更新时间：2024-08-27 09:39
磁流变液（Magnetorheological Fluid , 简称MR流体）属流动性可控的新型流体，是智能材料中研究较为活跃的一支。在外部无磁场时呈现低粘度的牛顿流体特性。在外加磁场时呈现为高粘度、低流动性的宾汉流体（Bingham）。液体的粘度大小与磁通量存在对应关系。这种转换能耗低、易于控制、响应迅速（毫秒级）。
磁流变材料是一种“智能材料”, 它一般是微米级或纳米级的铁磁颗粒 (一般为羰基铁颗粒) 沉浸在非磁性载液中所形成的悬浮液, 同时还有少量的其他辅助溶液。根据载液的不同可以分为磁流变液和磁流变脂。磁流变材料中的铁磁颗粒的体积分数通常在20%～40%之间, 它的流变学特性可以由外加磁场进行控制, 磁场强度不同, 磁流变材料所呈现出的性能也不一样, 磁流变材料的这种特性被称之为磁流变效应。
磁流变液是由微米级可磁化颗粒均匀分散在特定载体母液和添加剂中所形成的特殊悬浮体系.在外加磁场作用下,表现出非牛顿流体的特性,在毫秒级时间内从自由流动的液体转变为半固体甚至固体,呈现出强烈的可控流变特性.
磁流变液主要由分散颗粒 ——分散质 、基液 ——分散介质 、添加剂 (稳定剂)组成。
磁流变液的分散颗粒包括磁性颗粒和非磁性颗粒两种,形状主要是微米和纳米级的球形椭球形、柱形、哑铃形、正六边形颗粒。①磁性颗粒主要含有Fe3O4、Fe3N、Fe、Co、Ni等微粒, 铁钴合金磁饱和度最大, 达到2.4T, 实际应用最多的是羰基铁粉和纯铁粉, 其磁饱和度大约为2.1T;②非磁性颗粒主要有聚合物颗粒和无机非金属颗粒, 如聚苯乙烯和硅石颗粒。
3.2 基液: 基液是软磁性颗粒所能悬浮的连续媒介, 是磁流变液的重要组成成分。
如合成油、矿物油、水等液体都可以作为载液。Böse报道了用胶体作为载液, 制备出一种磁流变弹性体。Fuchs等人以聚合胶体为载液制备出了一种磁流变聚合胶体。
3.3 添加剂: 添加剂包括分散剂和防沉降剂等, 其作用主要是改善MRF的沉降稳定性、再分散性、零场黏度和剪切屈服强度。
分散剂主要有:油酸及油酸盐、环烷酸盐、磺酸盐 (或酯) 、磷酸盐 (或酯) 、硬脂酸及其盐、单油酸丙三醇、脂肪醇、二氧化硅等。
防沉降剂主要有:高分子聚合物、亲水的硅树脂低聚物、有机金属硅共聚物、超细无定形硅胶以及有机黏土和含氢键的低聚物等。
此外, Chin用纳米级的磁性颗粒盐、单油酸丙三醇、脂肪醇、二氧化硅等。防沉降剂主要有:高分子聚合物、亲水的硅树脂低聚物、有机金属硅共聚物、超细无定形硅胶以及有机黏土和含氢键的低聚物等。
磁性颗粒材料的选择
由于磁流变效应来源于磁化后的颗粒形成的磁偶极子的相互作用，性能优良磁流变液中的磁性颗粒材料应该具有以下的特征：
(1) 高磁饱和强度，在磁场作用下颗粒能产生较大的磁偶极矩，从而使磁流变液具有较高的剪切屈服强度；
(2) 高磁导率，这可以保证磁流变液具有对磁场的快速响应能力；
(4) 能在比较大的温度范围内保持其性能稳定，以确保使磁流变液磁流变效应的热稳定性。
载液的选择
载液是磁流变液的主要成分，为磁流变液提供了连续相，其性能对磁流变液具有直接的影响，选择载液的原则为：
(1) 沸点高、凝固点低，确保磁流变液有较宽的工作温度范围；
(2) 粘度适宜，磁流变液在零磁场条件下应具有较低的粘度，但并非载液粘度越低越好，因为粘度越低，磁流变液的沉降稳定性就越差；
(3) 化学稳定性好、耐蚀、无毒、无异味、价格低廉。
化学试剂的选择
化学试剂主要是用于磁性颗粒的表面改性和磁流变液的化学修饰，以达到提高磁流变液性能的目的。常用的化学试剂包括表面活性剂、抗氧化剂、抗磨剂等，种类和性能介绍如表所示。
磁流变液配制工艺的优选
磁流变液配制工艺方面其大致可分为传统制备法和基液置换法：
1.传统制备法：将磁性颗粒直接加入到选定的非磁性载液中，加以适当的表面活性剂或其它添加剂进行球磨或高速搅拌，即得到磁流变液。铁磁性颗粒一般为羰基铁粉，有机溶剂主要是矿物油和硅油。
2.基液置换法：将磁性颗粒称量后与无水乙醇或异丙醇及所选的稳定剂和触变剂混合置入不锈钢容器内进行高速分散处理数小时；取出处理后的混合物在60~80˚C 真空干燥箱中干燥，使磁性颗粒表面净化或活化，在其表面引入活性极性 基团，达到两亲性处理和提高磁流变性能的目的；然后将预处理干燥后的悬浮相粉体与称量好的载液在不锈钢磨罐中混合，再加入抗氧化剂、抗磨剂等，经高速研磨分散，即得到磁流变液
改善磁流变液稳定性
改善磁流变液稳定性的方法有以下两种：
(1) 磁性颗粒表面改性，从而提高极性的磁性金属与非极性的载液的兼容性和分散性，常用的稳定剂有表面活性剂和偶联剂。
(2) 添加纳米颗粒或纳米丝，该方法通过调整分散相的组成和搭配，改善磁场作用下磁链的微结构结构形态，以达到提高磁流变效应的目的。
基于磁流变材料自身独特的性质以及大量相关的基础研究的进行, 磁流变技术被越来越多地被应用于解决实际工程问题, 其应用相对广泛、成熟的主要集中在离合器、阻尼器、军事等领域。根据在实际的应用情况, 磁流变材料在应用中的主要工作模式大致可分为三种, 分别是阀模式、剪切模式和挤压模式。
磁流变液离合器主要由主动件、被动件、线圈和磁流变液4部分组成，如图所示。磁流变液作为工作介质，充满主动件和被动件之间的容腔。
当线圈中无电流通入时，主动件和被动件之间只靠液体的黏性剪切力传递扭矩，这个值一般很小，不足以带动被动件转动，此时离合器处于分离状态;当线圈中通入电流时，使磁流变液发生“固化”反应，剪切屈服应力增加，主动件和被动件之间传递的扭矩增大，当增大到一定值时，主动件通过磁流变液带动被动件转动起来，直至最终两者同步转动，实现离合器的接合;当切断电流后，作用于磁流变液的磁场消失，磁流变液迅速恢复原状，离合器又回到分离状态。
磁流变阻尼器是一种利用磁流变效应工作的新型智能减振器件,已广泛应用于汽车、桥梁、建筑等领域。右图所示为基于剪切模式和流动模式的汽车单筒充气型磁流变减振器的结构示意图。
减振器主要包括油缸、空心活塞杆, 密封总成、复合导向器、活塞总成, 气囊等元件。活塞总成将工作油缸分为两个腔, 油缸内部充满磁流变液。电磁线圈绕在活塞的工字形铁芯上, 线圈引线从空心活塞杆引出。活塞上设置的两级环形阻尼通道串联, 线圈产生的磁场垂直于环形阻尼通道, 通过输入不同的电流改变磁场的大小, 从而改变磁流变液的流动特性, 实现阻尼力可控。
多层式磁流变装置传动部分主要有：主动轴 5、主动转子 3、从动转子 4 和从动轴 12。主动轴通过螺栓与左右两片外转子固定联接，从动轴通过楔形键与左右两片内转子固定联接，磁流变液均匀分布在两片内转子与外转子之间的工作间隙中。当加载励磁电流时，产生磁流变效应，主从转子粘合，转矩通过主从转子剪切磁流变液进行扭矩传递；当撤去励磁电流时，磁流变液迅速恢复牛顿流体状态，主从转子断开，转矩传递过程结束。转矩传递的过程中可以通过改变激励电流的大小改变励磁线圈的磁感应强度，达到改变磁流变液剪切屈服应力的效果，最后改变输出转矩。
分层式磁流变装置中的序号分别表示为1.励磁线圈 2.磁流变液 3.主动转子 4.从动转子 5.主动轴 6.轴承7 左端盖 8 磁轭 9 隔磁环 10 右端盖 11 油封 12 从动轴 13 螺栓
在磁流变抛光中, 通过磁流变液流体流动产生的流体动力来实现材料的去除。与传统抛光相比, 抛光力是通过可以精确控制的表面剪切应力提供的。由于这种转化,磁流变液的黏度和刚度等流体特性随外加磁场强度的增强而增强。用磁流变液体作为抛光介质, 需要加入合适的磨粒, 使这些磨粒附着在磁性粒子上。在磨削过程中，高剪切强度的薄层接近工件表面, 这种强剪切力能够使非磁性磨粒抛光工件。起到了微观切削的作用。
如果软模材料性能在成形过程中可以适应于成形件变形过程应力状态的变化而变化，会有利于成形件的变形，提高其成形性。根据这一问题，采用智能材料——磁流变液作为成形软模，通过施加外加磁场条件改变磁流变液的性能，调节磁流变液的传力特性，控制成形过程的加载曲线，提高板材的成形性和零件的成形质量。
磁流变液夹层结构是将磁流变液复合到梁、板结构中的一种智能材料结构。相对于磁流变液器件，磁流变液夹层结构的研究才处于起步阶段，磁流变液夹层结构的振动可以通过随磁场改变的磁流变液的流变特性来控制，磁流变液的流变特性改变将使结构的刚度、阻尼发生变化从而改变结构的动力学特性。从而实现对结构振动特性的控制,这对于控制飞行器、汽车以及机械结构的工作性能有着重要的应用价值。
双质量飞轮作为传动系扭振控制的一个有效手段，经过ＬＵＫ公司推广后，已得到了全世界范围内的汽车公司广泛应用，并有逐步取代离合器扭振减振器的趋势。磁流变液双质量飞轮的设计，主要分为弹性部分的设计和阻尼部分的设计。其中弹性部分选择现用双质量飞轮使用最多的长弧形弹簧式结构，而阻尼部分则采用励磁线圈电流控制磁场强度，进而控制磁流变液流变特性的思路进行。因其产生的阻尼可根据不同工况的需求进行调节，从而抑制了双质量飞轮对传动系扭振的控制效果。
磁流变液通过齿轮泵从油箱中抽出，经油管通过轴承进油孔（4）进入轴承，并通过周向油槽经轴瓦周向上四个进油孔（9）进入轴瓦与浮环外表面间的轴承外间隙，形成外油膜。磁流变液充斥外间隙后，由于泵压的作用，其会再经浮环上四个进油孔（8）进入浮环内表面与轴颈表面形成的轴承内间隙，形成内油膜。至此，浮环轴承完成了在内外油膜上的润滑。在整个过程中，磁流变液通过内外油膜两端产生端泄，经由端盖上的回油孔流回油箱。由于轴承存在内外两间隙，当轴旋转后，轴颈表面与浮环内表面形成内油膜，同时内油膜传递的摩擦转矩带动浮环转动，而后浮环外表面与轴瓦表面形成外油膜。若此时通过励磁系统给浮环轴承提供外磁场，则可控制轴承，特别时轴承外油膜的刚度阻尼，实现可控轴承的目的。
基于磁流变液的上述可控黏度特性，将磁流变液填充于主、从动部件之间，主、从动部件之间并不直接联结，仅利用磁流变液的黏性在主、从动部件之间传递力矩，由电机输出作动力矩，通过填充有磁流变液的传动部件传输力矩驱动负载，通过电磁线圈提供外磁场来调节磁流变液的黏性，进而改变其传输力矩的能力，由于磁流变液黏塑性体的黏性是可以通过励磁电流主动调控的，因此这一传动过程表现出传动刚度主动可调，进而使该关节具备主动柔顺特性。