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磁流变液研究与应用 　　摘要：磁流变液是在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料,呈现可控的屈服强度,且变化是可逆的。本文阐述了磁流变液的流变机理,介绍了磁流变液的类型和组成成分,以及磁流变液的类型对磁流变效应的影响和磁流变液的各项性能指标对磁流变效应的影响因素。最后给出了磁流变效应的应用领域。 　　关键词：磁流变液 流变机理 磁流变效应 　　 　　1、前言 　　磁流变液（Magnetorheological Fluid,简称MRF）是在外加磁场作用下其黏性、塑性等流体特性发生急剧变化的材料。其在外磁场作用下能在瞬间（毫秒级）从自由流动的液体转变为半固体,呈现可控的屈服强度,而且这种变化是可逆的。磁场对磁流变液的黏度、塑性和黏弹性等特性的影响称为磁流变效应。 　　80年代中后期,MRF的研究克服了悬浮稳定性差、应用装置磁路设计复杂的缺点,取得了惊人的进展,不仅研制成功了剪切屈服强度可达100、性能稳定的MRF,而且相关的应用也扩展到了阀门、密封、自动化仪器、传感器、研磨（抛光）以及车辆、机械和设备减振等领域。 　　2、磁流变液的流变机理 　　到目前为止,磁流变效应产生的机理还没有完全明确,但是从显微镜的观察下可以明显的看到（图1）,在零磁场下,磁流变液的颗粒分布是杂乱的,而在磁场作用下,却是有规则的,且沿磁场方向链束状排列,其原理示意图如图2所示。这样就限制了液体的流动,由原来的流体向半固体发展,剪切屈服强度也随之产生。 　　 　　（a）零磁场下随机分布 （b）强磁场下成链状 　　图1 显微镜下MRF颗粒的分布变化 　　 　　（a）零磁场下随机分布 （b）强磁场下成链状 　　图2 MRF的原理示意图 　　颗粒成链束的原因,也存在许多的假设,其中具有代表性的有相对成核理论和场致偶极矩理论。 　　相对成核理论认为零磁场时,弥散在基液中固体颗粒成随机状态,其迁徙为自由运动。当场强增加时,颗粒磁化,颗粒互相靠拢成有序排列。随着场强增加,这些有序排列联成长链,且以长链为核心,吸收短链,使链变粗,构成固态相。 　　场致偶极矩理论认为在外加磁场的作用下,每一颗粒都极化成磁偶极子,各个偶极子互相吸引形成链（或纤??）,流变效应强度与偶极子链的力的大小有关系,静磁相互作用是该理论的基础。 　　上面两种理论体系都假设弥散质粒子为一规则形状（球形）,在磁场作用下球形颗粒完全磁化而互相靠近。实际上,粒子是非常不规则的,某些粒子可能互相嵌套,而且粒子表面又有活性剂包覆,因此在建立模型过程中遇到的困难较多,所得出理论公式与试验所得相差很远,至今还未见成熟的公式出现。 　　3、磁流变液的类型和成分 　　3.1 磁流变液的类型 　　磁流变液的主要成分为软磁性颗粒、母液以及为了防止磁性颗粒沉降而添加的所占比例很少的添加剂。根据组成和性能的不同,磁流变液分为四种类型。 　　3.1.1 微米磁性颗粒-非磁性载液型磁流变液 　　这是经典性的磁流变液,绝大多数的研究和应用都使用这种类型的磁流变液。采用微米尺寸的顺磁或软磁材料的颗粒和低磁导率的载液。它具有较强的磁流变效应,屈服应力可达到50～100。 　　3.1.2 纳米磁性颗粒-非磁性载液型磁流变液 　　研制的纳米级磁流变液是用30的铁氧粉分散于非磁性载液中制成的非胶体悬浮液,它具有非常好的沉淀稳定性,在中等磁场（0.2,是磁感应强度,1=）作用下,屈服应力可达4。 　　3.1.3 非磁性颗粒-磁性载液型磁流变液 　　这种磁流变液使用微米级的非磁性颗粒（如40～50的聚苯乙烯或硅石颗粒）分散溶于磁性载液（如铁磁流体）中制成的悬浮液。虽然铁磁流体作为载液仅具有微小的磁流变效应,但是微小的磁性颗粒形成的链状聚集可与较大的非磁性颗粒结合成类凝胶网状体系,从而使磁流变效应加强。这种悬浮液的磁流变效应较低,主要用于磁流变液的对比研究。 　　3.1.4 磁性颗粒-磁性载液型磁流变液 　　这种磁流变液是用微米级的磁性颗粒分散溶于磁性载液中制成的悬浮液。磁性载液加强了磁性颗粒间的作用力,从而增强了磁流变效应。 　　3.2 磁流变液的组成成分 　　现就常见的微米磁性颗粒-非磁性载液型磁流变液的组成进行介绍。 　　3.2.1 软磁性颗粒 　　软磁性颗粒主要有铁钴合金、铁镍合金、羟基铁等常规的性能优良的颗粒,使用最多的磁性颗粒为羟基铁,因为它是工业化产品,产量大、价格便宜。 　　根据场致偶极矩理论,建立磁流变液剪切屈服强度的计算模型,得出的剪切屈服强度可以近似表示为: 　　当颗粒未达到磁化饱和时 　　 （1） 　　当颗粒达到磁化饱和时 　　 （2） 　　式中,和为常数,它们受磁流变液中颗粒的体积含量以及颗粒的饱和磁化强度（）等因素影响;为外加磁场;为介于1与