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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(zhǎng)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(chǎng)，可以迅速改變其特性。在磁場(chǎng)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(rùn)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)的情況下，MR流體是近似于牛頓流體。對(duì)于大多數(shù)工程應(yīng)用一個(gè)簡(jiǎn)單的賓漢塑性模型對(duì)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(chǎng)，[Pa] H -磁場(chǎng)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(rùn)滑油（圖1）相類似。 圖1. 1 無外磁場(chǎng)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(chǎng)的存在下，在鐵粒子獲得與外部對(duì)齊的偶極矩的時(shí)候，這會(huì)導(dǎo)致顆粒形成對(duì)準(zhǔn)到磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度分別為約50-100千帕，150–250 kA/m。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壁面粗糙度對(duì)接觸與流體的屈服強(qiáng)度是很重要的，特別是在低磁場(chǎng)之中。在MR材料中，最終達(dá)成飽和點(diǎn)時(shí)增加的磁場(chǎng)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(chǎng) MR流體模型外的磁場(chǎng)作用是立即恢復(fù)，如果磁場(chǎng)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(chǎng)之中。 磁性材料表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)，是典型的隨電流變化的材料。相對(duì)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(duì)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(duì)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?chǎng)的強(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(zhǎng)。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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)之中。 在外加磁場(chǎng)的情況下，MR流體是合理近似牛頓流體。對(duì)于大多數(shù)工程應(yīng)用程序，一個(gè)簡(jiǎn)單的賓漢塑性模型是有效的描述必不可少的，現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)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。 參考文獻(xiàn) [1] A. awniczak, Electro- and Magnetorheological Fluids andtheir Applications in Engineering, Pozna 1999 (in Polish) [2] S.P. Rwei, H.Y. Lee, S.D. Yoo, L.Y. Wang, J.G. Lin,Magnetorheological characteristics of aqueous suspensions that contain Fe3O4 nanoparticles, Colloid Polymer Science 283 (2005), 1253–1258 [3] C. Holm, J.-J. Weis, The structure of ferrofluids: A statusreport, Current Opinion in Colloid & Interface Science 10 (2005), 133–140 [4] D.A. Siginer, Advances in the Flow and Rheology of Non-Newtonian Fluids, Elsevier, 1999 [5] K.C. Chen, C.S. Yeh, A mixture model for magnetorheologicalmaterials, Continuum Mechanics and Thermodynamics, 15 (2002), 495–510 [6] L. Zhou, W. Wen, P. Sheng: Ground States of Magnetorheological Fluids, Physical Review Letters Vol. 81, Nr 7, 1509-1512 [7] J. Huang, J.Q. Zhang, Y. Yang, Y.Q. Wei: Analysis and design of a cylindrical magneto-rheological fluid brake, Journal of Materials Processing Technology 129 (2002), 559–562 [8] K. Shimada, Y. Wu, Y. Matsuo and K. Yamamoto, New polishing technique using new polishing tool consisting of micro magnetic clusters in float polishing, Proceedings of the 8th International Conference on Advances in Materials and Processing Technology, AMPT’2005, Gliwice-Wisa, 2005, 547-550 [9] K. Shimada, Y. Wu, Y. Matsuo and K. Yamamoto, Float polishing technique using new tool consisting of micro magnetic clusters, Journal of Materials Processing Technology, 162-163 (2005), 690-695 [10] T. Pranoto, K. Nagaya, Development on 2DOF-type and Rotary-type shock absorber damper using MRF and their efficiencies, Journal of Materials Processing Technology, 161 (2005), 146-150 [11] W.B. Kim, B.-K. Min, S.J. Lee, Development of a padless ultraprecision polishing method using electrorheological fluid, Journal of Materials Processing Technology, 155-156 (2004), 1293-1299 [12] Dhirendra K. Singh, V.K. Jin, V. Raghuram, Parametric study of magnetic abrasive finishing process, Journal of Materials Processing Technology, 149 (2004), 22-29 [13] W. Klein, M. Otorowski, Review of magnetorheological fluids applications in mechanical systems, 9th International seminar of Applied Mechanics, Wisa 2005, 75-82 (in Polish) [14] W. Klein, A. Myk, M. Otorowski, The application overhaul of magnetorheological fluids in mechanical engineering, XIII International Scientific Conference TEMAG, Gliwice-Ustro 2005, 95-105 [15] B. Sapiski, S. Bydo, Application of magnetorheological fluid brake to shaft position control in induction motor, AMAS Workshop on Smart Materials and Structures, SMART’03, Jadwisin 2003, 169–180