電流變 磁流變

1、電流變體與磁流變體技術(shù)智能材料可控流體 可控流體（Controllable Fluids）是一類新興智能材料，在自動化及結(jié)構(gòu)控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中最具代表性的是電流變體(Electrorheological Fluids)和磁流變體(Magnetorheological Fluids)這兩種。 之所以稱為可控流體，是因?yàn)樗鼈兊哪承┨匦钥梢噪S外界環(huán)境如磁場、電場的改變而改變。這種特性具有連續(xù)、可逆和易于控制的特點(diǎn)。普通牛頓流體流變態(tài)固體未施加磁場、電場施加磁場、電場磁場、電場強(qiáng)度達(dá)到某一強(qiáng)度磁場電場撤銷強(qiáng)度降低電流變體的發(fā)現(xiàn) 電流變體（Electrorheological Fluid,

2、 簡稱ERF），是上世紀(jì)出現(xiàn)的一種智能材料，由美國學(xué)者W.M.Winslow首次發(fā)現(xiàn)并獲得專利。它是由高介電常數(shù)的固體微粒分散于低介電常數(shù)的液態(tài)基液后所構(gòu)成的懸浮體系，其流變性能可以由外加電場控制。電流變效應(yīng) 當(dāng)未加電場時，固體顆粒隨機(jī)地分布在液態(tài)基液中，此時電流變體與普通的牛頓流體相似； 而當(dāng)施加電場時，顆粒會被瞬間(ms量級)極化成電偶極子，粒子間的相互作用會使固體顆粒形成鏈并進(jìn)而形成柱狀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生屈服應(yīng)力。其表觀粘度可以增加幾個數(shù)量級，而且這種變化是可逆的。 撤除電場后，電流變體又會瞬間恢復(fù)到原來的狀態(tài)。電流變效應(yīng)自然狀態(tài)施加電場后，粒子沿電場方向生成粒子鏈粒子鏈結(jié)合生成粒子柱加電場

3、繼續(xù)加電場電流變效應(yīng)剪切速度剪切應(yīng)力電流變效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理雙層理論（Double Layer Theroy）水膠理論（Water Glue Theroy）顆粒極化理論（Particle Polarization Theroy）電流變體的應(yīng)用 由于電流變體具有非常優(yōu)良的性能，應(yīng)用電流變體技術(shù)設(shè)計(jì)的器件具有響應(yīng)快、連續(xù)可調(diào)、電控性能好、功耗低、靈敏度高、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等突出優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于汽車工程、液壓工程、航空航海、生產(chǎn)自動化、機(jī)器人工程、醫(yī)療器件、體育用品、國防等領(lǐng)域。 特別是在汽車工程中，利用電流變技術(shù)可以設(shè)計(jì)出新穎的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、汽車的減震裝置、制動裝置等。與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相比，具有

4、設(shè)計(jì)簡化、應(yīng)用簡便、靈敏度高、噪聲小、壽命長、成本低、易于實(shí)現(xiàn)電腦控制的特點(diǎn)。電流變技術(shù)在汽車傳動系統(tǒng)的重大創(chuàng)新將引發(fā)一場汽車技術(shù)革命。電流變體的應(yīng)用典型的電流變體器件框圖電流變體的限制 雖然電流變體具有很多優(yōu)越的性能，但是目前電流變體的動態(tài)剪切應(yīng)力普遍在15kPa以下，這一數(shù)值與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動或驅(qū)動系統(tǒng)相比還差的很遠(yuǎn)。因此電流變體技術(shù)想要進(jìn)一步取代傳統(tǒng)機(jī)械傳動或驅(qū)動系統(tǒng)，就必須進(jìn)一步提高這個參數(shù)。磁流變體的發(fā)現(xiàn) 磁流變體的研究是在電流變體的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。1948年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的Jacob Rabinow發(fā)現(xiàn)了磁流變效應(yīng)，并開始研究磁流變體及其應(yīng)用裝置（離合器）。 但是在過去的幾十多年

5、里，許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)幾乎都沒有對磁流變體進(jìn)行深入研究，而是將注意力主要集中在電流變體的研究上。直到最近十幾年研究人員才發(fā)現(xiàn)，磁流變體具有許多電流變體所不具備的優(yōu)點(diǎn)： （1）相對低成本、低能耗； （2）磁流變體具有高出一個數(shù)量級的屈服應(yīng)力； （3）適應(yīng)溫度范圍很寬（-400 500）； （4）流變特性不受制造及使用過程中雜質(zhì)的影響。 磁流變體的這些優(yōu)點(diǎn)一出現(xiàn)就引起了減振設(shè)備與技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)專家的極大興趣。磁流變體的指標(biāo)磁流變體應(yīng)滿足的指標(biāo)（1）零磁場粘度低，以便使其在磁場作用下，具有同等剪切屈服強(qiáng)度增長時，具有更大的可調(diào)范圍。（2）強(qiáng)磁場下剪切屈服強(qiáng)度高，至少應(yīng)達(dá)到2030Kpa，這是衡量磁流變液

6、特性的主要指標(biāo)之一。（3）雜質(zhì)干擾小，以增加其使用范圍。（4）溫度使用范圍寬，即在相當(dāng)寬的溫度范圍具有極高的穩(wěn)定性。（5）響應(yīng)速度快，最好能達(dá)到毫秒級，以使磁流變液減振器作為主動和半主動控制器時，基本不存在時遲問題。（6）抗沉降性好，長時間存放應(yīng)基本不分層。（7）能耗低，在較弱的磁場下可產(chǎn)生較大的剪切屈服強(qiáng)度。（8）無毒、不揮發(fā)、無異味，這是由其應(yīng)用領(lǐng)域所決定的。磁流變體的工作原理 磁流變體（Magnetorheological Fluid , 簡稱MRF）一類具有磁流變效應(yīng)（Magnetorheological Effect，簡稱MRE）的材料。 磁流變體在零磁場條件下，呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流

7、體特性；而在強(qiáng)磁場條件下，則呈現(xiàn)出高粘度、低流動性的Binghan體特性，流體的屈服應(yīng)力和表觀粘度有23個數(shù)量級的變化。特別的，在某一特定磁場強(qiáng)度下，停止流動直至固體狀態(tài)，且有固體的某些特性，具有很強(qiáng)的抗剪切能力。 由于磁流變體在磁場作用下的流變是瞬間的、可逆的、這種轉(zhuǎn)換是在毫秒（ms）量級的時間內(nèi)完成，而且其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，同時通過調(diào)節(jié)磁場大小可以控制材料的力學(xué)性能連續(xù)變化，因此磁流變體是一種用途廣泛、性能優(yōu)良的智能材料。磁流變體工作原理 懸浮載液內(nèi)的磁性粒子，通常為微米或納米級的球形或橢球，隨機(jī)分布在懸浮液中。在正常情況（無外加磁場）下，如下：沒有外加磁場

8、的狀態(tài)磁流變體工作原理 當(dāng)施加磁場時，懸浮粒子（通常為0.110m范圍內(nèi)）沿磁通方向分布，這種沿磁通分布的方式會阻礙垂直于磁通方向的流動。因此，在設(shè)計(jì)的磁流變的移動設(shè)備中，關(guān)鍵是要確保磁通線垂直方向的運(yùn)動受到限制。有外加磁場的狀態(tài)磁流變體工作原理 磁流變效應(yīng)示意圖磁流變體在磁場作用下的實(shí)際效果磁流變效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理 磁流變體的特性主要是指它的磁特性、流變性和穩(wěn)定性。迄今為止，產(chǎn)生磁流變效應(yīng)的機(jī)理，一直沒得到確切物理解釋。其中有代表性的，而且為大眾所接受的是偶極矩理論和相變理論。偶極矩理論 這個理論認(rèn)為，在外加磁場的作用下，每一個磁性顆粒都會被極化成為磁偶極子，而此時各個偶極子之間可以相互吸引，并

9、形成鏈，磁流變效應(yīng)的強(qiáng)度和偶極子之間形成的鏈的力大小，有著一定關(guān)系，這個理論的基礎(chǔ)是靜磁相互作用理論。磁流變效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理 相變理論 該理論認(rèn)為在零磁場作用下，懸浮顆粒是自由相，它隨機(jī)分布于母液中，熱波動會對它的轉(zhuǎn)動和遷移造成很大影響。磁場強(qiáng)度升至某一臨界值時，顆粒會被磁化，受到熱波動和磁場強(qiáng)度雙重作用，某些顆粒就進(jìn)行有序化排列，成為有序相。隨后隨著磁場強(qiáng)度變大，有序相就會連成長鏈，且以長鏈作為核心，吸收周圍短鏈，使鏈變粗，形成固態(tài)相。磁流變體的操作模式 磁流變體中使用三種主要的操作模式：流模式，剪切模式和擠壓流動模式。 這些模式的可以用一個物理模型來形象說明，即在處于一定磁場強(qiáng)度下，兩個固定

10、板之間充滿著磁流變體，分別改變固定板與磁流變體之間的相對運(yùn)動方式，可以得出三種操作模式，它們各自都有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。物理模型磁流變體操作模式Flow mode（流模式） 固定板保持不動，磁流變體沿垂直磁通方向流動。通過對外部磁場的控制，可以有效的控制磁流變體的粘滯度，限制其流動。流模式可用于高性能阻尼器和減震器的設(shè)計(jì)制造中。流模式的示意圖磁流變體操作模式Shear mode（剪切模式） 其中一塊固定板保持不動，另一塊固定板沿垂直磁通方向移動，對磁流變體進(jìn)行剪切。剪切模式在離合器和制動器中特別有用必須控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的地方。剪切模式的示意圖磁流變體操作模式Squeeze-flow mode（擠壓流動

11、模式） 其中一塊固定板保持不動，另一塊固定板沿磁通方向移動，對磁流變體進(jìn)行擠壓。擠壓流動模式很適合控制微小的、毫米級的運(yùn)動。擠壓流動模式的示意圖磁流變體的研究現(xiàn)狀 目前對磁流變體的研究體現(xiàn)在兩大方面。 一、從材料和力學(xué)的角度出發(fā)，研究磁流變體的組成成分及物理特性；（材料本身） 二、從機(jī)械學(xué)、振動學(xué)、電子學(xué)、控制學(xué)等角度出發(fā)，并結(jié)合具體應(yīng)用目標(biāo)開展多學(xué)科交叉研究。（材料應(yīng)用） 前者的研究主要致力于磁流變體材料的研制、性能提升、以及低成本化生產(chǎn)等；后者的研究則致力于磁流變體材料的多領(lǐng)域多學(xué)科應(yīng)用、控制等。磁流變體的材料成分 磁流變體材料是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的

12、懸浮體。123磁流變體的組成示意圖1彌散質(zhì)顆粒 2表面活性劑 3基液磁流變體的材料成分 基液（載液），是磁流變體的主要成分，分為磁性基液和非磁性基液兩種，目前大多數(shù)用的是非磁性基液。一般來說，磁流變體的基液應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：低凝固點(diǎn)、高沸點(diǎn)、適宜的黏度。 除此之外，基液還應(yīng)需滿足化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、無異味、無毒、價格低廉等條件。磁流變體基液的種類磁流變體的材料成分 彌散質(zhì)顆粒，包括磁性顆粒和非磁性顆粒兩種，尺寸大小主要是微米和納米級的。磁性顆粒主要含有 Fe3O4、Fe3N、Co、Fe、Ni 等微粒，其中磁飽和度最大的微粒是鐵鈷合金，其磁飽和度能達(dá)到 2.4T，但價格昂貴，所以實(shí)際應(yīng)用最多的

13、微粒是羰基鐵粉和純鐵粉，它們的磁飽和度大約為 2.1T。非磁性顆粒主要分為聚合物顆粒和無機(jī)非金屬顆粒，如聚苯乙烯和硅石顆粒。磁流變體的材料成分 加入表面活性劑可以改善磁流變體的性能。因?yàn)閺浬①|(zhì)顆粒的密度比基液密度大很多，因此很容易沉降；為了保證顆粒的懸浮穩(wěn)定性以及提高磁流變體的流變性能，一般情況，需要加入活性劑，比如使用穩(wěn)定劑(像硅氧化物、硅膠)或各種各樣的表面改性的試劑等，以防止出現(xiàn)顆粒沉淀和不可逆轉(zhuǎn)的團(tuán)聚現(xiàn)象。表面活性劑一般是由親油基、親水基兩種不同特性的物質(zhì)組成的低聚物。不同基液中的添加劑磁流變體的類型磁流變體種類納米磁性顆粒非磁性基液型微米磁性顆粒非磁性基液型磁性顆粒磁性基液型非磁性顆

14、粒磁性基液型采用納米磁性粒子作為主分散顆粒，它的基液與經(jīng)典磁流變體是一致的，都是非磁性的。采用微米級的順磁或軟磁材料的顆粒和低磁導(dǎo)率的基液，是目前主流工藝，具有較強(qiáng)的磁流變效應(yīng)，屈服應(yīng)力能夠達(dá)200100kPa。采用微米級的磁性顆粒分散溶于磁性基液(如鐵磁流體)中制成的懸浮液。磁性基液加強(qiáng)了磁性顆粒間的相互作用力，從而增強(qiáng)了磁流變效應(yīng)。利用微米級的非磁性顆粒(如 4050m 的聚苯乙烯或硅石顆粒)分散溶于磁性基液(如鐵磁流體)中制成的懸浮液。但是，這種懸浮液的磁流變效應(yīng)比較低，屈服應(yīng)力也較低，目前研究的還比較少。磁流變體研究的困難（1）除少數(shù)商業(yè)化的磁流變體外，大多數(shù)磁流變體的零場粘度比較高、

15、穩(wěn)定性不夠理想。（2）商業(yè)化的磁流變體及它的應(yīng)用裝置價格比較昂貴。如 Lord 公司生產(chǎn)的磁流變體每升約為600美元，小型直動式阻尼器控振系統(tǒng)每套大約 300 美元。這使得磁流變體裝置的廣泛應(yīng)用或在代替某些傳統(tǒng)裝置方面受到限制。磁流變體裝置的成本主要來自零件的精密加工，密封件的成本，電磁鐵的制造等。（3）磁流變體的應(yīng)用目前還沒有廣泛地深入，有些研究應(yīng)用離工程應(yīng)用還有一定距離，磁流變體裝置的數(shù)學(xué)模型以及控制技術(shù)還有待深入研究和完善。磁流變體技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域磁流變體技術(shù)阻尼技術(shù)拋光技術(shù)傳動技術(shù)密封技術(shù)生物醫(yī)藥技術(shù)其它技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)械工程控制工程汽車工程生物醫(yī)藥精密加工航空航天國外磁流變體的研究與應(yīng)用

16、單位應(yīng)用實(shí)例美國Lord公司汽車減振器、離合器和制動裝置美國軍方俄亥俄級導(dǎo)彈攻擊核潛艇的抗攻擊研究美國福特研究中心可在500HZ到600HZ內(nèi)移頻的磁流變彈性體吸振器原理樣機(jī)佐治亞理工大學(xué)壓縮式磁流變彈性體吸振器的移頻特性及其控制方法賓西法尼亞州立大學(xué)直升機(jī)水平旋冀葉片的振動控制國外磁流變體的應(yīng)用美國Lord（洛德）公司http:/磁流變（MR）流體技術(shù)線控轉(zhuǎn)向和觸覺控制先進(jìn)的可控懸浮液車輛，駕駛室和/或座椅懸浮液主動懸架系統(tǒng)智能材料與結(jié)構(gòu)自適應(yīng)運(yùn)動控制乘員約束系統(tǒng)和安全系統(tǒng)磁性器件和設(shè)計(jì)風(fēng)扇離合器抗震設(shè)防人類假肢技術(shù)對比單位研究者研究方向哈爾濱工業(yè)大學(xué)歐進(jìn)萍等采用最優(yōu)控制實(shí)現(xiàn)JZ20-2MU

17、Q海洋平臺的磁流變智能阻尼隔振控制南京航空航天大學(xué)夏品奇教授實(shí)現(xiàn)磁流變阻尼器用于直升飛機(jī)“地面共振”的自適應(yīng)控制重慶大學(xué)黃尚廉院士王代華教授采用仿人智能控、模糊控制對汽車磁流變半主動懸架經(jīng)行控制上海交通大學(xué)汪建曉孟光對磁流變減振系統(tǒng)在建筑、機(jī)械方面的應(yīng)用研究哈爾濱建筑大學(xué)關(guān)新春國內(nèi)磁流變體的研究與應(yīng)用磁流變體的研究與應(yīng)用中科大智能材料與振動控制實(shí)驗(yàn)室http:/ 線圈不通電時（無磁場），主動軸與從動軸分離。 線圈通電時（有磁場），主動軸與從動軸可以進(jìn)行同步傳動和滑差傳動。磁流變減振器磁流變體研究的困難工作原理： 汽車磁流變液減振器，以工作鋼作為磁場發(fā)生的外磁路，以活塞體為磁場發(fā)生的內(nèi)磁路：在勵磁線圈外采用非導(dǎo)磁的線圈保護(hù)套，使磁力線通過由工作缸與活塞本體組成的阻尼通道；在活塞本體的外設(shè)計(jì)非導(dǎo)磁的導(dǎo)向器，以確保阻尼通道的徑向尺寸均勻，更充分地發(fā)揮磁場對磁流變液作用