电流变 磁流变

流模式的示意图
磁流变体操作模式 Shear mode（剪切模式） 其中一块固定板保持不动，另一块固定板沿垂直磁通方向移 动，对磁流变体进行剪切。剪切模式在离合器和制动器中特别有 用——必须控制旋转运动的地方。
剪切模式的示意图
磁流变体操作模式 Squeeze-flow mode（挤压流动模式） 其中一块固定板保持不动，另一块固定板沿磁通方向移动， 对磁流变体进行挤压。挤压流动模式很适合控制微小的、毫米级 的运动。
国内磁流变体的研究与应用 单位 研究者 研究方向
哈尔滨工 业大学
南京航空 航天大学 重庆大学 上海交通 大学
不同基液中的添加剂
磁流变体的类型
纳米磁性颗粒 非磁性基液型
采用纳米磁性粒子作为主分散颗粒，它的基液与经 典磁流变体是一致的，都是非磁性的。
磁流 变体 种类
微米磁性颗粒 非磁性基液型
采用微米级的顺磁或软磁材料的颗粒和低磁导率的 基液，是目前主流工艺，具有较强的磁流变效应， 屈服应力能够达200~100kPa。
电流变体与磁流变体技术
智能材料——可控流体 可控流体（Controllable Fluids）是一类新兴智能材料，在自动 化及结构控制领域具有广阔的应用前景。其中最具代表性的是电 流 变 体 (Electrorheological Fluids) 和 磁 流 变 体 (Magnetorheological Fluids)这两种。 之所以称为可控流体，是因为它们的某些特性可以随外界环 境如磁场、电场的改变而改变。这种特性具有连续、可逆和易于 控制的特点。
磁流变体的材料成分
加入表面活性剂可以改善磁流变体的性能。因为弥散质颗粒 的密度比基液密度大很多，因此很容易沉降；为了保证颗粒的悬 浮稳定性以及提高磁流变体的流变性能，一般情况，需要加入活 性剂，比如使用稳定剂(像硅氧化物、硅胶)或各种各样的表面改性 的试剂等，以防止出现颗粒沉淀和不可逆转的团聚现象。表面活 性剂一般是由亲油基、亲水基两种不同特性的物质组成的低聚物。
磁流变体基液的种类
磁流变体的材料成分
弥散质颗粒，包括磁性颗粒和非磁性颗粒两种，尺寸大小主 要是微米和纳米级的。磁性颗粒主要含有 Fe3O4、Fe3N、Co、Fe、 Ni 等微粒，其中磁饱和度最大的微粒是铁钴合金，其磁饱和度能 达到 2.4T，但价格昂贵，所以实际应用最多的微粒是羰基铁粉和 纯铁粉，它们的磁饱和度大约为 2.1T。非磁性颗粒主要分为聚合 物颗粒和无机非金属颗粒，如聚苯乙烯和硅石颗粒。
由于磁流变体在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、这种 转换是在毫秒（ms）量级的时间内完成，而且其流变后的剪切屈 服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，同时通过调节磁场大小 可以控制材料的力学性能连续变化，因此磁流变体是一种用途广 泛、性能优良的智能材料。
磁流变体工作原理
悬浮载液内的磁性粒子，通常为微米或纳米级的球形或椭球， 随机分布在悬浮液中。在正常情况（无外加磁场）下，如下：
磁流变体研究的困难 （1）除少数商业化的磁流变体外，大多数磁流变体的零场粘度比 较高、稳定性不够理想。 （ 2 ）商业化的磁流变体及它的应用装置价格比较昂贵。如 Lord 公司生产的磁流变体每升约为600美元，小型直动式阻尼器控振系 统每套大约 300 美元。这使得磁流变体装置的广泛应用或在代替 某些传统装置方面受到限制。磁流变体装置的成本主要来自零件 的精密加工，密封件的成本，电磁铁的制造等。 （3）磁流变体的应用目前还没有广泛地深入，有些研究应用离工 程应用还有一定距离，磁流变体装置的数学模型以及控制技术还 有待深入研究和完善。
没有外加磁场的状态
磁流变体工作原理
当施加磁场时，悬浮粒子（通常为0.1〜10μm范围内）沿磁通 方向分布，这种沿磁通分布的方式会阻碍垂直于磁通方向的流动。 因此，在设计的磁流变的移动设备中，关键是要确保磁通线垂直 方向的运动受到限制。
有外加磁场的状态
磁流变效应的产生机理 磁流变体的特性主要是指它的磁特性、流变性和稳定性。迄 今为止，产生磁流变效应的机理，一直没得到确切物理解释。其 中有代表性的，而且为大众所接受的是偶极矩理论和相变理论。 偶极矩理论 这个理论认为，在外加磁场的作用下，每一个磁性颗粒都会 被极化成为磁偶极子，而此时各个偶极子之间可以相互吸引，并 形成链，磁流变效应的强度和偶极子之间形成的链的力大小，有 着一定关系，这个理论的基础是静磁相互作用理论。
磁流变体的操作模式 磁流变体中使用三种主要的操作模式：流模式，剪切模式和 挤压流动模式。 这些模式的可以用一个物理模型来形象说明，即在处于一定 磁场强度下，两个固定板之间充满着磁流变体，分别改变固定板 与磁流变体之间的相对运动方式，可以得出三种操作模式，它们 各自都有不同的应用领域。
物理模型
磁流变体操作模式 Flow mode（流模式） 固定板保持不动，磁流变体沿垂直磁通方向流动。通过对外 部磁场的控制，可以有效的控制磁流变体的粘滞度，限制其流动。 流模式可用于高性能阻尼器和减震器的设计制造中。
未施加磁场、电场 施加磁场、电场 磁场、电场强度 达到某一强度
普通牛顿流体
磁场 电场 撤销
流变态
强度 降低
固体
电流变体的发现 电流变体（Electrorheological Fluid, 简称ERF），是上世纪出现 的一种智能材料，由美国学者W.M.Winslow首次发现并获得专利。 它是由高介电常数的固体微粒分散于低介电常数的液态基液后所 构成的悬浮体系，其流变性能可以由外加电场控制。 电流变效应 当未加电场时，固体颗粒随机地分布在液态基液中，此时电 流变体与普通的牛顿流体相似； 而当施加电场时，颗粒会被瞬间(ms量级)极化成电偶极子， 粒子间的相互作用会使固体颗粒形成链并进而形成柱状结构，从 而产生屈服应力。其表观粘度可以增加几个数量级，而且这种变 化是可逆的。 撤除电场后，电流变体又会瞬间恢复到原来的状态。
磁性颗粒 磁性基液型
采用微米级的磁性颗粒分散溶于磁性基液(如铁磁流 体)中制成的悬浮液。磁性基液加强了磁性颗粒间的 相互作用力，从而增强了磁流变效应。
非磁性颗粒 磁性基液型
利用微米级的非磁性颗粒(如 40~50μm 的聚苯乙烯或 硅石颗粒)分散溶于磁性基液(如铁磁流体)中制成的 悬浮液。但是，这种悬浮液的磁流变效应比较低， 屈服应力也较低，目前研究的还比较少。
磁流变体的这些优点一出现就引起了减振设备与技术领域内 专家的极大兴趣。
磁流变体的指标
磁流变体应满足的指标 （1）零磁场粘度低，以便使其在磁场作用下，具有同等剪切屈服 强度增长时，具有更大的可调范围。 （2）强磁场下剪切屈服强度高，至少应达到20～30Kpa，这是衡 量磁流变液特性的主要指标之一。 （3）杂质干扰小，以增加其使用范围。 （4）温度使用范围宽，即在相当宽的温度范围具有极高的稳定性。 （5）响应速度快，最好能达到毫秒级，以使磁流变液减振器作为 主动和半主动控制器时，基本不存在时迟问题。 （6）抗沉降性好，长时间存放应基本不分层。 （7）能耗低，在较弱的磁场下可产生较大的剪切屈服强度。 （8）无毒、不挥发、无异味，这是由其应用领域所决定的。
磁流变效应的产生机理 相变理论 该理论认为在零磁场作用下，悬浮颗粒是自由相，它随机分 布于母液中，热波动会对它的转动和迁移造成很大影响。磁场强 度升至某一临界值时，颗粒会被磁化，受到热波动和磁场强度双 重作用，某些颗粒就进行有序化排列，成为有序相。随后随着磁 场强度变大，有序相就会连成长链，且以长链作为核心，吸收周 围短链，使链变粗，形成固态相。
挤压流动模式的示意图
磁流变体的研究现状 目前对磁流变体的研究体现在两大方面。 一、从材料和力学的角度出发，研究磁流变体的组成成分及 物理特性；（材料本身） 二、从机械学、振动学、电子学、控制学等角度出发，并结 合具体应用目标开展多学科交叉研究。（材料应用） 前者的研究主要致力于磁流变体材料的研制、性能提升、以 及低成本化生产等；后者的研究则致力于磁流变体材料的多领域 多学科应用、控制等。
磁流变体技术及应用领域
阻尼技术
抛光技术 传动技术 磁流变体技术 密封技术 生物医药技术 其它技术 应用领域
机械工程
控制工程 汽车工程 生物医药 精密加工 航空航天
国外磁流变体的研究与应用 单位 应用实例
美国Lord公司
美国军方
汽车减振器、离合器和制动装置
俄亥俄级导弹攻击核潜艇的抗攻击研究
美国福特研究 可在500HZ到600HZ内移频的磁流变弹性体吸振 中心 器原理样机 佐治亚理工大 压缩式磁流变弹性体吸振器的移频特性及其控 学 制方法 宾西法尼亚州 立大学 直升机水平旋冀叶片的振动控制
电流变体的应用
由于电流变体具有非常优良的性能，应用电流变体技术设计 的器件具有响应快、连续可调、电控性能好、功耗低、灵敏度高、 重量轻、结构简单等突出优点，因而被广泛应用于汽车工程、液 压工程、航空航海、生产自动化、机器人工程、医疗器件、体育 用品、国防等领域。 特别是在汽车工程中，利用电流变技术可以设计出新颖的汽 车转向系统、汽车的减震装置、制动装置等。与传统的机械产品 相比，具有设计简化、应用简便、灵敏度高、噪声小、寿命长、 成本低、易于实现电脑控制的特点。电流变技术在汽车传动系统 的重大创新将引发一场汽车技术革命。
磁流变体的工作原理 磁流变体（Magnetorheological Fluid , 简称MRF）一类具有磁 流变效应（Magnetorheological Effect，简称MRE）的材料。
磁流变体在零磁场条件下，呈现出低粘度的牛顿流体特性； 而在强磁场条件下，则呈现出高粘度、低流动性的Binghan体特性， 流体的屈服应力和表观粘度有2～3个数量级的变化。特别的，在 某一特定磁场强度下，停止流动直至固体状态，且有固体的某些 特性，具有很强的抗剪切能力。
国外磁流变体的应用 美国Lord（洛德）公司
磁流变（MR）流体技术 线控转向和触觉控制 先进的可控悬浮液 车辆，驾驶室和/或座椅悬浮液 主动悬架系统 智能材料与结构 自适应运动控制 乘员约束系统和安全系统 磁性器件和设计 风扇离合器 抗震设防 人类假肢 技术对比