磁流變液工程應用綜述

吳坡　楊書根　華秋楊　顏杭

摘 要：磁流變液作為一種智能材料，以其響應快、操作簡單、控制精確等優良特性，已成為智能材料發展的一個重要分支。本文綜述了磁流變液的研究現狀及其在工程上的部分應用，對其發展前景進行了展望。

關鍵詞：磁流變液 綜述

Review of the Magnetorheological Fluid Engineering Application

Wu Po Yang Shugen Hua Qiuyang Yan Hang

Abstract：Magnetorheological fluid， as a kind of smart material， has become an important branch of smart material development due to its excellent characteristics such as fast response， simple operation and precise control. This article summarizes the current research status of magnetorheological fluids and some of their applications in engineering， and the most active prospects for their development.

Key words：magnetorheological fluid， review

1 引言

磁流變液（MRF）是一種具有良好發展前景的智能材料。在無磁場的情況下，表現出良好的液體流動特性;在強磁場中，它會迅速（毫秒級）地變為固體，當去掉外部磁場后，它又會變成液體。這種液-固-液轉換過程速度快、能耗低、且易于控制，推動其成為智能材料發展的一個重要分支，廣泛應用于汽車、機械、航天、建筑、儀器儀表、精密加工、控制工程等領域。

2 磁流變效應

由于磁流變過程響應速度快、可逆可控，可以解決一些傳統材料無法解決的動力響應問題，磁流變液的社會關注度越來越高。

磁流變液的種種優良特性給各行各業帶來驚喜的同時也帶來一系列的問題，即磁流變機理缺乏準確的技術說明，這也就意味著磁流變液的制備和應用沒有準確的技術參數做支撐。而現今對磁流變效應現象的解釋多采用磁疇理論，即把磁性顆粒當成磁性單元體，鄰近單元體間通過強交換耦合作用致使粒子磁矩成列，逐漸產生磁化飽和區域，即磁疇。在零磁場時，單個磁疇內的粒子磁矩方向具有統一性，不同磁疇內則不同，這樣能夠保證系統達到穩定狀態，此時粒子不具有磁性。在有磁場條件下，粒子具有磁性并形成鏈狀結構，磁流變機理如圖1所示。

3 磁流變液的應用

3.1 精密零件加工

在一些技術領域，對平面工件的精度要求在納米級，大多數拋光裝置難以滿足精度要求，而能夠達到精度要求的裝置，其拋光過程難以控制。磁流變磨料流精加工（MRAFF）系統將磨料顆粒與磁流變液（MRF）混合，其控制裝置由一對外部電磁鐵組成，不僅解決了加工精度問題，而且使拋光過程可以通過外部裝置進行控制。如圖2所示。

裝置如圖2所示，其中1-電磁鐵;2-固定裝置;3-拋光液;3（b）-磁性粒子;3-磨粒;4-工件;5-活塞;6-液壓控制單元。拋光系統中的液體是磨料顆粒和磁流變液的混合物，磨?？偸欠谴判缘模ㄈ鏢iO2）。在磁場作用下，磁性顆粒沿磁力線方向分布，研磨劑嵌入磁鏈中，形成體心立方結構（如圖3所示）。當該結構與工件表面接觸時，磁鏈頂住磨粒形成柔性磨頭，多層柔性磨頭形成像刷子一樣的結構，該柔性刷進而對工件表面進行拋光。一方面，柔性刷具有粘彈性，所以在加工過程中不會損壞工件表面;另一方面，只要液壓單元工作，對工件表面的拋光就會一直持續，最終得到表面均勻、高精度的工件;最后，由于體心立方結構是按照磁力線分布的，這樣就使自由磨料顆粒均勻穩定地分布在工件表面，這是傳統磨料加工工藝所不能做到的。

3.2 磁流變液阻尼器

如圖4所示，MRF有三種工作模式，分別是剪切模式、擠壓模式和壓力驅動模式。

MRF阻尼器是利用磁流變液的壓力驅動方式，一般用作減震緩沖裝置。MRF阻尼器具有輸出量大、能耗低、響應速度快和連續的性能特點，廣泛應用于車輛、機械施工和醫療領域。

MRF阻尼器的結構如圖5所示，其中：1-缸體，2-阻尼通道，3-磁流變液， 4-線圈，5-磁通，6-活塞，7-活塞桿。工作時，通電線圈產生的磁場作用在磁流變液上，磁流變液在外加磁場作用下形成鏈狀結構，甚至可能形成復雜的王各莊結構。鏈結構的物質是磁化粒子，其運動基本上與磁力線方向基本一致?；钊倪\動導致其與缸壁之間形成壓力差，該壓差作用在活塞上，產生一個阻尼力，這個力可以通過調節磁場強度來控制，從而達到不同的減震緩沖效果。

3.3 磁流變液制動器

制動器的主要作用是使機器或機械裝置減速或停止，是保證機械裝置正常工作的重要安全部件，磁流變液制動器是剪切模式的應用。與傳統制動器相比，MRF制動器具有制動力可控;振動、沖擊和噪聲很小;響應速度快;使用壽命長;能耗低，結構簡單等特點。MRF制動器通常有三種形式，如圖6所示，分別為：盤式、柱式和錐式。

圖7為盤式MRF制動器的結構圖，其中：1-驅動軸，2-制動盤，3-線圈，4-磁通，5-磁流變液，6-殼體，7-軸承。無制動效果時，制動盤與驅動軸同步旋轉，此時線圈不通電，MRF為牛頓流體，MRF的粘性力產生的制動力矩幾乎為0。線圈通電時，電流產生磁場，在磁場的作用下，磁流變液的磁粒子沿磁場方向相互吸引形成鏈式結構，使磁流變液從液體變為固體，增加剪切應力并對制動盤產生扭矩，從而使制動盤與驅動軸的轉速降低直至停轉。

4 結論

為了使磁流變液在工程中得到廣泛應用，磁流變液必須穩定可靠，但在實際應用中仍存在許多問題，其中最大的問題是沉降的穩定性，即如何使磁流變液不變質。MRF的三種工作模式，其中剪切模式（應用于制動器、離合器）和壓力驅動模式（應用于阻尼器）的相關裝置正在逐步進入市場，而擠壓模式的研究進展緩慢。隨著時代的進步科學技術的發展，相信磁流變液材料的應用也悔越來越成熟廣泛，智能材料也會為人類社會的發展進步做出更多貢獻。

基金項目：2020年省級大學生創新創業訓練計劃項目，項目編號：ycgy2020012

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