磁流变阻尼器的应用

　　1948年Rabinow发现磁流变液体,比Winslow发现电流变效应更早.但磁流变技术的发展却落后于电流变技术.大多数科研人员都把精力放在了电流变流体的开发、应用上,只是近十几年来磁流变技术的发展才重新得到重视.美国已经有多种磁流变产品推向市场.

　　1　磁流变流体的工作机理与流变特性

　　磁流变液通常由低粘度的基液、可磁化的精细粒子以及高分子添加剂组成,也有基于铁磁流体为母液,向其中加入非磁性粒子的流变流体.对基液的要求是低粘度、高沸点、高燃点、化学稳定性好.极性粒子则可以是铁、钴、镍等磁性材料的合金,磁性铁氧体,或是它们的复合再加上硅、硼等少量元素.

　　根据组成和性能的不同,可将磁流变液分为4种类型[1]:由磁性颗粒如羰基铁粉与硅油、矿物油、合成油等为载液的微米磁性颗粒-非磁性载液型磁流变液;nm级的铁氧体粉分散溶于非磁性载液中制成的纳米磁性颗粒-非磁性载液型磁流变液;μm级的聚苯乙烯或硅石颗粒分散溶于磁性载液(如铁磁流体)中制成的非磁性颗粒-磁性载液型磁流变液;用微米级的磁性颗粒分散溶于磁性载液(如铁磁流体)中制成的磁性颗粒-磁性载液型磁流变液.

　　当无磁场作用时,粒子悬浮在母液中,在空间随机分布,而施加磁场作用后,粒子表面出现极化现象,形成了偶极子.偶极子在作用场中克服热运动作用而沿磁场方向结成链状结构.一条极化链中各相邻粒子间的吸引力随外磁场强度增强而增加,当磁场增到某一临界值,偶极子相互作用超过热运动,则离子热运动受束缚,此时流变液体呈现固体特性.这一固-液两相转换过程是可逆的,能够通过改变磁场而平稳、快速地完成,一般转换时间都为毫秒级.

　　磁流变液体集固体塑性和流体流动性于一体,其流变特性,如粘度、塑性、弹性等会随外加磁场改变而迅速变化.磁流变流体在外加磁场作用下的屈服过程由屈服前区、屈服区和屈服后区三个阶段组成,如图1所示[2].其中,屈服后区和屈服前区具有式(1)、(2)所示关系的Bingham流体的特性[3].

　　其中,τ为剪应力;τy(H)为磁流变材料屈服时的剪应力;η为磁流变材料的粘度系数;γ·为剪应变速率;γ为剪应变;G为磁流变材料的剪切弹性模量,与外加磁场强度有关.

　　实验表明,磁流变液具有如下性质[4]:(1)没有外加磁场时,剪应变率为零时所对应的剪切应力并不为零,表明要使磁流变液发生流动,其剪切应力必须大于某一值;(2)随外加磁场强度的增加,同一剪应变率所对应的剪切应力也随之增加;在相同的磁场强度下,磁流变液的剪切应力随剪应率变化不很明显;(3)液体的粘度值不仅受磁场强度的影响,而且受到剪应变率的影响.随着剪应变率的增加,粘度减小,材料表现出剪切稀化效应.同时,在相同剪应变率下,粘度随磁场强度的增加而增大,但当剪应变率达到某一值时,随着磁场强度的增加,粘度无明显变化;(4)当磁感应强度大于某一值时,表现出剪切应力随磁感应强度的增大而趋于饱和;(5)介质百分率不同的磁流变液,体积百分率增大,相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大.当介质百分率大于某一值(约30%)时,磁流变液易出现沉淀,将影响材料的磁流变效应;(6)随着介质微粒直径的增加,相同磁场强度和剪应变率所对应的剪切应力也相应增大.表1列出了电流变液和磁流变液的主要性能比较[5].比较两者的能量密度,磁流变流体比电流变流体约高两个数量级,这也是前者屈服应力远远大于后者的一个重要因素.