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磁流變液
閱讀�12435�(shí)間:2011-04-13 10:57:23

  磁流變液英文名字為MagnetorheologicalFlu-ids�(jiǎn)稱MR我國(guó)研究人員有時(shí)也稱為磁流變�.一般由基液、彌散質(zhì)、活化劑三部分組�。磁流變液的工程�(yīng)用遍布建筑結(jié)�(gòu)、海洋平�(tái)、橋梁及高速車輛等�(lǐng)�,尤其是在車輛先�(jìn)懸掛系統(tǒng)�(lǐng)域的�(yīng)用備受國(guó)�(nèi)外研究者的�(guān)注�

制備

  磁流變液一般由鐵磁性易磁化顆粒、母液油和穩(wěn)定劑三種物質(zhì)�(gòu)�。鐵磁性(軟磁性)固體顆粒有球狀、棒狀和紡錘狀三種形態(tài),密度為7�8g/cm3,其中球形顆粒的直徑�0.1�500μm [10]范圍�(nèi)。目前可用作磁流變液的鐵磁性固體顆粒是具有較高磁化飽和�(qiáng)度的羰基鐵粉、純鐵粉或鐵合金 。由于羰基鐵粉飽和磁化強(qiáng)度為2.15特斯�,且物性較軟、具有可壓縮�、材料成本低、購(gòu)買方便,已成為最常用的材料之一。磁流變液的母液油(分散劑)一般是非導(dǎo)磁且性能良好的油,如礦物油、硅�、合成油�,它們須具有較低的零�(chǎng)粘度、較大范圍的溫度�(wěn)定�、不污染�(huán)境等特� 。穩(wěn)定劑用來(lái)減緩或防止磁性顆粒沉降的�(chǎn)�。因?yàn)榇判灶w粒的比重較大,容易沉淀或離心分離,加入少量的穩(wěn)定劑是必須的。磁流變液的�(wěn)定性主要受兩種因素的影響:一是粒子的聚集�(jié)塊,即粒子相互聚集形成很大的�(tuán);二是粒子本身的沉降,即磁性粒子隨�(shí)間的沉淀。這兩種因素都可以通過(guò)添加劑或表面活性劑�(lái)減緩。由超精�(xì)石英粉形成的硅膠是一種典型的�(wěn)定劑,這種粒子具有很大的表面積,每�(gè)粒子具有多孔疏松�(jié)�(gòu)可以吸附大量的潮氣,磁性顆??捎蛇@些結(jié)�(gòu)支撐均勻地分布在母液�。另一方面,表面活性劑可以形成�(wǎng)狀�(jié)�(gòu)吸附在磁性顆粒的周圍以減緩粒子的沉降。穩(wěn)定劑必須有特殊的分子�(jié)�(gòu),一端有一�(gè)�(duì)磁性顆粒界面產(chǎn)生高度親和力的釘扎功能團(tuán),另一端還需一�(gè)極易分散于某種基液中去的適當(dāng)�(zhǎng)度的彈性基�(tuán)�

  將這三種物�(zhì)按一定的比例混合均勻,即可形成磁流變�。良好的磁流變液必須具有下列性能�(1)具有�(yōu)良的磁化和退磁特�,以保證磁流變液的磁流變效應(yīng)是一種可逆變�。因此這種流體的磁滯回線必須狹�,內(nèi)聚力較小,而磁�(dǎo)率很大,尤其是磁�(dǎo)率的初始值和極大值必須很大;(2)�(yīng)具有較大的磁飽和特�,以便使得盡可能大的“磁流”通過(guò)懸浮液的橫截面,從而給顆粒相互間提供盡可能大的能量�(3)�(yīng)具有較小的能量損耗,在工作期�,全部損�(如磁滯現(xiàn)象、渦流現(xiàn)象等)都應(yīng)該是一�(gè)很小的量�(4)�(yīng)具有高度磁化和穩(wěn)定的性能,這就要求磁流變液中的�(qiáng)磁性粒子的分布必須均勻,而且分布率保持不��(5)�(yīng)具備極高的“擊穿磁�(chǎng)”,以防止磁流變液被磨損并改變性能�(6)�(yīng)在相�(dāng)寬的溫度范圍�(nèi)具有極高的穩(wěn)定性,以保證磁流變液的流變性能不會(huì)在正常工作溫度范圍內(nèi)�(fā)生改��(7)�(gòu)成磁流變液的原材料應(yīng)是價(jià)廉的而不是稀有的�

  目前�(guó)際上�(guān)于磁流變液材料制備方法和工藝的報(bào)道比較多。中�(guó)科技大學(xué)磁流變研究組陳祖耀、江�(wàn)�(quán)等人用Y-輻射技�(shù)�(chǎn)生直徑在200nm~5μm 的Co粒子,并將鐵顆粒表面�(fù)合此納米尺寸的Co粒子,形成鐵�(fù)合物為懸浮粒子制備的磁流變液。在中國(guó)科技大學(xué)的旋�(zhuǎn)式磁流變液測(cè)試系�(tǒng)上測(cè)�,結(jié)果表明剪切屈服應(yīng)力顯著增�;用直徑為2.5μm~8μm羰基鐵粉分散于硅油中,并用偶�(lián)劑預(yù)先處�,改善液�(tài)相和固態(tài)相的相容性,可有效防止粒子沉淀,該磁流變液效應(yīng)顯著,且具有較大的溫度穩(wěn)定��2002�,中�(guó)科學(xué)技�(shù)大學(xué)磁流變研究組成功地篩選制備了KDC�1磁流變液,該樣品�(shí)�(yàn)室工藝穩(wěn)�,有較大的剪切屈服強(qiáng)度和沉降�(wěn)定性,其主要力�(xué)性能指標(biāo)與美�(guó)Lord公司�(chǎn)品接�?,F(xiàn)已完成對(duì)3家友鄰研究單位KDC�1 MRF小批量實(shí)�(yàn)室規(guī)模供�,反映良��

流變�(jī)�

  按照磁疇理論可以解釋磁流變效�(yīng)。在磁流變液�,每一�(gè)小顆粒都可當(dāng)做一�(gè)小的磁體。在這種磁體�,相鄰原子間存在著強(qiáng)交換耦合作用。它促使相鄰原子的磁矩平行排�,形成自�(fā)磁化飽和區(qū)域即磁疇。無(wú)外磁�(chǎng)作用�(shí),每�(gè)磁疇中各�(gè)原子的磁矩排列取向一致,而不同磁疇磁矩取向不�。磁疇的這種排列方式使每一顆粒處于能量最小的�(wěn)定狀�(tài)。因�,所有顆粒平均磁矩為�,顆粒不顯磁�。在外磁�(chǎng)作用�,磁矩與外磁�(chǎng)同方向排列時(shí)的磁能低于磁矩與外磁�(chǎng)反方向排列時(shí)的磁能,�(jié)果是同自�(fā)磁化磁矩成較大角度的磁疇體積逐漸縮小。這時(shí)顆粒的平均磁矩不等于�,顆粒對(duì)外顯示磁�,按序排列相接成鏈。當(dāng)外磁�(chǎng)�(qiáng)度較弱時(shí),鏈�(shù)量少、長(zhǎng)度短、直徑也較細(xì),剪斷它們所需外力也較�。隨外磁�(chǎng)不斷增強(qiáng),取向與外場(chǎng)成較大角度的磁疇全部消失,留存的磁疇�(kāi)始向外磁�(chǎng)方向旋轉(zhuǎn),磁流變液中鏈的�(shù)量增�,長(zhǎng)度加�(zhǎng),直徑變粗,磁流變液�(duì)外所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增�(qiáng);再繼續(xù)增加磁場(chǎng),所有磁疇沿外磁�(chǎng)方向整齊排列,磁化達(dá)到飽�,磁流變液的剪切�(yīng)力也�(dá)��

  磁流變液的磁化特征不僅依賴固�(tài)相本身的磁特�,而且與顆粒間聚集狀�(tài)和結(jié)�(gòu)特征密切相關(guān)。另�,磁流變液的磁化飽和�(qiáng)度與體積�?jǐn)?shù)�(wú)�(guān),但磁化率卻隨體積分?jǐn)?shù)的增加而線形增�,且有隨顆粒直徑增大而增大的趨勢(shì)。在外加磁場(chǎng)作用�,磁流變液發(fā)生相變的三�(gè)臨界磁場(chǎng)分別為Hc1、Hc2和Hc3,如�1�

  圖a:當(dāng)H < Hc1�(shí),磁流變液完全處于流體狀�(tài),鐵磁顆粒隨�(jī)分布�

  圖b:當(dāng)Hc1 < H < Hc2�(shí),開(kāi)始形成鏈狀�(jié)�(gòu),鏈與顆粒共存且隨機(jī)分布�

  圖c:當(dāng)Hc2 < H < Hc3�(shí),開(kāi)始形成柱狀�(jié)�(gòu),柱與鏈共存�

  圖d:當(dāng)H > Hc3�(shí),顆粒全部形成柱狀�(jié)�(gòu)�

磁流變液的流變機(jī)理

�(yīng)�

  磁流變液在外加磁�(chǎng)增強(qiáng)的過(guò)程中,液體的粘度隨之增大并最終失去流�(dòng)性變?yōu)楣虘B(tài),此�(guò)程耗能�、可逆、能�(chǎn)生較大屈服應(yīng)力且在豪秒級(jí)�(nèi)完成。利用此一系列性能,在充分考慮磁場(chǎng)、溫度、顆粒尺�、壁面效�(yīng)和體積濃度等諸因素對(duì)�(yīng)用器件影響的基礎(chǔ)�,可以設(shè)�(jì)�(kāi)�(fā)各種磁流變阻尼器�,主要有以下幾類�

  (1)阻尼元件 此類裝置是磁流變液的最典型�(yīng)�,由于能�(chǎn)生強(qiáng)大的阻尼�,且阻尼器可根據(jù)外部的振�(dòng)不同自行�(diào)節(jié)磁場(chǎng)�(qiáng)度大�,來(lái)改變振動(dòng)系統(tǒng)的阻尼和剛度,達(dá)到主�(dòng)減振的目�。根�(jù)阻尼器尺寸和使用�(huán)境不�,可以研制出�(jī)械上用各類阻尼器和阻尼力可高�(dá)20噸力的建筑物減振��

 ?�?)控制元� 由于磁流變液相變的過(guò)程在毫秒量級(jí)�(nèi)完成,因此可以做成敏捷度極高的控制元�,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�(dòng)器等�

  �3)研磨和密封 在光�(xué)鏡頭的加工中,加工精度是制約鏡頭�(zhì)量的�(guān)鍵因素和技�(shù),因此提高加工精度對(duì)鏡頭的形成和微表面粗糙度有著非常重要的意�。如�9所�,采用磁流變液�(jìn)行精加工,試件被固定在移�(dòng)壁的某一位置,在工作表面和移�(dòng)面之間的間隙�(nèi)盛放磁流變液,線圈置于移�(dòng)壁下�。在間隙處產(chǎn)生可控磁�(chǎng),磁流變液隨外加磁場(chǎng)的增�(qiáng)而固�,并隨移�(dòng)壁獲得速度,此間隙處被稱為拋光�(diǎn),其�(guò)程由�(jì)算機(jī)精確控制,可完成�(fù)雜表面形狀拋光和高表面光潔��

研究方向

  磁流變液及其器件在機(jī)械、交�、艦�、航�、車�、建筑等軍用和民用領(lǐng)域具有廣泛的�(yīng)用前景,展望未來(lái),其研究工作主要有以下幾�(gè)方面�

  1)新型MRF材料研究。磁流變液材料在�10年取得了重大�(jìn)展,已有商業(yè)化的�(chǎn)品出�(xiàn)。由于高新技�(shù)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)的MRF材料不能完全滿足工程�(lǐng)域的技�(shù)要求。例如:適用于高�、低溫環(huán)境下的專用磁流變材料,在高頻、高速振�(dòng)�(huán)境下的特殊磁流變材料�。這就要求新型MRF材料向多功能�、高性能化的方向�(fā)展�

  2)新型MRF減振器研�。新型減振器要求在多種工況條件下,保持較高的阻尼�(dòng)�(tài)變化范圍,且變阻尼遲滯時(shí)間要盡可能短。為配合振動(dòng)控制策略所需的振�(dòng)狀�(tài)參數(shù)�(jiān)�(cè)與獲�,采用BIT�(shè)�(jì)將加速度、阻尼力、溫度等傳感器嵌入磁流變減振器之�,這樣可以大大降低磁流變減振器工程�(yīng)用的難度,對(duì)推動(dòng)工程�(yīng)用意義重大�

  3)基于磁流變阻尼的半主�(dòng)振動(dòng)控制算法研究。前述控制算法在�(yīng)用于磁流變阻尼半主動(dòng)振動(dòng)控制懸掛系統(tǒng)中取得了較好的效�,但是由于這些控制策略多數(shù)�(lái)源于�(jīng)典控制理�,對(duì)磁流變阻尼振�(dòng)控制存在“水土不服”的�(wèn)題,因此如何根據(jù)磁流變阻尼特有的性質(zhì)與特�(diǎn)�(duì)振動(dòng)控制策略�(jìn)行創(chuàng)新研究將成為很有�(fā)展前途的研究方向�

維庫(kù)電子�,電子知�(shí),一查百��

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