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磁流變液的性能與應用 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 機械設備的實際應用中的作用提高了。 設計/方法/方式 ：理論研究成果中獲得的性能和應用。在過去的幾十年和近幾年所取得的進步。 調(diào)查結果： 它是非常清楚的介紹傳統(tǒng)的設備更換與應用，這種智能系統(tǒng)能更好地適應環(huán)境的刺激是必要的。他們中的許多應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)異的可以應用在各個領域的民用工程，安全工程，交通運輸和生命科學。他們提供了一個具有優(yōu)秀的活動能力控制的機械性能。 實踐意義： 從事剎車的設計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/價值 ：本文介紹了一個跟上時代的MR材料的開發(fā)和應用在土木工程。超過時下解決方案的智能系統(tǒng)的優(yōu)點將成為的方向21世紀器件的研究和設計。 關鍵詞： 智能材料，磁材料，磁學性質(zhì)，剪應力 1. 1 介紹 目前使用標準的電子和機械設計的材料在科學技術已經(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，只需加入一點點的熱量，或從液體到固體在磁鐵附近時發(fā)生改變，這些材料就是所謂的智能材料。 智能材料具有一個或多個屬性，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，如果油被加熱會變得更薄一點，而智能材料加于變量可能會變成易流動的液體狀態(tài)到固體。每個單獨的智能材料有不同的屬性，它可以顯著地改變，如粘度、體積或著導電性。這些可以可以改變的屬性， 確定是什么類型的應用程序的智能材料可以應用于下表[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構，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用進展是處于新的，使更復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構將受益于材料性能的MR。 如今，這些應用程序包括制動器，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的，可磁化顆粒（主要是鐵顆粒）懸浮于適當?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] 磁場強度 150 – 250 [kA/m] 屈服點 50 – 100 [kPa] 反應時間 幾毫秒 典型的電源電壓和電流強度 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)定的會變得越來越困難，因為增加顆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穩(wěn)定， 因為顆粒通常直徑只有30納米。 然而，由于其較低的飽和度磁化強度，由這些顆粒制成的流體通有常約5千帕的壓強，并有一個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)工程應用一個簡單的賓漢塑性模型對其有效的描述必不可少的，實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，其屈服應力必須超過前的流量可以開始。此后，將剪切速率與剪切應力的關系曲線曲線是程線性的。在此模型中， 總屈服應力由下式給出（1）： 其中：-屈服應力引起的磁場，[Pa] H -磁場強度，[A / M] - 剪切速率，[S] -塑性粘度，[[Pa] 許多現(xiàn)代的復雜模型，如磁流體[5，6]，通常情況下，磁流變液是自由流動的液體，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候，這會導致顆粒形成對準到磁場的直鏈。 這種現(xiàn)象可以穩(wěn)定暫停的鐵顆粒和限制的流體運動。因此，在屈服強度與流體內(nèi)的開發(fā)的變化程度所施加的磁場的大小有關，并且這種改變可以發(fā)生在幾個毫秒之內(nèi)。 磁流變液的性能及應用典型的磁流變材料可以實現(xiàn)產(chǎn)量強度和磁場強度分別為約50-100千帕，150–250 kA/m。測試結果發(fā)現(xiàn)，壁面粗糙度對接觸與流體的屈服強度是很重要的，特別是在低磁場之中。在MR材料中，最終達成飽和點時增加的磁場強度的做不增加的MR材料的屈服強度。這現(xiàn)象通常在大約300千安/米的磁飽和時的MR材料的強度是可以的。 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，如果磁場強度是減少或取消，將會記錄6.5毫秒的反應時間。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數(shù)，因此在這些溫度下的強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，因為流變性質(zhì)的改變是大，ER流體，所以增加的屈服應力的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。 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 應用磁流體 磁流變材料的在液體狀態(tài)，因為可以由控制所施加的磁場的強度，在應用程序中變量的性能是必需的而且它是有用的。微處理器，傳感器技術和提高電子信息內(nèi)容和處理速度已經(jīng)創(chuàng)建了實時智能控制的可能性系統(tǒng)的MR設備。 MR技術的商業(yè)化開始1995年在使用的旋轉(zhuǎn)制動器的有氧運動設備中，從這一刻開始應用磁流變材料技術并在在現(xiàn)實應用中的實現(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時主動振動控制 ﹒系統(tǒng)在重型卡車 ﹒線性和旋轉(zhuǎn)制動器的低成本的，準確的位置，氣動執(zhí)行器系統(tǒng)的速度控制 ﹒旋轉(zhuǎn)制動器，轉(zhuǎn)向提供觸覺力反饋線系統(tǒng)，在先進的實時步態(tài)控制的線性阻尼器 ﹒假肢裝置 ﹒可調(diào)節(jié)的實時控制減震器 ﹒汽車 ﹒MR洗衣機海綿阻尼器， ﹒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 ﹒在土木結構，大型磁流變液阻尼器風致振動控制斜拉橋。 MR制動器在直接剪切模式中，剪切 MR流體灌裝在兩個表面之間的間隙（軸瓦和轉(zhuǎn)子）與相對于彼此移動。轉(zhuǎn)子被固定到軸，它被放置在軸承和可以旋轉(zhuǎn)有關軸瓦。 MR中制動阻力轉(zhuǎn)矩取決于液體的粘度，可以通過磁場變化的MR流體。MR制動可用于連續(xù)控制的扭矩。當有沒有磁場的轉(zhuǎn)矩引起的載體的粘度液體變化時，軸承處于密封。MR制動特別適合在各種應用場所，包括氣動致動器控制，精密張力控制和觸覺力反饋的應用，轉(zhuǎn)向離合器。 MR離合器類似MR制動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離合器的結構：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，這樣的結果是無級變速，可控大阻尼力的阻尼能力。磁流變阻尼器提供了一個機械系統(tǒng)中的能量吸收吸引力的解決方案和結構，并可以被認為是“故障-安全”的設備。 4. 4 結論 科學和技術在21世紀將依賴新材料的發(fā)展以及在預期回應環(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域的科學和技術，比如基本任務信息科學，微電子技術，計算機科學，醫(yī)學治療，生命科學，能源，交通運輸，安全工程和軍事技術。 因此在未來的材料的開發(fā)中，應使導演朝著創(chuàng)建功能亢進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，這將導致現(xiàn)代技術向智能系統(tǒng)。 這些液體能可逆地從一個瞬間改變自由流動的液體，半固體狀的，可控的屈服強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)工程應用程序，一個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技術已經(jīng)走出實驗室，進入可行的商業(yè)應用程序為不同的頻譜的產(chǎn)品。應用范圍包括汽車主要懸浮液， 卡車座椅系統(tǒng)，的設備， 氣動控制，減震和人類假肢。 MR 相反，常規(guī)的電氣-機械-解決方案，MR技術提供了： ﹒實時，連續(xù)可變控制 ﹒阻尼 ﹒運動和位置控制 ﹒鎖定 ﹒觸覺反饋 ﹒高耗散力的速度 ﹒更大的能量密度 ﹒簡單的設計（很少或根本沒有移動部件） ﹒快速響應時間（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阻尼模式） ﹒系統(tǒng)固有的穩(wěn)定性（產(chǎn)生沒有現(xiàn)役部隊） ﹒磁流變液的操作可以直接從低電壓電源用品。 MR技術可以提供靈活，可靠的控制在設計的能力。 參考文獻 [1] A. awniczak, Electro- and Magnetorheological Fluids andtheir Applications in Engineering, Pozna 1999 (in Polish) [2] S.P. 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