磁流變阻尼器的介質(zhì)沉降問(wèn)題的技術(shù)綜述

摘 要：磁流變阻尼器（MRD）是基于磁流變效應(yīng)的一種減振裝置，其廣泛應(yīng)用車輛、建筑、體育器械、醫(yī)療假肢等領(lǐng)域。由于其阻尼力可調(diào)，能夠進(jìn)行半主動(dòng)控制，因而很受科研人員關(guān)注。然而由于磁流變液的沉降問(wèn)題，使得磁流變阻尼器的研發(fā)和應(yīng)用受到很大限制。本文通過(guò)對(duì)磁流變液本身的改進(jìn)以及對(duì)阻尼器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)兩方面出發(fā)，梳理了專利文獻(xiàn)中解決磁流變阻尼器中磁流變液沉降的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：沉降；材料；顆粒；載體液；結(jié)構(gòu)

1引言

磁流變阻尼器（MRD）是基于磁流變效應(yīng)的一種減振裝置，其廣泛應(yīng)用車輛、建筑、體育器械、醫(yī)療假肢等領(lǐng)域。由于其阻尼力可調(diào)，能夠進(jìn)行半主動(dòng)控制，因而很受科研人員關(guān)注。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，磁流變液作為智能材料再次成為科研人員的寵兒。科研人員分別從“先天改進(jìn)”和“后天矯正”出發(fā)，來(lái)解決MRF沉降的技術(shù)問(wèn)題。所謂“先天改進(jìn)”，就是針對(duì)磁流變液材料本身的改進(jìn)；所謂“后天矯正”，就是從磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)出發(fā)進(jìn)行改進(jìn)。

2針對(duì)磁流變材料的改進(jìn)

對(duì)于磁流變材料的改進(jìn)，主要包括對(duì)磁性顆粒的改進(jìn)和對(duì)載體液體的改進(jìn)。

2.1對(duì)磁性顆粒的改進(jìn)

針對(duì)磁性顆粒的改進(jìn)，包括減小顆粒尺寸、采用合金磁性顆粒、對(duì)顆粒表面進(jìn)行處理、不同尺寸的顆粒混合、形成“核-殼”結(jié)構(gòu)以及改變顆粒形狀等方法。

（1）減小顆粒尺寸。通過(guò)減小磁性顆粒的尺寸，可以降低其在載體液中的沉降性。

（2）采用合金磁性顆粒：

1994年，美國(guó)LORD公司在專利文獻(xiàn)WO9410691 A1中提出磁流變材料含有選自鐵-鈷合金和鐵-鎳合金的一種鐵合金顆粒。

2002年，美國(guó)DELPHI公司在專利文獻(xiàn)US2002130305 A1中提出一種磁流變流體配方包括選自鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼的可磁化不銹鋼顆粒。

（3）對(duì)磁性顆粒表面進(jìn)行處理

該方法又包括表面包覆、清除表面雜質(zhì)和氮化處理等。

①表面包覆，通過(guò)對(duì)磁性顆粒進(jìn)行表面包覆，可以減小顆粒整體密度，同時(shí)增大顆粒表面積。

2004年，同濟(jì)大學(xué)的浦鴻汀等人在專利文獻(xiàn)CN1790560 A中采用化學(xué)氣相沉積聚合的方法在軟磁性顆粒外面包覆一層聚對(duì)亞苯基二亞甲基或其衍生物的超薄涂層。

2005年，武漢理工大學(xué)的官建國(guó)等人在專利文獻(xiàn)CN1613919 A中提出無(wú)機(jī)氧化物層外包覆有親水性聚合物層。

2006年，寧波經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)晶格新材料開發(fā)有限公司的陳剛等人在專利文獻(xiàn)CN1805077 A中采用天然多糖大分子為粉體包覆材料。

2008年，韓國(guó)INHA大學(xué)在專利文獻(xiàn)KR20080103773 A 中通過(guò)用聚乙烯醇縮丁醛涂覆羰基鐵顆粒獲得磁性復(fù)合顆粒。

2009年，韓國(guó)INHA大學(xué)在專利文獻(xiàn)KR20090066745 A中通過(guò)在羰基鐵顆粒上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯得到磁性復(fù)合粒子。

2009年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的龔興龍等人在專利文獻(xiàn)CN101445762 A中提出羰基鐵/PMMA復(fù)合磁性顆粒。

2011年，東南大學(xué)的徐趙東等人在專利文獻(xiàn)中CN102174342 A中提出碳包覆磁流變液。

2014年，吉林大學(xué)的關(guān)紹巍等人在專利文獻(xiàn)CN103897789 A中提出復(fù)合磁性粉體為聚芳醚砜類高分子包覆后的磁性粉體。

2015年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的劉新華等人在專利文獻(xiàn)CN104560301 A中提出將納米鈷粒子包覆在羰基鐵粉顆粒的表面。

②清除磁性顆粒表面雜質(zhì)。

1994年，美國(guó)LORD公司在專利文獻(xiàn)WO9410694 A1中提出從粒子表面去除雜質(zhì)產(chǎn)物是利用研磨處理、化學(xué)處理，以使粒子的表面實(shí)質(zhì)上沒(méi)有雜質(zhì)產(chǎn)物。

③對(duì)磁性顆粒表面進(jìn)行氮化處理。

2005年，美國(guó)通用公司在專利文獻(xiàn)US2005045850 A1中提出將鐵磁顆粒暴露于氮?dú)猸h(huán)境中，以賦予顆粒上的富氮表面。

2010年，重慶儀表材料研究所在專利文獻(xiàn)CN101928626 A中提出鐵磁性顆粒分散相為預(yù)先經(jīng)過(guò)表面氮化處理的氮化羰基鐵粉。

（4）不同尺寸的磁性顆粒混合：該方法使得其與載液共同組成的分散介質(zhì)的密度增大，從而減小了載液與磁性粒子之間的密度差，提高了磁流變液的穩(wěn)定性。

1997年，美國(guó)通用汽車在專利中US5667715 A中提出一種大和小鐵粒子的混合物。

2010年，東南大學(xué)的徐趙東等人在專利文獻(xiàn)CN101712904 A中提出混合磁性顆粒為羰基鐵粉和納米級(jí)羰基鐵粉的混合物。

2012年，美國(guó)LORD公司在專利文獻(xiàn)CN102428524 A中提出硬顆粒平均粒徑范圍為大約1微米至大約150微米，水霧化軟鐵粉平均粒徑范圍為大約1微米至大約100微米。

2014年北京交通大學(xué)的李德才等人在專利文獻(xiàn)CN103789068 A中提出微-納米級(jí)的磁性顆粒由微米級(jí)磁性顆粒與納米級(jí)磁性顆粒組成。

2015年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的劉新華等人在專利文獻(xiàn)CN104560301 A中提出選用高導(dǎo)磁率和低矯頑力的羰基鐵粉顆粒為主分散相，納米四氧化三鐵顆粒為輔分散相。

（5）形成“核-殼”復(fù)合結(jié)構(gòu)

2004年，西北工業(yè)大學(xué)的趙曉鵬等人在專利文獻(xiàn)CN1542043 A 中提出鎳/聚苯乙烯/二氧化鈦核-殼結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng)復(fù)合顆粒由介電性的二氧化鈦包覆磁性聚合物微球。

2009年，北京理工大學(xué)的趙修臣等人在專利文獻(xiàn)CN101552064 A中采用以球形或近球形鐵核或采用鏈狀或線狀的鐵核為模板，在其表面沉積或鍍覆一層磁性金屬或合金殼層，得到“核-殼”復(fù)合結(jié)構(gòu)。

2011年，中國(guó)兵器工業(yè)第五二研究所的譚鎖奎等人在專利文獻(xiàn)CN101967421 A中提出分散相是以納米金屬導(dǎo)電微粒Ni為核心、二氧化鈦為包覆殼層的核殼結(jié)構(gòu)的外加極性分子修飾的復(fù)合微粒。

2011年，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的張景賢等人在專利文獻(xiàn)CN102086033 A中提出一種鈣-氟-磷-氧復(fù)合空心球。

2013年，大連理工大學(xué)的齊民等人在專利文獻(xiàn)CN102876428 A中提出分散相顆粒為中空鈷微粒。

（6）改變顆粒形狀

2013年，埃卡特有限公司的GREB等人在專利文獻(xiàn)CN103003372 A中提出層狀鐵顏料的沉降行為與球形羰基鐵粒子相比降低。

2.2 對(duì)載體液的改進(jìn)

該方法包括加入觸變劑、增大載體液黏度和將顆粒分散在固化的基體中等方法。

（1）加入觸變劑：載液中的觸變劑能形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以阻礙分散相的粒子沉降。

1994年，美國(guó)LORD公司的CARLSON等人在專利文獻(xiàn)WO9410693 A1中提出觸變添加劑可是一種氫鍵觸變劑、聚合物改性的金屬氫化物或其混合物。

2002年，美國(guó)DELPHI公司在專利文獻(xiàn)US6451219B1中提出觸變劑是未經(jīng)處理的具有至少250平方米/克的表面積的氣相二氧化硅。

2003年，重慶儀表材料研究所的張平等人在專利文獻(xiàn)CN1414075 A中提出采用納米級(jí)膨潤(rùn)土和氧化硅類無(wú)機(jī)觸變劑。

2009年，美國(guó)LORD公司在專利文獻(xiàn)WO2009018517 A1中提出磁流變流體包括離子型觸變添加劑。

2009年，美國(guó)DELPHI公司在專利文獻(xiàn)US2009014681 A1中提出觸變劑包括氟碳脂。

（2）增大載體液黏度

1996年，美國(guó)LORD公司在專利文獻(xiàn)WO9633356 A1中通過(guò)利用具有凝膠稠度的流體，克服了沉降問(wèn)題。

2004年，美國(guó)DELPHI公司在專利文獻(xiàn)US2004135114 A1中提出由具有分子的處理分子完全處理的表面處理的氣相二氧化硅的增稠劑。

2005，美國(guó)DELPHI公司在專利文獻(xiàn)US2005242321 A1中提出增稠劑是表面處理的熏蒸金屬氧化物。

2009年，美國(guó)LORD公司在專利文獻(xiàn)WO2009018517 A1中提出增稠劑包含未經(jīng)處理的氣相法二氧化硅。

（3）將顆粒分散在固化的基體中

2008年，重慶大學(xué)的梁錫昌等人在專利文獻(xiàn)CN101266861A中提出穩(wěn)定劑由黃油配制而成。

3 針對(duì)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

為了解決沉降問(wèn)題，除了針對(duì)磁流變液材料本身提出的上述改進(jìn)外，可以通過(guò)對(duì)磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)的進(jìn)行改進(jìn)，從而克服磁流變液沉降的問(wèn)題。對(duì)于磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，主要包括設(shè)置永磁體、機(jī)械攪拌、電磁攪拌、循環(huán)等。

3.1設(shè)置永磁體

在磁流變阻尼器中設(shè)置永磁體，由于永磁體提供的磁場(chǎng)不會(huì)消失，這樣可以使得磁流變液始終處于磁場(chǎng)作用中，由于磁力作用而不會(huì)沉降。

1999年，美國(guó)LORD公司的CARLSON在專利文獻(xiàn)WO9906731 A1中提出采用永磁鐵產(chǎn)生一個(gè)低強(qiáng)度磁場(chǎng)作用在MRF上以減少其沉淀。

2008年，天津大學(xué)的李忠獻(xiàn)等人在專利文獻(xiàn)CN101215860 A中提出活塞盤上沿軸向?qū)ΨQ地在其端面上開有兩個(gè)凹槽，凹槽內(nèi)插有永磁環(huán)，使得阻尼通道處始終保持一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2015年，常州大學(xué)的班書昊等人在專利文獻(xiàn)CN105156559 A中提出設(shè)有端蓋第一磁鐵、端蓋第二磁鐵、活塞第一磁鐵和活塞第二磁鐵，使得梯度流變液缸體全部處于磁場(chǎng)中。

3.2機(jī)械攪拌

由于磁流變液設(shè)置在阻尼器的缸體中，為了防止其沉降，可以通過(guò)機(jī)械攪拌的方式，使其均勻分布。

2006年，天津大學(xué)的李忠獻(xiàn)等人在專利文獻(xiàn)CN1865729 A中提出在活塞側(cè)壁上設(shè)置有螺旋紋凹槽有利于防止磁流變液沉降。

2015年，美國(guó)的CATERPILLAR INC.在專利文獻(xiàn)US2015159728 A1中提出設(shè)置攪拌帶，在活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間，攪拌帶使磁流變液體圍繞活塞的流動(dòng)，阻止了流體的分層。

2016年，西安科技大學(xué)的寇發(fā)榮等人在專利文獻(xiàn)CN205780535U中提出設(shè)置葉片盤，其在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，攪動(dòng)聚集在活塞上表面的鐵磁性顆粒，解決了磁流變液的沉降問(wèn)題。

2017年，東南大學(xué)的徐趙東等人在專利文獻(xiàn)CN106763444 A中提出轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋彈簧片對(duì)工作腔體中的磁流變液進(jìn)行攪拌。

3.3電磁攪拌

由于磁性顆粒的特性，除了通過(guò)設(shè)置機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械攪拌外，還可以通過(guò)電磁的方式進(jìn)行攪拌。

2002年，西南交通大學(xué)的張衛(wèi)華等人在專利文獻(xiàn)CN2487581Y中提出對(duì)沉淀磁粉采用電磁擾動(dòng)方式使其在液體中均勻分布。

2017年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙建柱等人在專利文獻(xiàn)CN106641081 A中提出磁流變液在電磁力的作用下發(fā)生電磁攪拌，逐漸解聚。

3.4 循環(huán)

使磁流變液在阻尼器內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，這樣可以避免其沉降。

2008年，杜彥亭在專利文獻(xiàn)CN101201091 A中提出隔離活塞在液壓油的作用下使兩個(gè)轉(zhuǎn)換器中的磁流變液體都是自上向下流動(dòng)。

2010年，中國(guó)人民解放軍總參謀部工程兵科研三所的李萬(wàn)華等人在專利文獻(xiàn)CN101881055 A中提出當(dāng)磁流變阻尼器長(zhǎng)期處于靜置時(shí)，定期啟動(dòng)自循環(huán)裝置，使磁流變液通過(guò)自循環(huán)裝置進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。

3.5 其他結(jié)構(gòu)變化

除了上述方法外，許多專利文獻(xiàn)中還提出了其他結(jié)構(gòu)變化的方法，用于解決磁流變液沉降問(wèn)題。

2001年，德國(guó)BUERKERT WERKE GMBH & CO.在專利文獻(xiàn)DE20103782 U1 文獻(xiàn)中提出改進(jìn)阻尼通道，可以減少沉降。

2010年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的關(guān)新春和歐進(jìn)萍在專利文獻(xiàn)CN101619752 A中提出磁控流體阻尼器，其活塞兩側(cè)連接有濾網(wǎng)，濾網(wǎng)與活塞共同運(yùn)動(dòng)，濾網(wǎng)之間的液體中添加有軟磁性微粒。

2015年，中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院的張進(jìn)秋團(tuán)隊(duì)在專利文獻(xiàn)CN104963982 A中提出減振器主體內(nèi)沒(méi)有設(shè)計(jì)閥體等具有孔隙的結(jié)構(gòu)，因而圓盤在外殼內(nèi)作直線擠壓運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁流變液不易沉淀堵塞。

2016年，中國(guó)民航大學(xué)的祝世興團(tuán)隊(duì)在專利文獻(xiàn)CN105387120 A中提出環(huán)形凹槽的能夠充分發(fā)揮磁流變液的流動(dòng)特性，降低粘滯力，減少磁流變液的沉降和淤積，防止氣泡產(chǎn)生。

4、關(guān)于材料改進(jìn)與結(jié)構(gòu)改進(jìn)的對(duì)比

對(duì)材料自身的改進(jìn)是從“先天”出發(fā)，從根本上改變磁流變液，使得改進(jìn)后的磁流變液能夠適用各種磁流變阻尼器以及其他構(gòu)件，通用性較好；但是這種方法存在不確定性，對(duì)解決沉降問(wèn)題的效果需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證；而對(duì)阻尼器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，屬于“后天矯正”，其達(dá)到的技術(shù)效果對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)比較直觀，也比較容易預(yù)測(cè)；但是需要對(duì)阻尼器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，通用性較差，不一定適用所有阻尼器，且有些需要增加結(jié)構(gòu)部件，導(dǎo)致阻尼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

在專利文獻(xiàn)的數(shù)量上，關(guān)于材料的改進(jìn)占據(jù)了絕大部分，而采用結(jié)構(gòu)改進(jìn)的數(shù)量相對(duì)較少。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方法中，采用永磁體的技術(shù)手段相對(duì)較多。

5、總結(jié)

從專利文獻(xiàn)角度出發(fā)，對(duì)解決磁流變阻尼器中介質(zhì)沉降問(wèn)題的技術(shù)手段進(jìn)行了梳理。在材料改進(jìn)方面，梳理了各個(gè)階段針對(duì)磁性顆粒的改進(jìn)和針對(duì)載體液的改進(jìn)的技術(shù)手段；在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，梳理了各個(gè)階段從設(shè)置永磁體、攪拌、循環(huán)以及及其他結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)手段。希望能夠?yàn)槠髽I(yè)的專利挖掘、專利戰(zhàn)略提供一定幫助，也希望能夠?yàn)楦咝５难芯糠较蛱峁┮稽c(diǎn)點(diǎn)指引。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王朋義. Al1060 板材磁流變液軟模成形工藝及成形極限研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[2] 匡 萍. 電磁式自供電磁流變彈性體減振器的設(shè)計(jì)與特性分析[D].湘潭：湘潭大學(xué)，2016.

[3] 郭朝陽(yáng). 磁流變液法向力及減振器研究 [D]. 安徽： 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)介：

馮連東（1979-），男，碩士，審查員，主要從事機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查工作。