楊健健，晏華，代軍，張寒松

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磁流變液材料的性能與應(yīng)用綜述

楊健健，晏華，代軍，張寒松

（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院化學(xué)與材料工程系，重慶 401311）

磁流變液是一種流變特性可控的新型智能材料，具有響應(yīng)快（毫秒級）、連續(xù)可調(diào)、能耗低等優(yōu)良特點，在機械工程、汽車工業(yè)、精密加工、主動控制等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文在總結(jié)近年來國內(nèi)外有關(guān)磁流變液材料研究成果的基礎(chǔ)上，分別從復(fù)雜流體、智能流體、結(jié)構(gòu)流體三方面對磁流變液進行了概念界定，著重闡述了磁流變液的磁性能、流變特性、穩(wěn)定性、再分散性以及摩擦學(xué)性能，分析了其中需重點解決的問題，并對磁流變液在工程中的應(yīng)用進行了總結(jié)，最后從材料物理狀態(tài)、結(jié)構(gòu)流變學(xué)的角度對磁流變材料體系的進一步發(fā)展進行了展望。

磁流變液；膠體；流變學(xué)；穩(wěn)定性

磁流變液（magnetrheological fluid，MRF）是一種新型的功能材料，它將液體的流動性和磁性材料的磁性統(tǒng)一在一種物質(zhì)中，使之具備了很多新的物理機理和特性，也正因如此，它的制備、性能和理論研究都有著重要的科學(xué)意義。磁流變液可以在磁場作用下迅速可逆地改變其內(nèi)在結(jié)構(gòu)，進而改變材料的某些物理性能（如流變學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等性能），這種安靜、簡單、迅速變化的性質(zhì)提供了電子控制和機械系統(tǒng)之間良好的互動關(guān)系，在各類科學(xué)研究和工程技術(shù)中能夠產(chǎn)生新的變革，加上它的控制和調(diào)節(jié)可連續(xù)變化、不易磨損、成本低、能耗少、無污染和適用范圍廣等特點，因此受到人們的極大注意。國外的磁流變液及其器件的發(fā)展已由實用化研究進入商業(yè)化階段，成功地用于重要的民用和軍用領(lǐng)域。我國在磁流變機理、裝置開發(fā)、動力建模、控制策略及工程應(yīng)用方面取得了一定的進展，已有數(shù)十家科研機構(gòu)從事磁流變技術(shù)研究，一些成果已經(jīng)應(yīng)用于實際工程中。本文就磁流變液材料性能和應(yīng)用的研究狀況和發(fā)展方向進行了總結(jié)和評述。

1 磁流變液的概念界定

典型的磁流變液是由微米級磁性顆粒分散于載液（油或水）中形成的懸浮液，其物理狀態(tài)和流變特性能夠隨外加磁場的變化而發(fā)生變化：在無外磁場作用下表現(xiàn)為流動良好的液體狀態(tài)，而在磁場作用下，黏度可瞬間增加兩個數(shù)量級以上，并呈現(xiàn)類似固體的力學(xué)特性，一旦去掉磁場后，又變成自由流動的流體。

1.1 MRF被稱為第三類復(fù)雜流體

復(fù)雜流體（complex fluid），是指混合液、懸浮液、膠體、泡沫、聚合物、液晶等，其典型特征是組成的分子大，或為不同物質(zhì)組成的混合物，具有與簡單流體不同的結(jié)構(gòu)和特性。磁流變液的復(fù)雜性體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)的固體磁性顆粒的特性決定不了懸浮液整體的物理性質(zhì)，而系統(tǒng)整體的物理性質(zhì)是由局域固體顆粒之間產(chǎn)生不確定性的、復(fù)雜的耦合后才體現(xiàn)出來的。因此，一般認(rèn)為磁流變液不滿足牛頓流體的運動規(guī)律，是一種同時具備固體和液體特性的特殊系統(tǒng)。根據(jù)流體的黏彈性行為，磁流變液又被歸類為第三類復(fù)雜流體[1-2]，在應(yīng)變掃描下，磁流變液的儲能模量隨應(yīng)變的增大而減小，而損耗模量則先出現(xiàn)應(yīng)變硬化效應(yīng)，隨之模量逐漸下降（weak strain overshoot），該現(xiàn)象與材料內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)節(jié)點的破壞與重組達(dá)到平衡有關(guān)。

同簡單流體相比，磁流變液中包含有具有誘導(dǎo)偶極磁矩的磁性顆粒，這些顆粒之間的相互作用行為是非常復(fù)雜的，可產(chǎn)生奇特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化。磁流變液的磁光實驗[3]和小角度散射實驗[4]表明在外磁場作用下，磁流變液出現(xiàn)三種分離的相，可以用磁場強度來表征。當(dāng)磁場較低時，磁性顆粒或幾個顆粒的聚集體相互獨立地、互不相關(guān)地沿磁場方向取向，彌散在載液中的懸浮顆粒的遷徙和轉(zhuǎn)動受熱波動影響，是自由相；較高磁場下，顆粒相互靠攏呈有序排列，會沿磁場形成長的互不相關(guān)的細(xì)線狀物，變?yōu)橛行蛳?；隨著磁場的更進一步增大，有序相以長鏈為核心，吸收短鏈，使鏈變粗，形成固態(tài)相。ZHU等[5-7]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論計算出磁流變液存在3個相變磁場c1、c2、c3：①＜c1，磁流變液完全處于流體狀態(tài)，固體顆粒隨機分布；②c1＜＜c2，開始形成鏈狀結(jié)構(gòu)，鏈與顆粒共存且是隨機分布的；③c2＜＜c3，開始形成柱狀結(jié)構(gòu)，柱與鏈共存；④＞c3，顆粒全部形成柱狀結(jié)構(gòu)。

磁流變材料中的磁性顆粒分散相會在磁場驅(qū)動下發(fā)生重組，其重組過程會對材料的宏觀性能產(chǎn)生極大地影響，表現(xiàn)出典型的軟物質(zhì)特性（即小擾動，大響應(yīng)）。對于典型的鐵基磁流變液，最大的磁能密度約為0.1J/cm3，可以采用低電壓驅(qū)動（所需電流僅需1～2A）。當(dāng)磁場強度小于1T，即可引起磁流變液性質(zhì)的顯著變化。以羰基鐵粉做分散相的磁流變液的屈服應(yīng)力可達(dá)100kPa以上，而產(chǎn)生磁場強度的電壓不過幾十伏。美國FORD汽車公司GINDER等[8]用微米級磁性顆粒分散在磁流體中制備的磁流變液，具有較強的磁流變效應(yīng)，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時其屈服應(yīng)力超過200 kPa。

1.2 MRF是一類智能流體

磁流變液在磁場作用下可發(fā)生“液-固”轉(zhuǎn)變，可通過調(diào)節(jié)磁場強度可實現(xiàn)軟-硬連續(xù)可逆變化，被稱之為“智能流體”。磁流變液可作為一種的能量儲存與轉(zhuǎn)化材料。當(dāng)施加外部磁場時，磁流變液把一部份磁能儲存起來，同時材料內(nèi)部形成一定的空間結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)促使磁流變液的許多材料常數(shù)（如流變常數(shù)、電磁常數(shù)、光學(xué)常數(shù)、聲學(xué)常數(shù)等）發(fā)生顯著的變化，在外界能量與材料內(nèi)能發(fā)生相互轉(zhuǎn)化過程中，材料便呈現(xiàn)出不同的能量轉(zhuǎn)化特性，這種特性不但具有極高的能源效率而且還可以通過外部磁場進行迅速地連續(xù)可逆調(diào)控。將磁流變液作為一種執(zhí)行器植入工程結(jié)構(gòu)中，形成磁流變智能控制系統(tǒng)，就能使工程結(jié)構(gòu)感知和處理信息，并執(zhí)行處理結(jié)果，對環(huán)境的刺激作出自適應(yīng)響應(yīng)，實現(xiàn)增強結(jié)構(gòu)安全、減輕質(zhì)量、降低能耗、提高結(jié)構(gòu)性能等目標(biāo)?；诖帕髯円旱淖枘崞鞅闶且环N結(jié)構(gòu)簡潔、低能耗、可無級調(diào)控的高穩(wěn)定性智能振動控制裝置，還可以實現(xiàn)實時主動、半主動控制，是實現(xiàn)汽車和土木結(jié)構(gòu)智能化振動控制的新一代高性能裝置。

SPENCER等[9]與LORD公司合作首次研制出了適合土木結(jié)構(gòu)振動控制的出力達(dá)20噸的足尺磁流變液阻尼器。他們還在一個20層的鋼框架結(jié)構(gòu)的1～16層共設(shè)置了30個磁流變減振器，然后進行了地震反應(yīng)實驗。實驗結(jié)果表明，半主動控制與原結(jié)構(gòu)相比，最大位移減少了21.6%～55.8%，最大加速度減小了22.8%～50.0%。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的歐進萍等[10-11]基于磁流變液的智能控制系統(tǒng)的研究，自行研發(fā)的磁流變阻尼器應(yīng)用于山東濱州黃河公路大橋上的斜拉索，還成功地安裝于渤海某采油平臺上。

1.3 MRF是一種結(jié)構(gòu)流體

一般認(rèn)為無外加磁場作用時，磁流變液中的磁性顆粒在基液中呈無序分布，磁流變液表現(xiàn)出液體的流動性。由于懸浮液中的磁性顆粒表面積很大，存在巨大的界面自由能，當(dāng)懸浮液濃度增大時，為降低表面自由能、顆粒通過尖棱邊角處自發(fā)地聯(lián)結(jié)起來，結(jié)果可能從原始質(zhì)點形成次級質(zhì)點，即各種聚集體，其中有結(jié)構(gòu)緊密的聚集體，也有結(jié)構(gòu)松弛、亞穩(wěn)定的絮凝體結(jié)構(gòu)等，以防止顆粒的進一步黏附。磁流變懸浮液中的顆粒是維持在原始的單個顆粒狀態(tài)，還是相互結(jié)合形成次級顆粒如聚集體、附聚體，在很多程度上取決于分散介質(zhì)與質(zhì)點的界面性質(zhì)。目前對懸浮液結(jié)構(gòu)的研究多是從顆粒分散為依據(jù)，研究顆粒間的作用力[12-15]，進而確定懸浮液的結(jié)構(gòu)。

磁流變液在外力剪切作用下表現(xiàn)出的稀化行為[16]，與分散介質(zhì)中懸浮顆粒的結(jié)構(gòu)重排有關(guān)。當(dāng)流體處于靜態(tài)時，磁性顆粒由于布朗運動隨機分布于載液中，在低速剪切下，磁流變液中無序分布的顆粒提供了較大的阻力，表現(xiàn)為流體表觀黏度較大；而隨著剪切速率增加，顆粒開始沿著剪切方向流動，重排形成有序的顆粒層，使得垂直于流動方向的顆粒間距離增大。這種空間重排導(dǎo)致顆粒運動阻力減小，因此流體的黏度減小直至基本保持不變。

磁流變液在磁場作用下能夠形成豐富的微結(jié)構(gòu)形態(tài)，如鏈狀、柱狀、網(wǎng)狀或更復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)。為了研究磁流變液的微結(jié)構(gòu)及其對材料宏觀特性的影響，人們進行了大量的觀察與分析，研究其在靜態(tài)和動態(tài)條件下的結(jié)構(gòu)形成及演化規(guī)律。

對于磁流變液在磁場作用下的排列結(jié)構(gòu)，TAO[17-18]用分子動力學(xué)的方法模擬了磁流變液的微觀結(jié)構(gòu)變化過程，磁流變液在偶極子力、布朗力和黏滯力作用下能形成3種不同類型的結(jié)構(gòu)；即鏈狀結(jié)構(gòu)、體心立方結(jié)構(gòu)和流體結(jié)構(gòu)。TAO根據(jù)結(jié)構(gòu)能量極小化原理計算出體心立方結(jié)構(gòu)能量最低，是磁流變液中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。ZHU等[19]用水基磁性聚苯乙烯磁性微粒磁流變液進行了結(jié)構(gòu)研究，發(fā)現(xiàn)非常慢速地增加磁場可得到穩(wěn)定的分散柱狀結(jié)構(gòu)；而非?？焖俚卦黾哟艌觯傻玫较耱球緺睿◤拇艌龇较蚩矗┲械确€(wěn)定的“彎曲壁”結(jié)構(gòu)。尹林茂等[20]在顯微鏡下觀測了靜磁場下磁流變液的微觀結(jié)構(gòu)，并分析了不同的磁感應(yīng)強度、不同體積分?jǐn)?shù)下微結(jié)構(gòu)的特點，隨著磁感應(yīng)強度的增加，磁流變液內(nèi)部的磁性顆粒由一開始的無規(guī)則分布轉(zhuǎn)化為規(guī)則排列的鏈狀結(jié)構(gòu)，并逐漸形成較粗的柱狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

LIU等[21]利用光散射技術(shù)觀察了極稀的磁流變液在靜態(tài)條件下的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律。在靜態(tài)條件下，磁流變液的結(jié)構(gòu)生長尺寸與時間呈指數(shù)關(guān)系。王秋寬等[22]將數(shù)字顯微全息（DMH）技術(shù)應(yīng)用于磁流變液微觀結(jié)構(gòu)與機理的觀測得到了磁流變液在無磁場下其鐵磁性微粒子和有磁場下其微觀結(jié)構(gòu)的三維空間分布，實時觀測了磁流變液微觀結(jié)構(gòu)的變換過程，獲得了磁流變液在外加磁場下的成鏈結(jié)構(gòu)、鏈化速度和響應(yīng)時間，驗證了磁流變液的響應(yīng)時間為毫秒量級。

趙春偉等[23-25]利用體視顯微鏡對磁流變液分別進行了靜磁場和剪切模式下鏈狀結(jié)構(gòu)的形成及演化過程的實驗觀測。結(jié)果顯示，直通鏈的數(shù)目隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而增加，隨著磁感應(yīng)強度的增加，顆粒鏈逐漸增長并由單鏈結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槭溄Y(jié)構(gòu)；在剪切實驗中，成功地捕捉到了磁流變液中顆粒鏈從形成→拉伸→斷裂→重組的動態(tài)過程。

中國科技大學(xué)的方生等[26]通過對旋轉(zhuǎn)磁場作用下磁流變液中一定數(shù)目顆粒運動的數(shù)值模擬，在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)得到盤狀聚集結(jié)構(gòu)，在垂直于旋轉(zhuǎn)平面的平面內(nèi)得到層狀結(jié)構(gòu)。MELLE等[27]和王瑞金[28]模擬了旋轉(zhuǎn)磁場下不同Mason數(shù)對應(yīng)的磁流變液聚合鏈形態(tài)。

磁流變液在磁場和力場作用下的微結(jié)構(gòu)形態(tài)及其演化決定了磁流變液的奇異特性，磁場強度、顆粒體積分?jǐn)?shù)、顆粒尺寸、應(yīng)變率等因素對磁流變液的微結(jié)構(gòu)及其演化過程都有顯著地影響，從而影響了磁流變液的宏觀特性。因此，借助實驗觀測和數(shù)值模擬方法，研究在多場耦合下磁流變液響應(yīng)特性的微結(jié)構(gòu)及其演化等問題，可以為建立完善的物理模型提供更好的實驗依據(jù)。

2 磁流變液的基本性能

2.1 磁特性

就磁化率來說，磁流變液可以算作鐵磁性材料，其磁化特性依賴于顆粒本身和載體（這里尤指磁性載體）的磁學(xué)特性，其中顆粒類型[29-31]和體積比對磁流變材料的磁化性能有著重要的影響。KORDONSKI等[32]發(fā)現(xiàn)磁流變液的磁化率隨體積分?jǐn)?shù)的增加而線性增加，而且有隨顆粒直徑增大而增大的趨勢。鐵磁性顆粒的大小對材料磁性能的影響也非常明顯，當(dāng)磁性顆粒粒徑為納米量級（8～10nm）時，磁流變液可成為超順磁材料（磁流體）[33-34]這時由于強烈的Brown運動，很難觀察到磁性顆粒在外加磁場作用下發(fā)生相變的過程[35]。另外，為了實現(xiàn)材料性能可逆控制，需要顆粒具有更好的軟磁性，這樣在外加磁場撤去時，材料的各項力學(xué)性能恢復(fù)到未加磁場時的初始狀態(tài)。這是影響磁流變液的分散性以及沉降穩(wěn)定性的重要因素，否則顆粒在液態(tài)基體中就會互相吸引團聚[36]。

當(dāng)外加磁場強度很小時，磁流變液近似表現(xiàn)出線性介質(zhì)的磁特性，磁化強度與磁場強度成正比=0，為磁化強度，0是磁流變液的磁化率；隨著外加磁場強度的增加，磁感應(yīng)強度也迅速增加，磁流變液逐步達(dá)到磁飽和，磁化強度可以表示為=(r–1)，r是相對磁導(dǎo)率，它是磁場強度和體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)；隨著外加磁場強度的進一步增加，磁流變液達(dá)到完全磁飽和。

磁流變液的磁飽和磁化強度依賴于顆粒材料的飽和磁化強度和磁流變液的體積分?jǐn)?shù)。常用的軟磁性顆粒主要有Fe3O4、Fe3N、Fe、Co、Ni等微粒及其合金[37-38]。最理想的磁性顆粒是一種稱為波明德（Permendur）的鐵鈷合金，它的飽和磁化強度是2.4T，但成本太高，所以很少采用。鐵氧體屬亞鐵磁性材料，其分子磁矩一般是通過相鄰晶格磁矩之差而得到，因而鐵氧體飽和磁化強度較低。目前使用最多的微粒是磁飽和度能夠達(dá)到2.1T的純鐵粉和純羰基鐵粉，其飽和磁化強度大，且居里溫度高（＞700℃），這不僅對提高磁流變液的力學(xué)性能有利，而且溫度穩(wěn)定性優(yōu)于鐵氧體磁性材料。

2.2 流變性能

目前普遍接受的用來解釋磁流變液的磁流變效應(yīng)的微結(jié)構(gòu)模型是顆粒磁偶極子模型[39]。當(dāng)外加磁場時，磁性顆粒受磁極化，瞬時（毫秒級）產(chǎn)生磁性偶極子相互作用，為了達(dá)到能量最小要求而形成長鏈，外磁場的加大，使這種鏈狀結(jié)構(gòu)進一步發(fā)生聚集，形成復(fù)雜的團簇結(jié)構(gòu)，這種微觀結(jié)構(gòu)上的變化直接導(dǎo)致了液體流變性能發(fā)生變化。除了磁偶極相互作用力外，顆粒能否形成鏈狀結(jié)構(gòu)還受到熱運動作用的影響，ROSENSWEIG[40]給出了兩個相鄰磁性顆粒之間的磁相互作用能（線性磁化區(qū)內(nèi)）和熱能的比值，來表征鏈的結(jié)合強度，其表達(dá)式為式(1)。

式中，0為真空磁導(dǎo)率；c為載液的相對磁導(dǎo)率；＝(p–c)/(p+2c)，p為磁性顆粒相對磁導(dǎo)率，為顆粒粒徑；0為外加磁場強度。對于單分散的磁性顆粒在磁場下的平衡狀態(tài)結(jié)構(gòu)由參數(shù)和分散相的體積分?jǐn)?shù)決定[39]。

當(dāng)磁流變液處于流動狀態(tài)時，顆粒的運動狀態(tài)（或流變性能）除了與磁性顆粒的體積分?jǐn)?shù)和相關(guān)外，還與另外一個量綱為1參數(shù)（即Mason數(shù)）相關(guān)。在穩(wěn)態(tài)剪切流動中，定義為作用在磁性顆粒上的流體動力學(xué)阻力和靜磁力的比值[42-44]，如式(2)。

其中，c為載液黏度，為剪切速率。值得注意的是，描述流體動力學(xué)阻力和靜磁力相對強弱的Mason 數(shù)也因為顆粒在不同場強下的極化規(guī)律不同而有所修正[27,43]。同時，流體動力學(xué)阻力與Brown熱運動的相對影響程度可由另一個量綱為1參數(shù)表示，顯然，和Mason數(shù)存在函數(shù)關(guān)系23。若忽略短程作用力的影響，例如Van der Waals力、摩擦力等，磁流變液的流變性能則可以由參數(shù)、分散相的體積分?jǐn)?shù)和決定。

MARSHALL等[45]通過引入Mason數(shù)來反映相對黏度隨磁場強度及剪切速率的變化，當(dāng)剪切速率增大時，值增大，磁流變液的相對黏度降低，出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象。此外，除較高Mason數(shù)的區(qū)段外，磁流變液的相對黏度可擬合為Mason數(shù)的冪函數(shù)：r∝–Δ，指數(shù)的變化范圍為0.89～1.0[46-47]。BECNEL等[48]用Mason數(shù)有效地分析了磁流變耗能器的旋轉(zhuǎn)剪切行為。

通常磁流變液非牛頓流的特性表現(xiàn)為擬塑性Bingham流體，即既有剪切稀化，又有屈服應(yīng)力。當(dāng)磁流變液的剪切應(yīng)力超過其屈服應(yīng)力時，磁流變液又以零磁場時的黏度流動；當(dāng)剪切應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力時，磁流變液作類似固體的運動。GINDER等[49]發(fā)現(xiàn)在較低磁場強度的區(qū)段磁流變液的屈服應(yīng)力和剪切彈性模量與2成正比；對較高的磁場強度每個顆粒的極化或接觸區(qū)出現(xiàn)局部飽和，此時屈服應(yīng)力與3/2成正比，而剪切彈性模量與成正比；當(dāng)磁場強度高至足以達(dá)到完全飽和時，所有顆粒都可視為偶極子此時屈服應(yīng)力和剪切彈性模量與磁場無關(guān)，而與磁飽和強度的平方2成正比。CHIN等[50]和PHULé等[51]的測量結(jié)果表明剪切屈服應(yīng)力與3/2成正比，與GINDER研究結(jié)果相符。

一般來說，通過提高磁性顆粒含量或磁場強度可以增強磁流變液的屈服應(yīng)力。但這將會導(dǎo)致磁流變液的零場黏度升高，磁流變器件質(zhì)量、尺寸增大，同時還會增加磁流變裝置的電力負(fù)荷。如何提升剪切屈服應(yīng)力一直是磁流變液的鏈化結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為研究熱點和重點，也是其有效應(yīng)用所必需解決的關(guān)鍵性問題，多年來科學(xué)界和工程界均在為此努力。

（1）基于雙粒度分布體系FOISTER[52]混合使用大、小兩種粒徑的磁性顆粒，大幅度地提高了磁流變液的屈服應(yīng)力，同時降低了其零場時的表觀黏度。大、小顆粒的粒徑比對磁流變增強效應(yīng)具有重要影響。GOLDEN等[53]提出當(dāng)分散相粒徑比為5～10時，更有利于增強剪切屈服應(yīng)力，KITTIPOOMWONG等[54-55]對雙粒度分布的磁流變液增強效應(yīng)機理進行了研究，認(rèn)為加入小粒徑的磁性顆粒有利于形成更強的鏈狀結(jié)構(gòu)，從而提高了磁流變液的動態(tài)屈服強度。

（2）基于非球狀磁性顆粒一般為了減小顆粒間磨損，宜選用球形磁性顆粒作為分散相。但是與球形顆粒相比，基于桿狀或片狀的磁性顆粒的磁流變液表現(xiàn)出更大的磁流變響應(yīng)特征和良好的沉降穩(wěn)定性[56-57]。DE VICENTE等[47]以桿型磁性顆粒作為分散相制備了磁流變液，它比傳統(tǒng)的球形顆粒基磁流變液具有更高的儲能模量以及屈服應(yīng)力。李海濤等[58]建立了桿形顆粒磁流變液的剪切屈服應(yīng)力模型，通過分析摩擦和顆粒尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)增大顆粒摩擦系數(shù)和顆粒細(xì)長比能有效提高磁流變材料的剪切屈服應(yīng)力。

（3）基于高飽和磁化強度的磁性顆粒 YANG等[38]在水介質(zhì)下合成了多種鐵合金的納米顆粒，通過調(diào)節(jié)乙醇在反應(yīng)介質(zhì)中的體積分?jǐn)?shù)，得到了平均直徑在17～35nm的Fe-Co-B合金顆粒，在實驗中制得的4種納米合金顆粒中，F(xiàn)e-B合金顆粒具有最高的磁飽和強度。ARIEF和MUKHOPADHYAY[59]通過硼氫化還原法制備了鐵鈷合金粒子，具有較高的磁導(dǎo)率，所制備的磁流變液表現(xiàn)出較高的磁流變 響應(yīng)。

（4）基于擠壓模式下的工作特性TANG等[60-61]通過沿磁場方向擠壓固化的磁流變液，使其屈服強度達(dá)到800kPa。張先舟等[62]利用磁流變液擠壓模式下的工作特性制造了一套柔性夾具樣機，他指出通過壓縮作用，減小了相鄰顆粒間的距離，使得磁性偶極力作用增強，從而提高了磁流變液的剪切屈服應(yīng)力。SARKAR等[63]基于擠壓增強技術(shù)設(shè)計了剪切式磁流變液制動器，結(jié)果表明：磁流變液的剪切屈服應(yīng)力能夠提高一個數(shù)量級。

此外，使用磁性液體作載液[64-66]、添加磁性粒子[67-68]以及非磁性粒子[69-71以及通過電磁場協(xié)同作用[72]等也可以增強在磁流變液中的屈服應(yīng)力。

當(dāng)懸浮顆粒間存在較強作用或懸浮介質(zhì)有較強的結(jié)構(gòu)時，磁流變液還表現(xiàn)出黏彈性。磁流變材料顆粒鏈組成的網(wǎng)絡(luò)在受到剪切時，鐵磁粒子發(fā)生錯動和松弛，使能量耗散而產(chǎn)生阻尼效應(yīng)。目前，經(jīng)常采用在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下發(fā)生滯后現(xiàn)象和力學(xué)耗散，來研究黏彈性材料的阻尼效應(yīng)。分析黏彈性材料在交變應(yīng)力或應(yīng)變作用下的阻尼特性，對于減小振動、降低噪聲等工程實際應(yīng)用有很大幫助。

磁流變液在振蕩剪切模式下的動態(tài)力學(xué)性能是其重要的黏彈性指標(biāo)（儲能模最、損耗模量與損耗角等），同時也是研究磁流變材料微結(jié)構(gòu)機理的有效工具。MCLEISH等[73]建立了單鏈結(jié)構(gòu)模型，他們將鏈分為通鏈和支鏈結(jié)構(gòu)兩類。在小幅振蕩剪切下，通鏈在任一頻率下均作仿射運動，不發(fā)生弛豫現(xiàn)象。此時，磁流變液的儲能模量是磁場的函數(shù)，其變化與磁場強度的平方呈正比，而與頻率變化無關(guān)；鏈結(jié)構(gòu)中的自由支鏈的非仿射形變引起了能量的損耗，且損耗模量的變化與頻率相關(guān)。CLARACQ等[74]定義了一個用來區(qū)分黏彈性材料微結(jié)構(gòu)破壞轉(zhuǎn)折點的臨界應(yīng)變幅值γc。根據(jù)該定義，如果應(yīng)變幅值小于γc，材料是穩(wěn)定的而且其微結(jié)構(gòu)尚未被破壞，因此從零到應(yīng)變幅值γc區(qū)間被認(rèn)為是線性黏彈性區(qū)間。根據(jù)該準(zhǔn)則，多數(shù)磁流變液在外加磁場作用下應(yīng)變幅值的線性黏彈性區(qū)間小于0.1%。磁場對磁流變材料的動態(tài)力學(xué)性能有很大的影響[75-76]，理想的磁流變材料應(yīng)該同時具備較高的相對磁流變效應(yīng)和磁致儲能模量，根據(jù)報道，磁流變液的磁致儲能模量可達(dá)1MPa以上[77]。

增大應(yīng)變幅值，磁流變液的力學(xué)特性會由線性黏彈性轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性黏彈性，高階諧波也同時出現(xiàn)，這也就意味著磁流變液進入了屈服階段，材料的動態(tài)力學(xué)性能會發(fā)生巨大的變化，且動態(tài)力學(xué)性能的物理含義也不同于材料在線性黏彈性區(qū)間內(nèi)時的定義[78]。LI等[79]和CLARACQ等[74]分別研究了磁流變液在大振幅振蕩剪切和旋轉(zhuǎn)剪切模式下的非線性黏彈性行為，并指出其非線性來自于微結(jié)構(gòu)的改變。KUZHIR等[80]研究了纖維狀顆粒磁流變液在振蕩剪切下的非線性黏彈性響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著剪切應(yīng)變增大，磁流變液的剪切模量逐漸減小，并且出現(xiàn)兩處平臺區(qū)域，這磁流變液微觀結(jié)構(gòu)重排有關(guān)；他們還發(fā)現(xiàn)剪切模量與激勵頻率在低頻區(qū)存在冪律關(guān)系。

由于磁流變液黏彈性獨特的磁場相關(guān)性，對于磁流變材料黏彈性的研究引起了人們極大的興趣，一方面從現(xiàn)實使用角度考慮，磁流變器件多處于振蕩剪切模式下運行，即磁流變液的動態(tài)流變性能更接近于工程應(yīng)用；另一方面通過研究微結(jié)構(gòu)演化和黏彈性之間的關(guān)系也有助于深入理解磁流變機理。

2.3 穩(wěn)定性

磁流變液屬于固液二相流體，由于磁性顆粒與載液之間較大的密度差以及顆粒的高表面能等客觀存在的特征，使得磁流變液成為熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，隨著時間變化，固體顆粒的聚集和沉降將不可避免。懸浮相粒子的沉降可分為兩個方面：一是磁性顆粒相互接觸過程中，在Van der Vaals力作用和靜磁作用下團聚長大，進而發(fā)生聚沉現(xiàn)象；二是磁性顆粒在自身重力下發(fā)生沉降。關(guān)于磁流變液的穩(wěn)定性研究，多認(rèn)為是懸浮液的“分散穩(wěn)定性”，表現(xiàn)為體系中單位體積的顆粒數(shù)量在很長一段時間內(nèi)保持不變。分散性好，表現(xiàn)為顆粒間的斥力作用較大，顆粒不會發(fā)生團聚而沉降。通過添加表面活性劑[81-84]、采用高分子包覆[85-88]和具有殼-核結(jié)構(gòu)的羰基鐵復(fù)合顆粒[89-90]等手段均在一定程度上改善了磁流變液的分散穩(wěn)定性。

對于低濃度的磁流變分散體系，其沉降性能符合Stocks沉降理論，通過減小磁性粒子的粒徑、降低粒子與基液的密度差以及提高基液黏度的方法均可在一定程度上改善沉降穩(wěn)定性能。隨著顆粒濃度增大，顆粒的沉降規(guī)律不服從Stocks定律，主要原因有兩點：首先實際應(yīng)用的分散相顆粒尺寸是多分散的，質(zhì)點濃度增大，小顆粒尺寸的微小質(zhì)點所占比例相應(yīng)增大。由于微小質(zhì)點沉降慢，粗大質(zhì)點沉降快，粗大質(zhì)點下沉過程中不斷與微小質(zhì)點發(fā)生碰撞，質(zhì)點間碰撞的概率增多影響了定向下沉速度，這就是實際沉降速度偏離Stocks定律的所謂“多粒子效應(yīng)”[91]。其次對于高質(zhì)點濃度的分散體系，顆粒間相互作用距離縮短，質(zhì)點間相互作用增強，顆粒存在堆積效應(yīng)，使體系分散結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。

在磁流變液的微觀體系中，能導(dǎo)致顆?；ハ嗑奂囊蛩赜蟹兜氯A力和靜磁相互作用，而阻礙顆粒相互聚集的因素有布朗運動、靜電斥力、碰撞排斥力和空間位阻效應(yīng)。磁性顆粒尺寸、顆粒形狀和含量以及添加劑能影響顆粒間相互作用力的大小，進而改變懸浮液結(jié)構(gòu)。LóPEZ-LóPEZ等[29]和BELL等[92]采用纖維狀或棒狀的磁性材料作為分散相改善了磁流變液沉降問題以及磁流變性能。在磁流變液中加入觸變劑，如有機黏土[93-95]、氣相二氧化 硅[96]、硅酸鎂鋰等[97]，由于氫鍵作用觸變劑在整個體系中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在一定程度上可以有效減緩顆粒的沉降，將磁流變液的硬沉淀轉(zhuǎn)化為軟沉降。在磁流變液中加入納米顆粒[98-100]，使得彌散的微米級顆粒之間的空間位阻效應(yīng)增大，同時，納米粒子本身的布朗運動，消耗了磁性顆粒的動能，對磁性粒子的沉降起到一定的阻礙作用，提高了磁流變液的穩(wěn)定性。另外，與球形顆粒添加劑相比，纖維狀和片狀的非磁性顆粒具有更好的抗沉降效 果[101-104]，如碳納米管、層狀石墨、納米纖維等材料。ASHOUR等[105]用軟、硬磁顆?；旌系姆椒▉碇苽浯帕髯円海梢缘玫捷^好的穩(wěn)定性。軟磁材料表現(xiàn)出鐵磁性并有較大的飽和磁化強度，但是沒有多少剩磁或矯頑力。硬磁材料有較高的剩磁和矯頑力，如針狀細(xì)小的CrO2吸附在羰基鐵顆粒的表面，使合成的液體有高的穩(wěn)定性，并能提高在外加磁場情況下的流變性。圖1為4種常用提高磁性顆粒穩(wěn)定性的方法。

圖1 4種常用提高磁性顆粒穩(wěn)定性的方法

分散介質(zhì)也會影響懸浮液的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。對于水基磁流變液，磁性顆粒在分散介質(zhì)中形成雙電層結(jié)構(gòu)，因此可以增大顆粒的雙電層厚度[108-110]，增加顆粒間的靜電斥力來阻止顆粒的團聚。而在非極性或a—磁性顆?；瘜W(xué)吸附單分子層碳氟硅烷[106]；b—單壁碳納米管在羰基鐵顆粒上的吸附[109]；c—殼-核結(jié)構(gòu)的硅包覆羰基鐵顆粒[107]；d—PMMA聚合物包覆磁性顆粒[85]弱極性介質(zhì)中，顆粒表面難以獲得電離電荷，使得靜電斥力作用甚微。因此，表面活性劑對油基磁流變懸浮液體的穩(wěn)定性取決于固-液界面分子構(gòu)型所產(chǎn)生的空間位阻效應(yīng)。另外，將離子液體作為載液制備出的磁流變液表現(xiàn)出良好的沉降穩(wěn)定性[111]。

2.4 再分散性

磁性顆粒被浸入液體介質(zhì)時，顆粒間存在兩種不同的狀態(tài)：一種是顆粒彼此之間由于為Van der Waals力和靜磁力吸引作用發(fā)生團聚行為，形成團聚體，使單個顆?！伴L大”成為二次顆粒；另一種情況是顆粒之間由于空間位阻、雙電層靜電斥力以及熱運動等而相互排斥，形成穩(wěn)定分散的懸浮液。在常溫下，分散于液體中的鐵磁顆粒，若能因布朗運動來抗衡由于靜磁相互作用而使微粒團聚的發(fā)生，要求固相顆粒的尺寸要盡可能的?。ㄨF磁顆粒直徑的上限約為3nm[112]），才能對液體分子的碰撞作出響應(yīng)。隨著時間變化，固體顆粒將不可避免地聚集和沉降，形成緊密堆積的硬塊，很難再分散，導(dǎo)致體系物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，直接影響其力學(xué)強度和正常使用要求。

對大多數(shù)應(yīng)用而言，磁流變液的沉降可以通過磁流變器件本身的運動，如阻尼器中活塞的往復(fù)運動、制動器中制動盤的剪切作用，使分層的磁流變液重新分散混合，恢復(fù)均勻狀態(tài)。但是，若發(fā)生沉降后的磁性顆粒結(jié)塊成團，則即使強力攪拌，也不能使顆粒再次均勻地分散到載液中，從而失去流動性以至使磁流變液失去應(yīng)用價值。因此，磁流變液沉降后再分散的難易程度將成為制約材料應(yīng)用的一個關(guān)鍵指標(biāo)。

再分散性是指已產(chǎn)生一定沉降分層的磁流變液，在外場激勵下，懸浮相顆粒重新起浮的速率和程度情況。美國匹茲堡大學(xué)的 PHULé等[113]通過對磁性顆粒之間的磁吸引能和范德華力能的比較計算發(fā)現(xiàn)，即使非常小的剩磁都會使磁流變液二次懸浮性能大大降低，他們提出了提高磁流變液二次懸浮性能又不損失最大屈服應(yīng)力的最好辦法是添加可在磁性顆粒表面形成一定厚度包覆層的添加劑，因為包覆層可以同時屏蔽磁相互作用和范德華力。LóPEZ-LóPEZ等[96,99]發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)放置下，表面活性劑和觸變劑可有效提高磁流變液的沉降穩(wěn)定性。但是觸變劑粒子與磁性顆粒相互作用以及顆粒表面性質(zhì)的變化會使磁流變液的沉淀物變得更加致密，導(dǎo)致磁流變液的再分散性變差。IGLESIAS等[114]研究了雙分散體系磁流變液的再分散性能，發(fā)現(xiàn)磁性納米粒子可以減弱大顆粒間的短程吸引力作用，從而形成軟沉降狀態(tài)。

由于顆粒的結(jié)團沉降是一個漫長過程，而沉淀在激勵下是否能夠再次恢復(fù)到原來狀態(tài)，是一個非常模糊的概念，這就使得如何表征磁流變液的二次懸浮性能變得尤為重要。目前關(guān)于磁流變液再分散性能的表征和評估，并沒有一致公認(rèn)的性能指標(biāo)和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測試方法，主要是通過對樣品板結(jié)情況的觀察和QXP型刮板細(xì)度計測量，或借用顏料沉降的ASTM評級法等進行定性表征[115-117]。目前再分散性評價研究多集中在已沉降完全的磁流變液樣品上，對沉降過程中材料的再分散性問題研究 較少。

2.5 摩擦學(xué)性能

磁流變液使用過程中不僅要作為一種磁性功能液體，發(fā)揮磁流變效應(yīng)，而且還要對運動部件實施潤滑[118]。而在磁流變器件中相互滑動的兩接觸表面其摩擦間隙遠(yuǎn)小于顆粒粒徑，流體動壓潤滑條件不再適用。另一方面，與傳統(tǒng)固體潤滑劑干粉，通過表面的黏附，或顆粒的變形承載和低剪切應(yīng)力實現(xiàn)潤滑的方式不同，磁流變液中懸浮相通常是鐵粉，對于常用的鐵磁性顆粒，屬于強黏附材料，剪切強度較高，磁性顆粒在磁流變器件中存在相當(dāng)嚴(yán)重的自磨損和對器件壁面的磨損。

一般來說磁流變器件中大多數(shù)相互接觸的滑動表面是在無場或弱磁場條件下運行的，因而目前多數(shù)研究集中在零場條件下的磁流變液摩擦磨損問題。傳統(tǒng)的邊界潤滑通常在摩擦區(qū)域會遇到少量的磨屑，而在磁流變液中相對較軟的磁性顆粒含量較高（10%～70%），這將使?jié)櫥瑓^(qū)域的摩擦磨損問題變得復(fù)雜，需要考慮更多的變量因素，如壓力、滑動速度、粒子濃度、表面粗糙度、摩擦副材料以及基液類型等。WONG和BULLOUGH等[119-121]在這方面做了大量基礎(chǔ)性和探索性的工作，他們采用環(huán)塊摩擦副考察了無場條件下粒子濃度、試驗參數(shù)等對磁流變液摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)高濃度的磁流變液表現(xiàn)出良好的抗磨性能，并指出極壓條件下，羰基鐵顆粒被碾壓成片狀，在摩擦副表面形成保護層，減小了磨損。LEE等[122]在磁流變液中加入摩擦改進劑，利用銷盤試驗機比較了商用磁流變液與自制磁流變液在磁場下的摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明含有添加劑的磁流變液在高壓低轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)出更好的潤滑性能。BOMBARD等[123]考察了磁流變液在點接觸下的彈性流體潤滑性能，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)油黏度對摩擦系數(shù)有重要影響。在邊界潤滑條件下，他們還研究[124]了6種不同類型羰基鐵磁流變液的摩擦學(xué)性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面包覆無定形硅的羰基鐵磁流變液具有良好的抗磨減摩性能。最近，BOMBARD采用離子液體作為分散介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)離子液體基磁流變液的摩擦磨損性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的聚α-烯烴基磁流變液[125]。

以上研究均是在無場條件下進行的，此時磁流變液中的磁性顆粒無規(guī)則地懸浮在載液中，而在磁場作用下，磁性顆粒被極化，呈鏈狀排列，磁流變液的黏度將發(fā)生很大的變化，使得磁流變液在有場下的摩擦狀態(tài)與無磁場時有明顯不同。SONG等[126]利用銷盤摩擦磨損試驗機考察了磁場作用下的磁流變液的摩擦磨損行為，實驗結(jié)果顯示與零場下相比，磁場作用下的磁流變液表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能。SHAHRIVAR等[127]比較了磁流體和磁流變液在零場和磁場下的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)磁流體表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩性能。晏華課題組[128-131]利用四球摩擦副研究了磁流變液在不同磁場作用下的摩擦磨損性能，并研究了各組分對磁流變液摩擦學(xué)性能的影響，指出磁性顆粒破壞了基礎(chǔ)油油膜的連續(xù)性，是導(dǎo)致其潤滑性能下降的首要原因。發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)油類型及其黏度決定著磁流變液的摩擦性能；外加磁場時，磁流變液的摩擦系數(shù)隨磁場強度的增加而增大，而且具有可逆性。

3 工程應(yīng)用探索

磁流變液的應(yīng)用基礎(chǔ)是依據(jù)本身具有的特性和流體可被磁力控制流動與變形所產(chǎn)生的結(jié)果。

（1）振動控制 磁流變液的表觀黏度在磁場的調(diào)控下可以發(fā)生幾個數(shù)量級的變化，表現(xiàn)出典型的磁流變效應(yīng)。利用磁流變液在磁場下其流變性能的變化，可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的剛度，從而改變振動的固有頻率，達(dá)到阻尼、減震的目的。利用磁流變液通過不同間隙流道所產(chǎn)生的阻尼力，并通過外加磁場進行調(diào)節(jié)，磁流變阻尼器[132]和減震器[133]已成功應(yīng)用于汽車機械和土木工程領(lǐng)域。

（2）密封 利用外磁場將磁流變液固定在運動件與固定件間的間隙處，可以起到密封的作用。磁流變液密封裝置具有密封性能好，使用壽命長，效率高，器件無磨損，無方向性密封等優(yōu)點[134]。日本的TOYOHISA等[135]將磁流變液用于動密封技術(shù)，發(fā)現(xiàn)磁流變液密封件的沖破壓力與磁性顆粒大小、母液黏度、體積分?jǐn)?shù)及磁場強度成正比關(guān)系。

（3）精密拋光 磁流變拋光液處于拋光磨頭和工件表面的間隙處，在梯度磁場作用下流變性能發(fā)生變化，磁流變拋光液在工件表面的接觸區(qū)域處產(chǎn)生較大的剪切力，從而實現(xiàn)工件表面的精密拋 光[136]。磁流變拋光能夠獲得質(zhì)量很高的光學(xué)表面，易于實現(xiàn)計算機控制，并且去除效率高。KIM等[137]研制了磁流變拋光裝置，并利用裝置對BK7玻璃進行大量的基礎(chǔ)試驗，獲得了表面粗糙度為Ra 3.8nm的光滑表面。

（4）傳動 磁流變制動器[138]和離合器[139]基于磁流變液的流變效應(yīng)，以磁流變液為動力傳遞介質(zhì)，通過調(diào)節(jié)外加磁場強度，以改變磁流變液的剪切屈服應(yīng)力，進而調(diào)節(jié)傳遞轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速的大小，具有高轉(zhuǎn)矩、高輸出、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時間短、運行功率小、節(jié)能等優(yōu)勢。

（5）柔性夾具 基于磁流變效應(yīng)和流動性，能夠快速地適應(yīng)不同幾何形狀零件的裝夾要求，對不斷變化的零件的裝夾需求能作出快速響應(yīng)，以滿足加工要求的新型夾具。中國科技大學(xué)的張先舟等[62]設(shè)計制做了基于磁流變液的柔性夾具，并對磁流變液的擠壓增強效應(yīng)進行理論和實驗研究。

相對其他器件，磁流變液器件具有以下優(yōu)點：①控制和調(diào)節(jié)具有連續(xù)變化的性能，可以進行精確的實時控制；②主要工作構(gòu)件不易磨損、工作壽命長；③結(jié)構(gòu)簡單，工作柔和、噪音低，響應(yīng)速度快；④控制需要的能耗低，易于與計算機技術(shù)相結(jié)合，形成智能化的控制。

除此之外，磁流變液在熱傳導(dǎo)[140-141]，聲音傳播[142]，各向異性自組裝[143]，化學(xué)傳感器[144]和生物醫(yī)學(xué)[145-146]等領(lǐng)域也都有著廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)論與展望

4.1 流體-黏彈體-類固體連續(xù)變化的磁流變材料體系

無論從基礎(chǔ)研究還是實際應(yīng)用的角度考慮，具備高磁致效應(yīng)和穩(wěn)定性的磁流變材料都具有十分誘人的價值。根據(jù)磁流變材料在無外加磁場條件下的物理狀態(tài)，目前可將磁流變材料大致分為具有流體特征的磁流變液、磁流變膠（magnetorheological gel）[147]和磁流變?nèi)榛海╩agnetorheological emulsion）[148]；具有類固體特征的磁流變脂（magnetorheological grease）[149]、具有固體特征的磁流變泡沫（magnetorheological foam）[150]和磁流變彈性體（magtietorheological elastomer）[151]。這些磁流變材料都是從提高性能和穩(wěn)定性的角度出發(fā)，選用不同種類基體而設(shè)計出來的，例如，磁流變脂和磁流變彈性體解決了磁流變液的沉淀和密封等問題，磁流變泡沫由于特殊多孔結(jié)構(gòu)的存在，具有重量輕、磁流變效應(yīng)可調(diào)和、吸音性能良好等諸多優(yōu)點。但是需要說明的一點是，不同基體的磁流變材料其工程應(yīng)用范圍也不同，例如，磁流變液的應(yīng)用主要是在材料屈服后及流動階段，鐵磁性顆粒在磁流變液中的鏈狀結(jié)構(gòu)可以反復(fù)破壞再形成，剪切屈服強度可以通過改變外加磁場來控制。而對于磁流變彈性體的應(yīng)用只能工作在其屈服階段前，達(dá)到屈服點以后，磁流變彈性體基體以及鐵磁性顆粒形成的鏈狀結(jié)構(gòu)就可能會被破壞且無法恢復(fù)。由此可知基體對磁流變材料的性能與應(yīng)用有很大的影響，選擇合適的基體對于制備不同物理狀態(tài)的磁流變材料十分重要。作者認(rèn)為通過選用新型的基體材料，并基于基體的特性制備出從流體到彈性體連續(xù)變化的高性能磁流變材料體系，拓展其應(yīng)用范圍將是一項值得期待的工作。

4.2 磁流變液的結(jié)構(gòu)流變學(xué)

結(jié)構(gòu)流變學(xué)是研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與宏觀流變性質(zhì)關(guān)系的科學(xué)。兩個牛頓流體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)變了，可以還是牛頓流體，只是黏度變了，其結(jié)構(gòu)的變化只反映在唯一的參數(shù)黏度中。磁流變液中組分和微結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，影響其性能的因素也多種多樣，其結(jié)構(gòu)變化能使懸浮液表現(xiàn)出復(fù)雜的流變行為。通過磁流變液宏觀上表現(xiàn)出來的流動性能能夠反應(yīng)出懸浮液的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。流變性和磁流變液結(jié)構(gòu)的關(guān)系表現(xiàn)為如下兩個方面：①磁流變液微弱的結(jié)構(gòu)變化會表現(xiàn)出完全不同的流變特性；②流變性表現(xiàn)出來的宏觀參數(shù)能夠了解懸浮液內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息。故通過磁流變液的結(jié)構(gòu)流變學(xué)研究，深入研究各個因素對體系結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響，從結(jié)構(gòu)與流變學(xué)數(shù)據(jù)的積累、概念性模型的歸納與動力學(xué)模型和數(shù)值模擬等，弄清物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)與其變形性質(zhì)及流變常數(shù)的關(guān)系及各組成間相互作用的規(guī)律，進而可以為設(shè)計性能良好的磁流變液提供理論指導(dǎo)。

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A review on magnetorheological fluid：properties and applications

YANG Jianjian，YAN Yua，DAI Jun，ZHANGHansong

（Department of Chemistry and Material Engineering，Logistic Engineering University，Chongqing 401311，China）

Magnetorheological fluid is a type of smart material which exhibits fast（less than milliseconds），continuous，reversible changes in their rheological properties with low power requirement. These outstanding properties make them very promising for applications in machinery，automobile，precision machining，and active control engineering. Based on the latest research achievements，this paper reviewed the characteristic and application of magnetorheological fluid and discussed the problems that need to be resolved. The conceptual definition of magnetorheological fluid was conducted from the aspect of complex fluid，smart fluid，and structured fluid，respectively. Special emphasis is paid to the understanding of their magnetization，rheology，stability，redispersibility，and tribology performance of MRF. Finally，the future developments of magnetorheological fluid are also presented from the view of physical state and structural rheology.

magnetorheological fluid；colloid；rheology；stability

TB381

A

1000–6613（2017）01–0247–14

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.01.031

2016-06-06；修改稿日期：2016-06-17。

國家科技支撐計劃項目（2012BAF06B04）。

楊健健（1989—），男，博士研究生，從事磁流變材料研究。聯(lián)系人：晏華，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事功能高分子材料和智能材料研究。E-mail：yanhuacq@sina.com。