拋光微觀結構圖(5張)
磁流變拋光中, 通過磁流變液流體流動產生的流體動力來實現材料的去除。與傳統拋光相比, 拋光力是通過可以精確控制的表面剪切應力提供的。由於這種轉化,磁流變液的黏度和剛度等流體特性隨外加磁場強度的增強而增強。用磁流變液體作為拋光介質, 需要加入合適的磨粒, 使這些磨粒附着在磁性粒子上。在磨削過程中,高剪切強度的薄層接近工件表面, 這種強剪切力能夠使非磁性磨粒拋光工件。起到了微觀切削的作用。 [11] 

磁流變液5.磁流變液軟模成形工藝

使用磁流變液的拉深成形實驗原理 使用磁流變液的拉深成形實驗原理
如果軟模材料性能在成形過程中可以適應於成形件變形過程應力狀態的變化而變化,會有利於成形件的變形,提高其成形性。根據這一問題,採用智能材料——磁流變液作為成形軟模,通過施加外加磁場條件改變磁流變液的性能,調節磁流變液的傳力特性,控制成形過程的加載曲線,提高板材的成形性和零件的成形質量。 [12] 

磁流變液6.磁流變液夾層梁

磁流變液夾層梁結構圖 磁流變液夾層梁結構圖
磁流變液夾層結構是將磁流變液複合到梁、板結構中的一種智能材料結構。相對於磁流變液器件,磁流變液夾層結構的研究才處於起步階段,磁流變液夾層結構的振動可以通過隨磁場改變的磁流變液的流變特性來控制,磁流變液的流變特性改變將使結構的剛度、阻尼發生變化從而改變結構的動力學特性。從而實現對結構振動特性的控制,這對於控制飛行器、汽車以及機械結構的工作性能有着重要的應用價值。

磁流變液8.磁流變液雙質量飛輪

雙質量飛輪結構 雙質量飛輪結構
雙質量飛輪作為傳動系扭振控制的一個有效手段,經過LUK公司推廣後,已得到了全世界範圍內的汽車公司廣泛應用,並有逐步取代離合器扭振減振器的趨勢。磁流變液雙質量飛輪的設計,主要分為彈性部分的設計和阻尼部分的設計。其中彈性部分選擇現用雙質量飛輪使用最多的長弧形彈簧式結構,而阻尼部分則採用勵磁線圈電流控制磁場強度,進而控制磁流變液流變特性的思路進行。因其產生的阻尼可根據不同工況的需求進行調節,從而抑制了雙質量飛輪對傳動系扭振的控制效果。 [13] 

磁流變液9.磁流變液潤滑浮環軸承

磁流變液潤滑可控軸承的原理 磁流變液潤滑可控軸承的原理
磁流變液通過齒輪泵從油箱中抽出,經油管通過軸承進油孔(4)進入軸承,並通過周向油槽軸瓦周向上四個進油孔(9)進入軸瓦與浮環外表面間的軸承外間隙,形成外油膜。磁流變液充斥外間隙後,由於泵壓的作用,其會再經浮環上四個進油孔(8)進入浮環內表面軸頸表面形成的軸承內間隙,形成內油膜。至此,浮環軸承完成了在內外油膜上的潤滑。在整個過程中,磁流變液通過內外油膜兩端產生端泄,經由端蓋上的回油孔流回油箱。由於軸承存在內外兩間隙,當軸旋轉後,軸頸表面與浮環內表面形成內油膜,同時內油膜傳遞的摩擦轉矩帶動浮環轉動,而後浮環外表面與軸瓦表面形成外油膜。若此時通過勵磁系統給浮環軸承提供外磁場,則可控制軸承,特別時軸承外油膜的剛度阻尼,實現可控軸承的目的。 [14] 

磁流變液10.磁流變液柔順關節

磁流變液的機器人柔順關節傳動結構示意圖 磁流變液的機器人柔順關節傳動結構示意圖
基於磁流變液的上述可控黏度特性,將磁流變液填充於主、從動部件之間,主、從動部件之間並不直接聯結,僅利用磁流變液的黏性在主、從動部件之間傳遞力矩,由電機輸出作動力矩,通過填充有磁流變液的傳動部件傳輸力矩驅動負載,通過電磁線圈提供外磁場來調節磁流變液的黏性,進而改變其傳輸力矩的能力,由於磁流變液黏塑性體的黏性是可以通過勵磁電流主動調控的,因此這一傳動過程表現出傳動剛度主動可調,進而使該關節具備主動柔順特性。 [15] 

磁流變液四、關鍵文獻

下列所有數據來源中國知網2020年11月29日

磁流變液1.最早研究

  • 日益引人注目的磁流變液──許多實際應用中,在強度和穩定性方面磁流變液憂於電流變液[J]. 夏毅敏,何清華,王秋風. 機牀與液壓. 1996(01)
  • 正在發展的磁流變液[J]. 夏毅敏,郭勇,何清華. 機械與電子. 1996(03)
  • 大有作為的液態物理[J]. 周魯衞. 科學. 1996(03)

磁流變液2.綜述研究

  • 磁流變液研究進展及其在軍事領域的應用[J]. 姚巨坤,江宏亮,田欣利,楊緒啟. 兵器材料科學與工程. 2018(02)
  • 磁流變液的研究[J]. 趙麗,布和巴特爾,田言. 化學工程師. 2001(06)
  • 汽車磁流變懸架技術進展[J]. 於學華,彭來森. 新技術新工藝. 2009(08)
參考資料
  • 1.    吳坡,楊書根,華秋楊,顏杭.磁流變液工程應用綜述:時代汽車,2020(22):16-17
  • 2.    李凱權,代俊,常輝,黃珏,石庚辰.磁流變材料的應用綜述.磁流變材料的應用綜述:探測與控制學報,2019,41(01):6-14
  • 3.    廖昌榮,王可俐,張紅輝,董小閔,餘淼,陳偉民.基於正弦激勵的磁流變液非穩態環狀流動特性研究:中國礦業大學學報,2006(04):535-539
  • 4.    張建,孔亞男,高永強,賈進峯,王洪濤.磁流變液及其應用研究綜述:裝甲兵工程學院學報,2010,24(02):1-6
  • 5.    韓易言,何國田,林遠長,徐澤宇,朱曉強,劉永福,趙健,李先忠.磁流變液磁性顆粒的研究進展:功能材料,2013,44(24):3513-3519
  • 6.    易成建.磁流變液:製備、性能測試與本構模型:重慶大學,2011
  • 7.    張春光,苗運江,巫峯.汽車磁流變液離合器的設計:潤滑與密封,2012,37(05):91-94
  • 8.    胡國良,張佳偉.磁流變阻尼器結構優化設計研究現狀:機牀與液壓,2019,47(01):145-150.
  • 9.    鞠鋭,廖昌榮,周治江,唐鋭,張登友.單筒充氣型轎車磁流變液減振器研究:振動與衝擊,2014,33(19):86-92
  • 10.    張繼媛.分層式磁流變力矩傳動裝置的研究:吉林大學,2012
  • 11.    沙樹靜,胡錦飛,張和權.磁流變拋光技術發展:機械工程師,2018(07):5-8
  • 12.    王朋義.Al1060板材磁流變液軟模成形工藝及成形極限研究:哈爾濱工業大學,2016.
  • 13.    毛陽.磁流變液雙質量飛輪設計理論及扭振控制研究:吉林大學,2015
  • 14.    王小虎.磁流變液潤滑浮環軸承特性研究:上海交通大學,2017
  • 15.    蔡世波.基於磁流變液的柔順關節及其控制研究:浙江工業大學,2019
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