磁流變液隔振器技術及其應用與展望

鄧飛云，卜鋒斌

●（1．海軍駐上海江南造船（集團）有限公司軍事代表室，上海 201913；2．海軍駐704所軍事代表室，上海 200031）

磁流變液隔振器技術及其應用與展望

鄧飛云1，卜鋒斌2

●（1．海軍駐上海江南造船（集團）有限公司軍事代表室，上海 201913；2．海軍駐704所軍事代表室，上海 200031）

敘述了磁流變液技術的形成與發展，以及基于磁流變液彈性體隔振器現狀及其特點，并對應用前景進行了展望。

磁流變液；隔振器；隔振系統

0 引言

磁流變彈性體（Magneto Rheological Elastomer, MRE）是磁流變材料的一個新分支。它是由高分子聚合物（如橡膠等）和鐵磁性顆粒組成，混合有鐵磁性顆粒的聚合物在外加磁場作用下固化，利用磁致效應（即鐵磁性顆粒在磁場方向形成鏈或柱狀聚集結構）使顆粒在基體中形成有序結構。由于其響應快（ms量級）、可逆性好（撤去磁場后，又恢復初始狀態），可通過調節磁場大小來控制材料的力學、電學和磁學等性能連續變化，兼有磁流變材料和彈性體的優點，又克服了磁流變液沉降、穩定性差等缺點，因而近年來成為磁流變材料研究的熱點[1-4]。

磁流變彈性體最早可追溯到Shiga等人在1995年利用硅樹脂和鐵粉混合制備出的具有磁控性能的材料，該材料當時被稱為具有磁致粘彈性的凝膠[5-8]。隨后美國Lord公司的研究人員Carlson等人對磁流變彈性體的力學性能進行了初步測試，Jolly使用硅橡膠作為基體制備出的磁流變彈性；Ford公司研究組成員Ginder等人對基體為天然橡膠的磁流變彈性體進行了建模并對其粘彈性行為進行了研究；其他的研究包括：法國的Bossis對電磁流變彈性體的電學、磁學、光學等物理性質進行了初步的觀測；波蘭的Bednarek也對磁流變彈性體的磁致伸縮特性進行了較系統分析；白俄羅斯的Demchuk等人分別以明膠、普通硅橡膠以及一種熱敏性硅橡膠作為基體材料制備出磁流交彈性體；瑞典的Lokander等人在制備時基體分別使用丁苯橡膠、丁腈橡膠與丙烯腈的不同組合以及天然橡膠，同時發現即使固化時不加磁場，選用形狀不規則較大的純鐵顆粒的磁流變彈性體的效應也很明顯，在外加磁場為0.8T時剪切模量的相對增加量可達20%。奧地利的Dorfinann等人分別利用不變量理論及選用應變能函數對磁流變彈性體在平板剪切及圓柱軸向剪切下的力學性能進行了分析。Rice大學的Borcea等人應用最小能量原理，分析了磁場對各向同性的磁流變彈性體的拉伸、壓縮性能的影響。日本的Tetsu Mitsumata使用乙烯基、聚乙烯醇、戊二醛等一系列化學物質和工藝制備鋇鐵氧合物作為磁凝膠使用高磁場使其磁飽和，用超聲波激勵的波速來測試其模量。美國的Malcolm J.Wilson等人用6μm羰基鐵粉顆粒，聚亞安酯添加氧芴（一種烷烴）和磚橡膠添加硅油作為基體，給出了不同配比下材料的液體—膠體—固體轉換曲線等基體配用準則。Anne-Marie Albanese使用以滑石粉補強的硅橡膠為基體的磁流變彈性體用于減振的開關控制研究。Y. SHEN用聚亞安酯和天然橡膠兩種基體制備磁流變彈性體，并建立了力學模型。鑒于此，Lokander還通過實驗發現，提出大體積比磁流變橡膠的抗氧化性下降顯著（CI和高溫），因為表面的鐵顆粒會加速橡膠的氧化，材料的表面覆蓋抗氧化的橡膠可顯著提高材料抗氧化性，從而能提高其化學和物理穩定性。

1 基于磁流變彈性體的隔振器發展現狀

磁流變彈性體在磁場作用下能顯著改變其剪切模量，其應用裝置具有無需密封、性能穩定、響應迅速等特點，在需要進行剛度控制的小振幅（小應變）振動系統中極具應用前景。目前在國內關于磁流變彈性體的研究尚處于實驗室研究階段，還沒有商品化的產品應用。磁流變彈性體的磁致效應（剪切模量的變化幅度）還有待提高，有些性能的研究還未見涉及，如溫度穩定性、老化特性等。制備磁致效應強、長期穩定性好的磁流變彈性體是材料科學界深入研究的方向，而開發磁流變彈性體的應用則是工程科學技術人員努力的目標。用磁流變彈性體可以制成各種減振支座、發動機架、軸襯、懸架、沖擊吸振器和隔振器等裝置，其潛在的應用領域包括飛機起落架減振系統、直升機旋翼部件、武器反后坐系統、精密電子設備的振動隔離、旋轉機械和發電設備的支座、制造自動化系統的運動控制等。

磁流變彈性體在磁流變隔振器內的相對運動，一般可近似等同于圖1所示的無限大平行平板間的幾種不同形式。根據磁流變彈性體的受力狀態不同，磁流變隔振器主要分為閥式、剪切式、和擠壓式。

圖1 磁流變隔振器基本工作類型

圖1 (a)為典型的閥式磁流變隔振器。這種隔振器的特點是通過迫使磁流變彈性體在一對固定極板間隙內相對運動而產生阻尼力。典型的剪切式磁流變隔振器構造原理圖如圖1(b)所示。這種裝置在工作過程中，上下極板以先對速度v平行運動。

剪切閥式磁流變隔振器內的磁流變彈性體既像閥式磁流變隔振器內的磁流變彈性體那樣受到擠壓而被迫通過兩極板，又像剪切式磁流變隔振器內的磁流變彈性體那樣受到兩極板相對運動時產生的剪切作用。

磁流變彈性體裝置還可以設計成兩極板以相對速度v作接近或拉開運動形式的擠壓式MREVI。如圖1(c)所示。不過由于這種類型的隔振設備存在如下的一些缺點而受到一定的限制，如磁路設計比較復雜和此類設備的工作原理決定了磁路間隙受場強設計的限制而不可能太大等。因此，這種隔振器只適合于振幅不大的隔振對象。

Ford汽車公司己經申請了一個基于磁流變彈性體的汽車懸架套筒的專利。該套筒用于車輪軸控制臂與汽車車身的連接。圖2是該套倚的簡圖，彈性體內徑為17mm，外徑為28mm，長度為60mm。該套筒剮度的調節是基于汽車驅動系的狀態，以降低懸架變形井改善乘坐舒適性。實驗發現，該套簡在軸向和徑向都具有剛度、阻尼和力的可控特性，且能迅速對磁場做出響應。在正弦激振、頻率為0.5Hz~20Hz、振幅蜂-峰值為0.06mm~10mm等實驗條件下，剛度和阻尼隨控制電流增大而增加，且大致成線性關系；最大電流（5A）時剛度和阻尼比零電流時增加了25%。當輸入階躍電流時，套筒建立穩定輸出力的響應時間為9.5ms。

圖2 磁流變彈性體的汽車懸架筒

Ginlder等人[4,5]利用磁流變彈性體的力學性能可由外加磁場控制的優點，設計出基于磁流變彈性體的可調振子（tunable vibration absorber），該振子的共振頻率可以通過改變磁場大小進行調節。該振子主要由基礎和質量塊兩部分組成，在質量塊兩側與基礎之間的縫隙中粘貼著兩片承受剪切作用的磁流變彈性體，用它作為可調剛度的彈簧元件。所用彈性體由羰基鐵粉和天然橡膠組成，體積分數為0.27，在磁場下硫化。實驗結果表明，在400Hz~1000Hz范圍內磁場對系統動態特性表現出較強的可控性。在0.56T的磁場作用下，系統的剛度增大，使系統的共振頻率從零磁場時的500Hz上升為610Hz。實驗還發現，共振頻率隨激振加速度增加降低，顯示出磁流變彈性體具有應變軟化現象。

磁流變彈性體的響應頻率可達1000Hz以上，在吸收高速沖擊上比磁流變液更具優勢。美國軍方正進行將磁流變彈性體用于導彈攻擊核潛艇的抗沖擊研究。由于潛艇水下發射導彈時，導彈艙會受到很大的沖擊載荷，為減少對潛艇的沖擊和延長使用壽命，將磁流變彈性體制成發射艙內襯，可降低沖擊載荷強度。

綜上所述，磁流變彈性體在磁場作用下能改變其剪切模量，其應用裝置具有無需密封、性能穩定、響應迅速等特點，在需要進行剛度控制的小振幅振動系統中極具應用前景。但是基于磁流變彈性體的應用很有限，尚未達到工業化和商業化的要求。這是由于目前國際上研制的磁流變彈性體存在磁致效應和機械性能上的矛盾，磁流變彈性體存在磁致效應不高的問題，同樣限制了磁流變彈性體的實際應用。制備磁致效應強、長期穩定性好的磁流變彈性體是材料科學界深入研究的方向，而開發磁流變彈性體的應用則是工程科學技術人員努力的目標。

2 結束語

磁流變隔振器是一種新型智能出力元件，其在減振工程方面已經有一定應用，但在船舶減振方面尚沒有相應研究。結構振動控制涉及力學、自動控制、計算機理論和信號處理等多門學科內容，是振動控制領域一項高新技術和前沿性課題。研究和探索適用于艦船動力裝置及設備的隔振的新技術、新方法，對于提高艦船減振控制水平，特別是提高艦船的隱蔽性、生命力和戰斗力具有重要的理論意義，而目前應用在艦船上的常規隔振設備因其剛度定常，已經不能滿足艦船設備減振降噪的要求。針對這些新問題，單純地依靠結構自身的強度和剛度或常規的隔振元件來降低船上設各自生的振動干擾是不合適的。鑒于此，尋求新的合理、經濟而有效的船舶結構隔振元件以及成熟有效的控制方法已成為科技人員研究的新課題。

[1]Shiga T, Okada A, Kurauchi T. Magnetroviscoelastic behavior of composite gels[J]. J. Appl. Polym. Sci., 1995, 58(4): 787-792.

[2]Jolly M R, Carlson J D. The magnetovis-coelastic response of elstomer composite consisting of ferrous particles embedded in polymer matrix[J]. J. Intel. Mater. Syst. Struct, 1996, 11(7): 613-622.

[3]Ginde J M, Nichols M E. Magnetorheological elastomers: properties and applications[J]. Proceedings of SPIE, 1999, 3675: 131-138.

[4]Liliana B, Oscar B. On the mgneto-elastic poperties of elastomer-ferromagnet composite[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2001, 49: 2877-2919.

[5]鄧華夏, 龔興龍, 張培強. 磁流變彈性體調頻吸振器的研制[J]. 功能材料, 2006, 37(5): 790-793.

[6]歐進萍, 關新春. 磁流變耗能器及其性能[J]. 地震工程與工程振動, 1998, 18(3): 74-81.

[7]周平, 譚平. 磁流變阻尼控制理論與技術[M]. 北京:科學出版社, 2007.

[8]周明, 孫樹棟. 遺傳算法原理及應用[M]. 北京: 國防工業出版社, 1999.

Application and Development of Magneto-rheological Vibration Isolator Technology

DENG Fei-yun1, BU Feng-bin2
(1. Representative Section Stationed at Shanghai Jiangnan Shipyard (group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China; 2. Representative Section Stationed at No. 704 Research Institute, Shanghai 200031, China)

The performance in the aspects of vibration and noise controlling are investigated when the vibration isolator is applied in the vibration isolation system.

magneto-rheological material; vibration isolator; vibration isolator system

TB13

A

鄧飛云（1979-），男，工程師。研究方向：艦船機電設備工作。