1、电流变体与磁流变体技术智能材料可控流体 可控流体（Controllable Fluids）是一类新兴智能材料，在自动化及结构控制领域具有广阔的应用前景。其中最具代表性的是电流变体(Electrorheological Fluids)和磁流变体(Magnetorheological Fluids)这两种。 之所以称为可控流体，是因为它们的某些特性可以随外界环境如磁场、电场的改变而改变。这种特性具有连续、可逆和易于控制的特点。普通牛顿流体流变态固体未施加磁场、电场施加磁场、电场磁场、电场强度达到某一强度磁场电场撤销强度降低电流变体的发现 电流变体（Electrorheological Fluid,
2、 简称ERF），是上世纪出现的一种智能材料，由美国学者W.M.Winslow首次发现并获得专利。它是由高介电常数的固体微粒分散于低介电常数的液态基液后所构成的悬浮体系，其流变性能可以由外加电场控制。电流变效应 当未加电场时，固体颗粒随机地分布在液态基液中，此时电流变体与普通的牛顿流体相似； 而当施加电场时，颗粒会被瞬间(ms量级)极化成电偶极子，粒子间的相互作用会使固体颗粒形成链并进而形成柱状结构，从而产生屈服应力。其表观粘度可以增加几个数量级，而且这种变化是可逆的。 撤除电场后，电流变体又会瞬间恢复到原来的状态。电流变效应自然状态施加电场后，粒子沿电场方向生成粒子链粒子链结合生成粒子柱加电场
3、继续加电场电流变效应剪切速度剪切应力电流变效应的产生机理双层理论（Double Layer Theroy）水胶理论（Water Glue Theroy）颗粒极化理论（Particle Polarization Theroy）电流变体的应用 由于电流变体具有非常优良的性能，应用电流变体技术设计的器件具有响应快、连续可调、电控性能好、功耗低、灵敏度高、重量轻、结构简单等突出优点，因而被广泛应用于汽车工程、液压工程、航空航海、生产自动化、机器人工程、医疗器件、体育用品、国防等领域。 特别是在汽车工程中，利用电流变技术可以设计出新颖的汽车转向系统、汽车的减震装置、制动装置等。与传统的机械产品相比，具有
4、设计简化、应用简便、灵敏度高、噪声小、寿命长、成本低、易于实现电脑控制的特点。电流变技术在汽车传动系统的重大创新将引发一场汽车技术革命。电流变体的应用典型的电流变体器件框图电流变体的限制 虽然电流变体具有很多优越的性能，但是目前电流变体的动态剪切应力普遍在15kPa以下，这一数值与传统的机械传动或驱动系统相比还差的很远。因此电流变体技术想要进一步取代传统机械传动或驱动系统，就必须进一步提高这个参数。磁流变体的发现 磁流变体的研究是在电流变体的基础上发展起来的。1948年，美国国家标准局的Jacob Rabinow发现了磁流变效应，并开始研究磁流变体及其应用装置（离合器）。 但是在过去的几十多年
5、里，许多研究机构和企业几乎都没有对磁流变体进行深入研究，而是将注意力主要集中在电流变体的研究上。直到最近十几年研究人员才发现，磁流变体具有许多电流变体所不具备的优点： （1）相对低成本、低能耗； （2）磁流变体具有高出一个数量级的屈服应力； （3）适应温度范围很宽（-400 500）； （4）流变特性不受制造及使用过程中杂质的影响。 磁流变体的这些优点一出现就引起了减振设备与技术领域内专家的极大兴趣。磁流变体的指标磁流变体应满足的指标（1）零磁场粘度低，以便使其在磁场作用下，具有同等剪切屈服强度增长时，具有更大的可调范围。（2）强磁场下剪切屈服强度高，至少应达到2030Kpa，这是衡量磁流变液
6、特性的主要指标之一。（3）杂质干扰小，以增加其使用范围。（4）温度使用范围宽，即在相当宽的温度范围具有极高的稳定性。（5）响应速度快，最好能达到毫秒级，以使磁流变液减振器作为主动和半主动控制器时，基本不存在时迟问题。（6）抗沉降性好，长时间存放应基本不分层。（7）能耗低，在较弱的磁场下可产生较大的剪切屈服强度。（8）无毒、不挥发、无异味，这是由其应用领域所决定的。磁流变体的工作原理 磁流变体（Magnetorheological Fluid , 简称MRF）一类具有磁流变效应（Magnetorheological Effect，简称MRE）的材料。 磁流变体在零磁场条件下，呈现出低粘度的牛顿流
7、体特性；而在强磁场条件下，则呈现出高粘度、低流动性的Binghan体特性，流体的屈服应力和表观粘度有23个数量级的变化。特别的，在某一特定磁场强度下，停止流动直至固体状态，且有固体的某些特性，具有很强的抗剪切能力。 由于磁流变体在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、这种转换是在毫秒（ms）量级的时间内完成，而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，同时通过调节磁场大小可以控制材料的力学性能连续变化，因此磁流变体是一种用途广泛、性能优良的智能材料。磁流变体工作原理 悬浮载液内的磁性粒子，通常为微米或纳米级的球形或椭球，随机分布在悬浮液中。在正常情况（无外加磁场）下，如下：没有外加磁场
8、的状态磁流变体工作原理 当施加磁场时，悬浮粒子（通常为0.110m范围内）沿磁通方向分布，这种沿磁通分布的方式会阻碍垂直于磁通方向的流动。因此，在设计的磁流变的移动设备中，关键是要确保磁通线垂直方向的运动受到限制。有外加磁场的状态磁流变体工作原理 磁流变效应示意图磁流变体在磁场作用下的实际效果磁流变效应的产生机理 磁流变体的特性主要是指它的磁特性、流变性和稳定性。迄今为止，产生磁流变效应的机理，一直没得到确切物理解释。其中有代表性的，而且为大众所接受的是偶极矩理论和相变理论。偶极矩理论 这个理论认为，在外加磁场的作用下，每一个磁性颗粒都会被极化成为磁偶极子，而此时各个偶极子之间可以相互吸引，并
9、形成链，磁流变效应的强度和偶极子之间形成的链的力大小，有着一定关系，这个理论的基础是静磁相互作用理论。磁流变效应的产生机理 相变理论 该理论认为在零磁场作用下，悬浮颗粒是自由相，它随机分布于母液中，热波动会对它的转动和迁移造成很大影响。磁场强度升至某一临界值时，颗粒会被磁化，受到热波动和磁场强度双重作用，某些颗粒就进行有序化排列，成为有序相。随后随着磁场强度变大，有序相就会连成长链，且以长链作为核心，吸收周围短链，使链变粗，形成固态相。磁流变体的操作模式 磁流变体中使用三种主要的操作模式：流模式，剪切模式和挤压流动模式。 这些模式的可以用一个物理模型来形象说明，即在处于一定磁场强度下，两个固定
10、板之间充满着磁流变体，分别改变固定板与磁流变体之间的相对运动方式，可以得出三种操作模式，它们各自都有不同的应用领域。物理模型磁流变体操作模式Flow mode（流模式） 固定板保持不动，磁流变体沿垂直磁通方向流动。通过对外部磁场的控制，可以有效的控制磁流变体的粘滞度，限制其流动。流模式可用于高性能阻尼器和减震器的设计制造中。流模式的示意图磁流变体操作模式Shear mode（剪切模式） 其中一块固定板保持不动，另一块固定板沿垂直磁通方向移动，对磁流变体进行剪切。剪切模式在离合器和制动器中特别有用必须控制旋转运动的地方。剪切模式的示意图磁流变体操作模式Squeeze-flow mode（挤压流动
11、模式） 其中一块固定板保持不动，另一块固定板沿磁通方向移动，对磁流变体进行挤压。挤压流动模式很适合控制微小的、毫米级的运动。挤压流动模式的示意图磁流变体的研究现状 目前对磁流变体的研究体现在两大方面。 一、从材料和力学的角度出发，研究磁流变体的组成成分及物理特性；（材料本身） 二、从机械学、振动学、电子学、控制学等角度出发，并结合具体应用目标开展多学科交叉研究。（材料应用） 前者的研究主要致力于磁流变体材料的研制、性能提升、以及低成本化生产等；后者的研究则致力于磁流变体材料的多领域多学科应用、控制等。磁流变体的材料成分 磁流变体材料是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的
12、悬浮体。123磁流变体的组成示意图1弥散质颗粒 2表面活性剂 3基液磁流变体的材料成分 基液（载液），是磁流变体的主要成分，分为磁性基液和非磁性基液两种，目前大多数用的是非磁性基液。一般来说，磁流变体的基液应该具有以下特点：低凝固点、高沸点、适宜的黏度。 除此之外，基液还应需满足化学稳定性好、耐腐蚀、无异味、无毒、价格低廉等条件。磁流变体基液的种类磁流变体的材料成分 弥散质颗粒，包括磁性颗粒和非磁性颗粒两种，尺寸大小主要是微米和纳米级的。磁性颗粒主要含有 Fe3O4、Fe3N、Co、Fe、Ni 等微粒，其中磁饱和度最大的微粒是铁钴合金，其磁饱和度能达到 2.4T，但价格昂贵，所以实际应用最多的
13、微粒是羰基铁粉和纯铁粉，它们的磁饱和度大约为 2.1T。非磁性颗粒主要分为聚合物颗粒和无机非金属颗粒，如聚苯乙烯和硅石颗粒。磁流变体的材料成分 加入表面活性剂可以改善磁流变体的性能。因为弥散质颗粒的密度比基液密度大很多，因此很容易沉降；为了保证颗粒的悬浮稳定性以及提高磁流变体的流变性能，一般情况，需要加入活性剂，比如使用稳定剂(像硅氧化物、硅胶)或各种各样的表面改性的试剂等，以防止出现颗粒沉淀和不可逆转的团聚现象。表面活性剂一般是由亲油基、亲水基两种不同特性的物质组成的低聚物。不同基液中的添加剂磁流变体的类型磁流变体种类纳米磁性颗粒非磁性基液型微米磁性颗粒非磁性基液型磁性颗粒磁性基液型非磁性颗
14、粒磁性基液型采用纳米磁性粒子作为主分散颗粒，它的基液与经典磁流变体是一致的，都是非磁性的。采用微米级的顺磁或软磁材料的颗粒和低磁导率的基液，是目前主流工艺，具有较强的磁流变效应，屈服应力能够达200100kPa。采用微米级的磁性颗粒分散溶于磁性基液(如铁磁流体)中制成的悬浮液。磁性基液加强了磁性颗粒间的相互作用力，从而增强了磁流变效应。利用微米级的非磁性颗粒(如 4050m 的聚苯乙烯或硅石颗粒)分散溶于磁性基液(如铁磁流体)中制成的悬浮液。但是，这种悬浮液的磁流变效应比较低，屈服应力也较低，目前研究的还比较少。磁流变体研究的困难（1）除少数商业化的磁流变体外，大多数磁流变体的零场粘度比较高、
15、稳定性不够理想。（2）商业化的磁流变体及它的应用装置价格比较昂贵。如 Lord 公司生产的磁流变体每升约为600美元，小型直动式阻尼器控振系统每套大约 300 美元。这使得磁流变体装置的广泛应用或在代替某些传统装置方面受到限制。磁流变体装置的成本主要来自零件的精密加工，密封件的成本，电磁铁的制造等。（3）磁流变体的应用目前还没有广泛地深入，有些研究应用离工程应用还有一定距离，磁流变体装置的数学模型以及控制技术还有待深入研究和完善。磁流变体技术及应用领域磁流变体技术阻尼技术抛光技术传动技术密封技术生物医药技术其它技术应用领域机械工程控制工程汽车工程生物医药精密加工航空航天国外磁流变体的研究与应用
16、单位应用实例美国Lord公司汽车减振器、离合器和制动装置美国军方俄亥俄级导弹攻击核潜艇的抗攻击研究美国福特研究中心可在500HZ到600HZ内移频的磁流变弹性体吸振器原理样机佐治亚理工大学压缩式磁流变弹性体吸振器的移频特性及其控制方法宾西法尼亚州立大学直升机水平旋冀叶片的振动控制国外磁流变体的应用美国Lord（洛德）公司http:/磁流变（MR）流体技术线控转向和触觉控制先进的可控悬浮液车辆，驾驶室和/或座椅悬浮液主动悬架系统智能材料与结构自适应运动控制乘员约束系统和安全系统磁性器件和设计风扇离合器抗震设防人类假肢技术对比单位研究者研究方向哈尔滨工业大学欧进萍等采用最优控制实现JZ20-2MU
17、Q海洋平台的磁流变智能阻尼隔振控制南京航空航天大学夏品奇教授实现磁流变阻尼器用于直升飞机“地面共振”的自适应控制重庆大学黄尚廉院士王代华教授采用仿人智能控、模糊控制对汽车磁流变半主动悬架经行控制上海交通大学汪建晓孟光对磁流变减振系统在建筑、机械方面的应用研究哈尔滨建筑大学关新春国内磁流变体的研究与应用磁流变体的研究与应用中科大智能材料与振动控制实验室http:/ 线圈不通电时（无磁场），主动轴与从动轴分离。 线圈通电时（有磁场），主动轴与从动轴可以进行同步传动和滑差传动。磁流变减振器磁流变体研究的困难工作原理： 汽车磁流变液减振器，以工作钢作为磁场发生的外磁路，以活塞体为磁场发生的内磁路：在励
18、磁线圈外采用非导磁的线圈保护套，使磁力线通过由工作缸与活塞本体组成的阻尼通道；在活塞本体的外设计非导磁的导向器，以确保阻尼通道的径向尺寸均匀，更充分地发挥磁场对磁流变液作用：在工作缸的下腔设计了夹层橡胶波纹管补偿气囊，使减震器压缩过程中对簧载质量起到缓冲作用和对减震器起到体积补偿作用，有利于磁流变液的二次起浮。本减震器在小激励电流作用下，减振器的阻尼力就开始发生变化，确保减振器的能耗较小。磁流变减振器用于汽车减振的小型磁流变减振器磁流变减振器用于高速列车减振的大型磁流变减振器磁流变减振器被动式吸振器缺点 控制频带很窄且不可调 减振失效甚至恶化缺点耗能多容易失效主动式吸振器优点响应速度为毫秒级可逆性好可靠性高、性能稳定能耗少在不改变自重的前提下大大拓宽了减振带宽半主动式吸振器磁流变材料磁流变制动器磁流变制动器
