方啟波， 羅一平， 王世成， 宋世崇

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620)

磁流變液(magnetorheological fluid，MRF)是一種含有非膠質(zhì)體極細(xì)顆粒的穩(wěn)定懸浮液，主要由微米級的磁性顆粒、各種添加劑以及非磁性基液組成[1]。磁流變效應(yīng)具有速度快、可逆和范圍廣等良好特點，且磁流變液工作裝置結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配、能耗低，所以磁流變液已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、建筑結(jié)構(gòu)振動控制和軍工等領(lǐng)域以及車輛的減振、剎車、離合和高精度拋光等場合[2-5]。目前國外Lord公司在磁流變液的研究上一直走在前列，已經(jīng)擁有了成熟的磁流變液商業(yè)化產(chǎn)品。

由于磁流變液多是用在阻尼器、傳動裝置等存在摩擦和壓力的場合，且很多器件使用的是電磁發(fā)生裝置，不可避免地會產(chǎn)生熱量，這些原因?qū)е麓帕髯円汗ぷ鳝h(huán)境溫度存在一定的復(fù)雜性，所以有必要對磁流變液溫度特性展開研究。田祖織等[6]對磁流變傳動裝置溫度場進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熱變形對傳動影響較大，隨著溫度的升高，磁流變液的動屈服應(yīng)力呈下降趨勢。高春甫等[7]搭建了流變測試平臺，測量溫度在不同磁場強(qiáng)度下對剪切應(yīng)力的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，磁場強(qiáng)度越大時剪切應(yīng)力下降越快。Wang等[8]研究了磁流變液經(jīng)過高低溫循環(huán)后剪切屈服應(yīng)力的變化情況，發(fā)現(xiàn)磁流變液經(jīng)過低溫—高溫—低溫循環(huán)后，最后的剪切屈服應(yīng)力小于最初的剪切屈服應(yīng)力。

溫度的變化會影響磁流變液的相關(guān)性能，為了研究溫度的影響機(jī)理，首先根據(jù)磁流變液在工作過程中的發(fā)熱機(jī)理，找到其發(fā)熱的根本原因，才能更好地掌握磁流變液工作過程中的溫度變化情況。其次，要研究溫度上升后對磁流變液微宏觀性能的影響以及減振和傳動裝置的工作變化情況。筆者基于以上兩方面研究現(xiàn)狀，闡述了磁流變液發(fā)熱機(jī)理和溫度對磁流變液裝置相關(guān)性能影響，為磁流變液的進(jìn)一步研究提供一定的指導(dǎo)。

1 磁流變液工作發(fā)熱機(jī)理

根據(jù)磁流變液的工作模式與場景的不同，磁流變液中熱量產(chǎn)生的來源主要有以下幾部分：①使用電磁鐵作為磁場發(fā)生裝置時，電磁線圈通電產(chǎn)生熱量；②在減振和傳動裝置工作過程中，裝置零部件之間、磁流變液內(nèi)部以及磁流變液與裝置之間的摩擦產(chǎn)生熱量；③外界環(huán)境、磁熱效應(yīng)和壓強(qiáng)等方面的影響也會產(chǎn)生一定的熱量。

1.1 電磁生熱

電磁鐵是絕大多數(shù)磁流變減振傳動設(shè)備的磁場發(fā)生裝置[9]，并且將線圈置于磁流變液內(nèi)部以減少磁場泄漏[10]，這樣導(dǎo)致線圈產(chǎn)生的熱量直接傳至磁流變液。當(dāng)需要提供更大的剪切應(yīng)力時，將給線圈通更大的電流，導(dǎo)致更多熱量的產(chǎn)生。由于線圈產(chǎn)生的熱量在磁流變裝置內(nèi)部，并且是源源不斷的，所以對于磁流變液而言，線圈產(chǎn)生的熱量是其溫度升高的重要原因。

1.2 摩擦生熱

在磁流變減振、離合和傳動等裝置中，除了有密閉性等要求，還因活塞與缸筒、傳動軸與軸承之間的工差配合要求高，因此在工作過程中會發(fā)生摩擦并產(chǎn)生大量的熱量。此外，在傳動裝置啟動、調(diào)速或者由于打滑等失效情況所發(fā)生的滑差，也會產(chǎn)生熱量。王建等[11]有限元分析了磁流變傳動裝置在不同滑差功率下的溫度情況，結(jié)果表明滑差功率越大，傳動裝置溫度就越高，傳動裝置可正常運行的時間越短。Wang等[12]研究了磁流變液促動器溫度隨加載時間與滑移功率變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)加載時間與滑移功率越大，促動器溫度越高，滑移功率越大，溫度上升得越快。

磁流變液的工作模式主要有流動、剪切和擠壓[13]，如圖1所示。在流動狀態(tài)時，磁流變液黏度較小，磁流變液內(nèi)部磁性顆粒粒子間存在的碰撞、摩擦作用力比較小，所以產(chǎn)生的熱量相對較少，幾乎可以忽略；在剪切模式下，由于外加磁場的作用，磁性顆粒均按照磁場方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)[14]，而磁流變液在剪切過程中，磁性顆粒鏈不斷地被切斷并重組[15]，所以會導(dǎo)致磁性顆粒之間的強(qiáng)有力的碰撞與摩擦，從而產(chǎn)生大量的熱量；擠壓工作模式[16]中施加的外部作用力與磁場方向平行，垂直作用到極板上，在磁場作用下形成的磁鏈?zhǔn)艿絹碜詷O板的擠壓，使得顆粒之間的作用力增大，從而導(dǎo)致顆粒之間、顆粒與載液之間的摩擦更加劇烈，產(chǎn)生更多的熱量。

圖1 磁流變液工作模式

除上述現(xiàn)象會產(chǎn)生熱量外，磁流變液與其接觸的壁面之間的摩擦也會產(chǎn)生熱量。在磁流變減振器中，磁流變液在活塞的往復(fù)運動中不斷與活塞和缸筒壁面之間發(fā)生摩擦[17]；在磁流變傳動裝置中，磁流變液與主、從動軸以及周圍壁面之間發(fā)生摩擦[18]。并且磁流變液在工作過程中可能會發(fā)生壁面滑移現(xiàn)象[19]，也會導(dǎo)致熱量的產(chǎn)生。

摩擦生熱是磁流變液溫度升高的主要原因，在3種工作模式中，剪切模式下磁性顆粒鏈的不斷切斷和重組，顆粒鏈之間、顆粒鏈和壁面之間不斷地發(fā)生摩擦，所以會產(chǎn)生更多的熱量；另外如果磁流變裝置滑差太大，也將導(dǎo)致磁流變液熱量明顯變化。

1.3 磁熱效應(yīng)與壓強(qiáng)的影響

磁熱效應(yīng)是指磁性材料在外加磁場變化時溫度發(fā)生相應(yīng)變化的物理現(xiàn)象[20]。如圖2所示，磁矩在沒有磁場時是無序的，施加磁場后變成有序，磁熵S減小，溫度T升高；當(dāng)撤去磁場，磁性粒子發(fā)生熱運動，導(dǎo)致其磁矩由有序變?yōu)闊o序，磁熵增大，溫度降低[21-22]。所以在磁場增大的過程中，磁性顆粒溫度會隨之升高。

圖2 磁熱效應(yīng)

壓強(qiáng)的影響主要是指當(dāng)磁流變液在承受外界壓力時，磁性顆粒之間和磁性顆粒與接觸壁面之間的作用力增大，導(dǎo)致顆粒和壁面的劇烈摩擦，從而產(chǎn)生熱量，主要發(fā)生在擠壓模式中。

雖然磁熱效應(yīng)會給磁性顆粒帶來一定的熱量変化，但對于磁流變液溫升而言其貢獻(xiàn)并不是很大，而壓強(qiáng)的作用主要在擠壓狀態(tài)下發(fā)生，在其他工作模式下并不是磁流變液熱量主要來源。

2 溫度對磁流變液性能的影響

根據(jù)磁流變液的組成，先分析磁流變液各個組成成分的溫度特性，再研究溫度對磁流變液黏度、流變特性等方面的影響。

2.1 溫度對磁流變液組成成分的影響

磁流變液主要由磁性顆粒、添加劑和載液3部分組成[23]，隨著磁流變液溫度的升高，各個組成部分的相關(guān)性質(zhì)會發(fā)生一定的改變，進(jìn)而影響磁流變液宏觀性能。

2.1.1 磁性顆粒

磁性顆粒是磁流變液的重要組成部分，對磁流變液的流變特性影響顯著。理想的磁性顆粒應(yīng)該具有較大的磁飽和強(qiáng)度和磁導(dǎo)率[24]。但是，隨著溫度的上升，磁性顆粒的磁化率、磁化強(qiáng)度和矯頑力等方面會發(fā)生變化，當(dāng)溫度上升到一定程度時，顆粒表面氧化也將嚴(yán)重影響磁流變液的性能。

磁化率χ是用來衡量材料磁化性能的物理量：

(1)

式中：M為顆粒磁化強(qiáng)度，A/m；H為磁場強(qiáng)度，kA/m。

對于鐵磁性材料來說，溫度越高，磁化率越小，一旦溫度超過材料的居里溫度，磁體內(nèi)部分子劇烈運動并出現(xiàn)退磁的現(xiàn)象，材料將從鐵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌槾艩顟B(tài)。滿足溫度變化規(guī)律的磁化率可使用居里-外斯定律表示：

(2)

式中：C為居里常數(shù)，與材料有關(guān)；T為熱力學(xué)溫度，K；Tc為材料的居里溫度，K。

陳飛等[25]20096研究了溫度對顆粒飽和磁化強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，飽和磁化強(qiáng)度下降幅度加快。Wang等[26]研究了溫度對羰基鐵顆粒的磁化強(qiáng)度、矯頑力的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，羰基鐵顆粒的磁化強(qiáng)度和矯頑力都有一定的下降。唐龍等[27]研究了鐵粉氧化情況，發(fā)現(xiàn)在300 ℃以下鐵粉抗氧化性良好，300 ℃以上鐵粉被嚴(yán)重氧化，因此為了防止磁性顆粒因氧化而失效，有必要限制磁流變液工作溫度范圍。

2.1.2 添加劑

磁流變液中添加劑在液體中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小，一般小于5%，但是添加劑對于改善磁流變液的性能起著重要的作用[28-30]。添加劑主要分為表面活性劑、潤滑劑、穩(wěn)定劑和觸變劑等，常用的有油酸、聚乙二醇、OP乳化劑、SiO2、石墨以及其他非離子型添加劑[31]。由于部分使用的添加劑是有機(jī)物，對溫度變化比較敏感，有的在100 ℃左右便會發(fā)生分解，甚至在經(jīng)過高、低溫循環(huán)后會使磁流變液不可逆稠化，從而影響磁性顆粒在磁場作用下的成鏈效果。因此需要根據(jù)磁流變器件工作的不同溫度工況和環(huán)境，選擇具有合適添加劑配方的磁流變液來滿足使用要求。

2.1.3 載液

載液是磁流變液的主要成分，其作用是使磁性顆粒均勻分散在其中而形成懸浮液[32]。一般而言，為了擴(kuò)大磁流變液工作溫度范圍，載液應(yīng)該具有凝固點低和沸點高的特點，并且具有適當(dāng)?shù)酿ざ?。硅油具有抗氧化能力?qiáng)、工作范圍寬和不易揮發(fā)等特點，所以被廣泛使用。

溫度對載液的影響主要是二方面：①溫度對載液黏度的影響，隨著溫度的升高，分子熱運動加劇，吸引力與內(nèi)摩擦減小，黏度下降，導(dǎo)致磁流變液的黏度也下降；②隨著溫度的升高，載液會表現(xiàn)出一定的膨脹性，導(dǎo)致磁流變液在工作過程中體積變大。張進(jìn)秋等[33]分別實驗研究了磁流變液體積隨溫度的變化情況，發(fā)現(xiàn)磁流變液在低溫時膨脹穩(wěn)定性良好，高溫穩(wěn)定性差。陳飛等[25]20097對硅油和硅油基磁流變液分別進(jìn)行了熱膨脹實驗研究，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)硅油和磁流變液膨脹趨勢基本一致，證明磁流變液在高溫下的膨脹主要由載液引起。所以當(dāng)磁流變液工作環(huán)境為密閉空間時，尤其要考慮工作過程溫升導(dǎo)致磁流變液體積增大帶來的影響。

2.2 溫度對黏度的影響

溫度會影響磁流變液的黏度，而黏度又會影響剪切應(yīng)力，進(jìn)而影響磁流變液的傳輸性能。為了得到磁流變液黏溫特性，不少研究者從理論和實驗兩方面對其進(jìn)行了研究。

理論方面主要是為了建立磁流變液黏度與溫度的數(shù)值變量關(guān)系，目前常用Arrhenius經(jīng)驗公式來描述黏溫特性：

η(T)=AeEa/RT。

(3)

式中：A為特定磁流變液的前因子；Ea為特定磁流變液的流動活化能，kJ/mol；R為摩爾氣體常數(shù)，J/(mol·K)；η為黏度，Pa·s。

根據(jù)相關(guān)研究，磁流變液在-40 ℃到120 ℃范圍內(nèi)黏溫變化曲線如圖3所示。黏度隨溫度的變化主要在-40～20 ℃范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)黏度隨溫度的升高顯著減??；在20～120 ℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高黏度基本不發(fā)生變化。分析認(rèn)為低溫時載液凝固并且隨著溫度升高逐漸溶解，而20 ℃之后磁流變液中的磁性顆粒和觸變劑之間形成復(fù)雜的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使黏度趨于穩(wěn)定。

圖3 磁流變液黏溫特性

Chen[34],Donado[35],Zschunke[36],McKee[37]等多位研究者都實驗研究了磁流變液黏度隨溫度的變化情況。研究表明磁流變液實際黏溫變化與Arrhenius經(jīng)驗公式描述的基本一致，但當(dāng)溫度高于120 ℃后，黏度會有所上升，這有可能是溫度太高使得載液揮發(fā)；添加劑分解導(dǎo)致磁流變液稠化。

2.3 溫度對剪切應(yīng)力的影響

剪切屈服應(yīng)力是評價磁流變液流變性能的主要指標(biāo)之一[38]。描述屈服應(yīng)力宏觀模型主要有Bingham模型、雙黏度模型、Eyring模型和Herschel-Bulkley模型等，但是在這些模型中都沒有給出溫度的影響規(guī)律，而溫度對磁性顆粒磁化強(qiáng)度和載液黏度等均有一定的影響，勢必會對剪切應(yīng)力造成影響。高春甫等[39]研究了磁流變液剪切屈服應(yīng)力的溫度特性，發(fā)現(xiàn)在低于17 ℃時剪切屈服應(yīng)力隨著溫度的上升而下降，17～150 ℃范圍內(nèi)剪切屈服應(yīng)力近似不變，溫度超過150 ℃時，磁流變液的剪切屈服應(yīng)力隨溫度的升高而下降。也有不少研究者從理論的角度綜合研究了磁場和溫度對剪切應(yīng)力的影響，并建立磁-溫耦合模型，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測磁流變液剪切應(yīng)力的變化情況。Sahin等[40]研究發(fā)現(xiàn)Herschel-Bulkley模型中的流體塑性黏度系數(shù)k(T)和流動特性指數(shù)n(T)均與溫度有關(guān)，為了描述磁流變脂的溫度動態(tài)特性，建立了包含溫度參數(shù)的Herschel-Bulkley模型。Liu等[41]使用改進(jìn)的Herschel-Bulkley模型預(yù)測磁流變液在零場和外加磁場時的流變特性，并根據(jù)磁流變液的微觀結(jié)構(gòu)，提出了一個預(yù)測屈服應(yīng)力的理論模型。

根據(jù)磁流變液黏溫特性的理論和實驗可知，盡量使磁流變液工作溫度范圍控制在20～120 ℃，對于溫度極低的地區(qū)，將導(dǎo)致磁流變液黏度顯著增大，甚至出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象；另外為了避免磁流變液的不可逆稠化，盡量避免磁流變器件長時間工作或工作溫度太高。雖然剪切應(yīng)力受外加磁場作用很大，但溫度對磁流變液剪切應(yīng)力的影響不可忽略，建立通用的剪切應(yīng)力的磁-溫耦合模型仍是研究重點。

2.4 其他方面

除了研究溫度對磁流變液流變性能的影響之外，不少研究者還研究了溫度對磁流變液其他性能的影響。Bica[42]研究了磁流變懸浮液在縱向磁場中的導(dǎo)電情況，在固定磁場下，溫度從300 K升高到400 K時，電導(dǎo)率提高了約96.8%。McKee等[43]實驗研究了溫度對磁流變液和可壓縮磁流變懸浮系統(tǒng)性能的影響，包括體積模量、剛度以及能量耗散等，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，降低了體積模量，壓縮了磁流變懸浮系統(tǒng)的剛度同時也減小了能量耗散。侯鵬[44]對不同溫度下(-25 ℃，25 ℃，60 ℃)磁流變液沉降性能進(jìn)行了研究并分析原因，發(fā)現(xiàn)沉降速度隨著溫度的升高而變快，分析認(rèn)為溫度升高導(dǎo)致分子運動加劇從而促進(jìn)了粒子的碰撞聚結(jié)以及破壞了粒子與添加劑之間的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而顆粒沉降加速。Hemmatian等[45]研究了溫度對磁流變液存儲模量和損耗模量的影響，發(fā)現(xiàn)在沒有外加磁場作用下，溫度對磁流變液儲能模量和損耗模量影響最大。

3 結(jié)語

在磁流變液工作過程中，熱量的來源有摩擦、電磁線圈發(fā)熱、磁熱效應(yīng)及擠壓等，磁流變液溫度升高后，磁性顆粒的磁化強(qiáng)度和磁化率有所下降，表面可能會發(fā)生氧化，此時添加劑和載液的穩(wěn)定性也會受到一定的影響。這是因為磁性顆粒磁化率的降低會導(dǎo)致外加磁場后顆粒成鏈效果變差，在溫度達(dá)到一定程度后，載液可能會揮發(fā)，添加劑發(fā)生分解。因此可以從配方入手尋找溫度穩(wěn)定性更好的材料來配置性能更好的磁流變液。

從宏觀角度看，溫度的變化對磁流變液黏度和剪切應(yīng)力會造成影響，黏度在一定溫度范圍內(nèi)基本遵循Arrhenius經(jīng)驗公式，但當(dāng)溫度升高到一定程度后，磁流變液將會發(fā)生不可逆的稠化；剪切應(yīng)力是磁流變液的一項重要指標(biāo)，為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測磁流變液剪切屈服應(yīng)力，包含溫度參數(shù)并且通用的剪切屈服應(yīng)力模型的建立是目前研究的重點。

為了保證磁流變液的性能穩(wěn)定，延長其使用壽命，可以選擇具有溫度穩(wěn)定性良好的磁性顆粒、添加劑和載液以及使用合適的磁流變液配方。當(dāng)磁流變液溫度升高不可避免時，有必要采取冷卻措施來維持磁流變液的溫度穩(wěn)定。