稀有金属 2004,(06),1055-1059 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.06.021
商用磁流变液的性能和应用
有研亿金新材料股份有限公司 北京100088
摘 要：
简单介绍并回顾了磁流变液及器件的物理原理及发展历史 , 介绍并分析了四种商用磁流变液的成分及其流变特性、磁性能、润滑、沉淀及材料相容性和磁流变液品质因素等性能 , 并在传统设计范例的基础上 , 将这些流体用一些合适的特性图进行了对比 , 讨论了几种磁流变液在重载卡车座位支撑、建筑业的振动控制以及低密封振动阻尼器等领域的应用 , 同时展望了磁流变液的应用前景。
关键词：
金属材料 ;磁性材料 ;磁流变液 ;流变特性 ;磁性能 ;磁流变液阻尼器 ;
中图分类号： TM273
收稿日期： 2004-08-05
基金： 总装备部预研基金 (51 4 1 2 0 1 0 50 1QT1 0 0 1 ) 资助项目;
Properties and Applications of Commercial Magnetorheological Fluids
Abstract：
The rheological and magnetic properties of several commercial magnetorheological (MR) fluids were presented and discussed. These fluids were compared one with another using appropriate figures of merit based on conventional design paradigons. Some contemporary applications of MR fluids were discussed. These applications illustrate how various material properties may be balanced to provide optimal performance.
Keyword：
metal materials; magnetic material; magnetorheological fluids; MR fluids; rheological properties; magnetorheological fluid dampers;
Received： 2004-08-05
磁流变液Magnetorheological (MR) fluids是与外加磁场有关的材料, 当施加外加磁场时, 磁流变液的流变学行为将随着外加磁场而变化, 表现为屈服应力随外加磁场增加而线性增加。 磁流变液器件从根本上改变了电动机械器件的设计和工作方式, 因此磁流变液器件可以在电控制和机械系统间提供一个简单、安静、快速反应的中间体。
20世纪40年代末期美国国家标准局发现并研制了磁流变液及器件。 近年来大量的磁流变液和各种磁流变液系统日益商业化, 如磁流变液健身器材上的刹车, 卡车座椅支撑系统的可控制磁流变液阻尼器和赛车上的磁流变液振动吸收装置等等。
磁流变液对磁场的反应是由于在外场下磁流变液中的悬浮颗粒的极化造成的。 这种极化的偶极子的相互作用使得悬浮颗粒形成了平行于外加磁场的链状柱型结构, 这种链状结构阻止了流体的运动, 因此使悬浮液的黏性增加。 随着磁场的增加, 这种链状结构发生屈服的机械能也增加, 因此形成屈服应力与磁场的依赖关系。 在没有外加磁场时, 磁流变液表现为类似牛顿流体行为, 可控制流体的行为用具有可变屈服强度的Bingham塑性行为表示, 按照该模型, 当应力τ 高于与外场有关的屈服应力τ y 时, 描述磁流变液行为的Bingham方程为:
当应力τ 低于与外场有关的屈服应力τ y 时 (在10-3 应变数量级) , 材料表现为粘弹性:
式中G 为混合材料模量。 混合材料模量也与外场有关。
研究表明, Bingham塑性模型有助于磁流变液器件设计及特性研究。 当然磁流变液的实际行为与这一简单模型存在着一些差别, 最明显的差别是当没有磁场存在时, 磁流变液表现为非牛顿流体行为。
1 磁流变液的性能
下面讨论4种商业磁流变液的流变特性、磁性能、摩擦和沉淀特性, 这4种磁流变液的基本成分如表1所示。
表1 4种商业磁流变液的基本成分和密度
Table 1 Basic composition and density of four commercial MR fluids
商用磁流变液
铁的体积分数/%
载液
密度/ (g·ml-1 )
26
矿物油
2.66
40
矿物油
3.64
42
水
3.88
36
硅油
3.47
1.1 流变特性
可控流体的流变特性与颗粒密度, 颗粒尺寸和形状、 载液的性能、 添加剂、 外场、 温度等许多因素有关。 同时这些因素间的相互作用也非常复杂, 它们对获得最佳的满足实际应用的磁流变液也至关重要。
测量4种磁流变液在26 s-1 最大剪切速率时磁流变液的剪切应力与磁通密度的关系可知: 在这样低的剪切速率下, 如方程 (1) 所描述的, 剪切应力近似等于流体的屈服应力。 在低磁通密度, 流体应力表现出幂指数行为, 当外场较低或属于中等程度时, 利用磁流变模型可得到幂指数关系为1.75, 在非常低的磁通密度, 线性模型和粒子饱和的非线性磁效应模型均给出了二次方程关系。 由Ginder, Davis and Elie (1995) 提出的非线性模型得到在中等磁场下的幂指数为1.5。 随着磁通继续增加0.2～0.3 T, 由于磁饱和的影响曲线开始偏离指数规律, 当磁流变液接近磁饱和时, 应力开始出现平台。 可以发现, 饱和时的磁通密度随着磁液中铁体积分数的增加而增加。 对于磁流变液而言, 在没有外加磁场时的粘度是一个很重要的指标, 并且它与载液、表面活性剂、 磁性粒子数有很大的关系, 人们总是希望得到低粘度的磁流变液, 同时希望有宽的使用温度范围和不发生沉淀。 由于表面活性剂的添加, 及在剪切过程中磁性颗粒微结构的改变, 大多数磁流变液表现出明显的界层内剪力变小 (剪切稀释) 。
利用TA Instruments CS2 500应力流变仪对4种磁流变液的粘度与剪切速率的关系进行了测量。 可以得出, 铁含量对磁流变液的粘度影响并不很明显, 而载液的成分和化学性能对磁流变液的粘度影响很大。 在低剪切速率, 磁流变液的粘度与剪切速率的关系表现为幂指数在-0.75～-1间的指数关系, 在高剪切速率时, 界层内剪力变小 (剪切稀释) , 速率降低, 并最终达到某一定值, 该定值对应的磁流变液具有中等颗粒含量、 载液粘度和表面活性剂的特性。 在低剪切速率下, 与别的磁流变液相比, MRX-336AG的粘度与剪切速率的关系接近于一次方, 说明该流体具有重要的零场弹性行为, 在低场时为-1指数关系。 超过弹性区流体的塑性粘度 (?σ /?γ ) 实际上相当低 (～10-1 Pa·s) 。
1.2 磁性能
磁流变液的磁性能对磁流变液器件的设计非常重要。 在许多器件中, 磁路中的磁流变液具有明显的磁阻, 这些磁性能有助于研究流体内颗粒结构的特性和形成。
从4种商业磁流变液的磁化曲线 (B -H 曲线) 可以看出, 在外场低于0.02μo 时, 磁流变液的磁性能与外场成近乎线性的关系, 式中μo 为真空磁导率, 在该区域, 各种磁流变液的磁导率差 (B -H 曲线的斜率) 为常数, 它们的磁导率在真空磁导率的5～9倍间变化。 磁流变液在磁场中的磁性能变化与块状磁体的磁性能改变有明显的不同, 前者在很宽的外加场范围内都表现为线性关系, 相应的磁导率也为块状磁体的几个数量级, 当外场超过线性区时, 磁流变液开始逐渐出现磁饱和。 磁流变液磁化曲线的磁滞现象很小甚至完全不存在, 这种超顺磁行为来自于磁流变液中铁颗粒的软磁特性和颗粒相的迁移特性。
1.3 润滑、 沉淀特性及材料相容性
磁流变液是天然的研磨剂, 对部件或组件的寿命影响程度取决于磁流变液的成分和器件的结构设计。 滑动接触的磁流变液磨损带或其他轴承材料经常被用于那些直线运动的、磨损较严重的部位, 特别是线性器件。 磁流变液对滑动表面的润滑能力决定了该表面的磨损状态。 用Instron Model 4204实验机测试磁流变液润滑时铁对铁和尼龙对铁的摩擦系数, 如表2所示, 样品采用接触面积为7.6 cm×7.6 cm的标准尺寸, 相对运动速度为2.6 mm·s-1 , 压力变化范围为10～20 N (实验时没有外加磁场) , 可以看出: 与干磨相比, 加入磁流变液后滑动摩擦系数减少了2～3个数量级。 然而, 实验发现采用这种方法测量磁流变液滑动摩擦系数的重复性稍差, 其原因是由于磁流变液具有复杂的流变学特性, 其滑动摩擦性能不仅与滑动速度有关, 还与界面流体膜的厚度有关。
表2 磁流变液润滑面的平均滑动摩擦系数
Table 2 Average coefficients of sliding friction for MR fluid-lubricated conformal interfaces
铁-铁
尼龙-铁
0.18
0.19
0.04～0.07
0.04～0.07
0.07～0.09
0.05～0.07
0.05～0.07
0.06～0.07
0.08～0.11
0.08～0.11
由于磁流变液是微型颗粒悬浮液, 在颗粒和载液间必然存在着密度差别, 因此在磁流变液设计时必须颗粒沉淀分离, 在一些特殊的应用中也必须考虑其沉淀分离应控制在什么范围及怎样测量它们。
表3给出了一个沉淀比较实验结果, 表中把起始沉降速率作为流体柱总重量的百分数, 在该实验中流体被放在一个圆柱形玻璃量杯中, 在室温沉降5周 (注意: 沉降的结果在富颗粒的悬浮液的顶部产生了一个无颗粒的流体, 并且在沉降发生后, 沉降速率减慢, 因此沉降刚开始时的沉降速率是最快的) , 通常, 沉降取决于悬浮载体的流变特性、磁性颗粒的表面特性和添加的表面活性剂, 在器件当中, 沉降还进一步受到残留磁场、器件取向及器件几何形状等方面的影响。 对于这里研究的磁流变液, 按照粘度排列, 具有最高粘度的磁流变液其起始沉降速率最低。
表3 起始沉降速率
Table 3 Initual settling rates
每日起始沉降格/%
1.0
0.3
0.2
0.0 (无法测定)
其他与磁流变液成分有关的特性包括器件的工作温度范围, 与器件内材料的相容性, 及工作环境与大气相隔绝。
表4给出了一些典型密封材料与磁流变液密封特性的对比 (这些数据只作为一般的指导) , 在给出的磁流变液中, 只有水基磁流变液不能用于非密闭的系统。
1.4 磁流变液品质因数
4种磁流变液的品质因数F 1 =τ 2 /η 与剪切速率的关系, 该品质因数除反应出对磁流变液体积和能量消耗的需要, 也反应磁流变液器件的动力学范围 (或控制比) , 可以发现随着剪切应力的增加, 由于这些磁流变液界层内剪力显著变小 (剪切稀释) , 品质因数F 1有了明显的提高, 因为品质因数F 1 与粘度有很大的关系, 因此磁流变液的品质因数F 1 变化范围很大。
4种磁流变液的品质因数F 2 =τ 2 /νρ 与剪切速率的关系, 与F 1 不同的是该品质因数F 2 还与流体的密度有关, 除了数值在垂直方向发生移动外, F 2 与F 1 有非常类似的特征。 根据F 2 的结果可以有趣地注意到, MRX-126PD特别适合于低剪切速率应用, 而MRX-242AS更适合于高剪切速率应用。 由F 1 和F 2 共同结果表明, 由于这些磁流变液界层内剪力显著变小 (剪切稀释) , 磁流变液在高剪切应力下表现出更好的流变学行为。
4种磁流变液品质因数F 3 =τ /BH 与磁通密度的关系, 该品质因数代表着磁流变液的能量效率, 磁流变液应用在高带宽时该品质因数非常重要。 可以看到随磁通密度的增加F 3 逐步降低, 当磁流变液开始饱和时, F 3 下降很快。 最终当磁流变液达到一定条件, 即磁场导致屈服应力增加时, F 3 将为零。
2 磁流变液的商业应用
2.1 重载卡车座位支撑
可控制磁流变液阻尼器能够在很宽的范围内根据需要提供合适的力。 近年来已经达到商业应用的有: 大型卡车的半主动座位支撑系统的小型单管磁流变液阻尼器。 在该应用中磁流变液阻尼器显示出各种半主动控制技术, 该阻尼器还被用于现象仪模型的测试台。
表4 温度及相容性
Table 4 Temperature and compatibility properties
温度范围/℃
天然橡胶
腈橡胶
氟橡胶
硅树脂
三元乙丙橡胶
氯丁 (二烯) 橡胶
MRX-126PD
-40～150
差
好
好
类似
差
好
-40～150
差
好
好
类似
差
好
5～90
好
好
好
好
好
好
-50～200
好
好
好
好
好
好
用于测试平台的磁流变液线性阻尼器表明, 磁流变液阻尼器有很长的循环寿命, 并且不会由磁流变液产生明显的磨损。 根据产品标准要求这些阻尼器需工作500～1000万次循环而不发生泄漏, 该循环数对应的线性运行累积长度超过250 km。 为满足该要求的技术关键是好的动力学密封设计、好的材料选择及载液的化学特性。 MRX-126PD 型磁流变液是一种典型的用于有动力学轴密封要求的阻尼器, 此外为了有效地实现半主动控制并满足非常低阻力要求, 该流体被设计成具有非常低的粘度。 通过对颗粒形态和高效的抗磨损特性的仔细选择, 可使磁流变液可靠地应用于动力学密封。 线性磁流变液阻尼器的应用还证明在这类器件的应用中磁流变液的稳定性已经不再是一个问题, 既使用于这些阻尼器的磁流变液被设计成具有低的塑性粘度, 也没有发生分离和沉降。 这是由于流体中的添加剂非常有效地避免了团聚和粒子沉淀。
2.2 建筑业的振动控制
为了证明磁流变液技术在适当尺寸民用工程设备上的可测量性, 美国一家公司
[1 ]
已经设计并建造了一个与实际尺寸相同的磁流变液阻尼器。 该振动阻尼器采用了一种非常简单的结构, 在该结构中, 其外圆柱壳成为磁路的一部分, 磁流变液处于活塞直径外部和圆柱形壳体内部的环型部位, 活塞的移动使流体流过整个环形区。 该阻尼器为双头, 活塞靠两端的轴支撑。 这种设计的优点是不需要对杆的体积部分进行补偿来协调阻尼器, 但需要一个小型压力缓冲器用来调整磁液的热膨胀。 该阻尼器的内径为20.3 cm, 冲程为±8 cm。 电磁线圈绕在活塞的三部分, 因此当磁液流过活塞时产生4个有效的阀区, 线圈所用线的的总长度为1.5 km。 整个阻尼器1 m长, 总重量250 kg, 含有大约5 L磁流变液。 在任何给出的距离与磁场发生作用的磁液为90 cm3 。
这种振动阻尼器在使用当中大多数时间处于静止状态。 阻尼器可能在许多年当中不做任何工作, 但一旦发生振动它必须立刻发生反应, 这种工作模式意味着在整个使用当中, 磁流变液本身不能发生分离和沉淀。 MRX-140ND是专门设计用于此类振动阻尼器的, 由于是完全不流动的液体, 这种磁流变液被设计成在出现不稳定时具有很小但很明显的屈服应力, 因此该磁流变液看起来象奶油或非常软的油脂, 从而避免由于地球引力产生颗粒分离, 用于这种阻尼器在一次振动过程中只有几百次循环并只持续1～2 min, 因此基本上不考虑密封寿命和磨损。
2.3 低密封振动阻尼器
一种小型的、可控制的磁流变液振动阻尼器目前正在被使用。 该阻尼器通过移动一个磁流变液腔内的钢盘或隔板来工作。 它主要控制的运动方向是轴向, 同时伴随着横向和弯曲运动的控制, 在主运动方向的阻尼力为0～±125 N, 这种阻尼器还可以用做阻塞阀。 这种阻尼器不需要动态滑动密封, 相对小的振幅 (±3 mm) 可用来替代人造橡胶组件。 这些阻尼器主要与弹性组件并联用于在减振器。 其硬度可达到人造橡胶的硬度, 因此可以被用做可控制的支架。
由于这种阻尼器是完全密封的, 因此可以使用水基磁流变液。 水基磁流变液通常被称为天然橡胶隔膜, 与更普遍的矿物油基磁流变液不同, 由于可以找到更多的水溶液稳定添加剂和表面活性剂, 水基磁流变液可以做得非常稳定。 由于动态密封问题它们无法用在长冲程阻尼器上, 这是由于在每一循环中润湿在轴上的水膜会发生蒸发, 导致阻尼器逐渐变干。 水基磁流变液具有光触变浆糊的稠度, 如MRX-242AS在这种小型密封器件上应用等非常好。
文中例举了4种商用磁流变液, 它们的一些特性见表5。 磁流变液的设计必须使材料的特性与其应用相适应。
3 结 语
介绍了磁流变液的流变学、磁学和材料性能, 同时讨论了与这些性能相关的品质因数, 磁流变液已经从实验室研究进入到实际的工程应用。
表5 磁流变液按材料的各种性能的排列* 下载原图
Table 5 Ranking of fluids on basia of various material properties*
*表中`1'代表性能最好或最高, `4'代表性能最差或最低
表5 磁流变液按材料的各种性能的排列*
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