劉強(qiáng) 范吉慶 周強(qiáng) 韓偉 馬晶

摘 要：磁流變彈性體是將磁性顆粒（微米級）分散到聚合物彈性體中制備而成的一種磁控智能材料，其不僅擁有顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)異力學(xué)特性，還具備迅速、連續(xù)且可逆的磁控特性，在智能傳感、電磁屏蔽及緩沖減振等領(lǐng)域具有廣泛的前景。為了促進(jìn)磁流變彈性體及其振動控制技術(shù)的發(fā)展，綜述了磁流變彈性體的材料組成，制備方法?？偨Y(jié)了磁流變彈性體在振動控制領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及對應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：磁流變彈性體；材料組成；制備方法；振動控制

DOI：10.15938/j.jhust.2024.01.001

中圖分類號： TB381? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2024）01-0001-12

Research Progress of Magnetorheological Elastomers

and Their Vibration Control Applications

LIU Qiang1，2， FAN Jiqing1，2， ZHOU Qiang1，2， HAN Wei1，2， MA Jing1，2

（1Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Intelligent Technology， Ministry of Education，Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080;2The Lab of National and Local United Engineering for HighEfficiency Cutting & Tools， HarbinUniversity of Science and Technology， Harbin 150080）

Abstract：The magnetorheological elastomer is a magnetic control intelligent material that is prepared by the micron magnetic particles dispersed to the polymer elastomer， which not only has the excellent mechanical properties of the particle enhancement composite material， but also has the rapid， continuous and reversible magnetic control characteristics， which have broad application prospect in the field of buffer damping， intelligent sensing and electromagnetic shielding In order to promote the development of the magnetorheological elastomers and their vibration control technology， the materials of magnetorheological elastomers were reviewed， and the preparation methods were summarized The paper summarizes the research， application status and existing problems of magnetorheological elastomers in vibration control field At the same time， the propects of magnetorheological elastomers and their vibration control application are explored

Keywords：magnetorheological elastomer; material composition; preparation method; vibration control

0 引 言

由于材料學(xué)科的迅速發(fā)展，以智能材料為驅(qū)動的減振技術(shù)，為機(jī)械工程結(jié)構(gòu)振動控制提供了新的研究方向。

上世紀(jì)50年代，Rabinow等［1］首次發(fā)現(xiàn)并研制了磁流變液及其應(yīng)用裝置，但磁流變液的磁性顆粒易沉降等問題制約了磁流變液的發(fā)展。隨著材料學(xué)科的發(fā)展，磁流變材料的種類也逐漸豐富。目前，磁流變材料主要有磁流變液（magnetorheological fluid，MRF）、磁流變膠（magnetorheological gels，MRG）、磁流變塑性體（magnetorheological plastic，MRP）、磁流變泡沫（magnetorheological foam，MR foam）、磁流變彈性體（magnetorheological elastomers，MRE）等。

中國對磁流變材料的研究從上世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)多所高校相繼開始了磁流變材料的研究。其中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、重慶大學(xué)、南京理工大學(xué)、清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、吉林大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)等高校的科研團(tuán)隊(duì)都對MRE材料的制備和應(yīng)用進(jìn)行過系統(tǒng)的研究。

本文綜述了近年來磁流變彈性體及其振動控制應(yīng)用方面的最新研究﹐以期能夠?qū)C(jī)械工程領(lǐng)域MRE智能減振方面的研究和應(yīng)用提供參考。

1 磁流變彈性體的研究進(jìn)展

11 磁流變材料概述

智能材料，又稱為敏感材料，是一種能感知外部刺激，并據(jù)此改變自身性能的新型功能材料。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代信息技術(shù)滲透到材料科學(xué)學(xué)科的產(chǎn)物。

磁流變材料就是一種功能性復(fù)合材料，是智能材料的一種，一般是通過將軟磁顆粒（納米級）分散在不同的基體中并輔以添加劑（增塑劑、補(bǔ)強(qiáng)劑等）制備而成。由于其流變/力學(xué)性能可隨外加磁場連續(xù)變化，具有響應(yīng)速度快（毫秒級）、可逆性好的優(yōu)點(diǎn)，磁流變材料在航空航天、建筑工程、振動控制、傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與關(guān)注。

磁流變液是最早的磁流變材料，也是近年來開展研究比較迅速的材料。其主要是由磁性顆粒（納米級或微米級）分散在油基或水基材料中制備而成的顆粒懸浮材料體系。在施加磁場時，磁流變液會從液態(tài)迅速地（毫秒級）轉(zhuǎn)為類固態(tài)，其表面形態(tài)變化如圖1所示［2］。去掉磁場時，其會由類固態(tài)迅速地轉(zhuǎn)為液態(tài)。

MRF已經(jīng)在工程中得到了廣泛應(yīng)用，尤其在精密零件加工、磁流變阻尼器、磁流變制動器等技術(shù)領(lǐng)域。但實(shí)際應(yīng)用過程中仍然存在很多問題，如沉降穩(wěn)定性、氧化性，腐蝕性等是MRF研究需要提升的性能，這對磁流變液的更廣泛應(yīng)用具有重要的意義。

磁流變膠（MRG）也是一種磁流變材料，其連續(xù)相是一種介于液體和彈性體之間的高分子材料，呈凝膠狀。凝膠狀基體對磁性顆粒束縛性不強(qiáng)，故在施加磁場時內(nèi)部的磁性顆粒會迅速（毫秒級）成鏈，如圖2所示。迄今為止其研究主要集中在基礎(chǔ)材料研究階段，在工程應(yīng)用領(lǐng)域有待探索。

磁流變塑性體（MRP）是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的智能材料與振動控制實(shí)驗(yàn)室在2011年報道的一種新型磁流變材料［3］，其實(shí)物如圖3所示。這種磁流變材料的連續(xù)相是一種低分子量聚氨酯，一種由甲苯二異氰酸酯（TDI）和聚丙二醇（PPG-1000）合成的塑性體。由此制備的磁流變材料在室溫下表現(xiàn)出塑性，所以將它命名為磁流變塑性體。

同樣，與MRG類似，在施加磁場時，其磁性顆粒也會快速（毫秒量級）形成鏈狀結(jié)構(gòu)。但不同的是，磁流變塑性體的基體交聯(lián)度高，這就決定了其基體對磁性顆粒的束縛性強(qiáng)。所以，撤去磁場后內(nèi)部鏈狀結(jié)構(gòu)會繼續(xù)保持。這種特性使MRP同時具備了磁流變液和磁流變彈性體的優(yōu)點(diǎn)。

通常，根據(jù)常溫下的物理形態(tài)，磁流變膠分為類液態(tài)磁流變膠和類固態(tài)磁流變膠，這兩種狀態(tài)分別對應(yīng)磁流變液與磁流變塑性體。這也說明了在這三者之間沒有絕對的界限去定義。

磁流變彈性體是磁流變材料大家族中最有發(fā)展前景的，在磁場作用下，其力學(xué)性能能夠?qū)崟r地控制且響應(yīng)迅速。最早制備MRE的是日本的Shiga［4］，MRE的分散相是聚合物彈性體，這也決定了MRE在磁流變機(jī)理和工作狀態(tài)上與其他磁流變材料的不同。MRE的磁性顆粒幾乎在彈性體基體中不流動，即使磁場作用下顆粒或鏈狀結(jié)構(gòu)也幾乎不移動。在磁場強(qiáng)度增強(qiáng)時，MRE內(nèi)部的作用力會增強(qiáng)，即MRE的剛度會增強(qiáng)。

MRE的研究經(jīng)過近30年的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在材料制備、性能研究、機(jī)理探究和智能器件的應(yīng)用等方面開展了大量研究。本文主要從材料制備和智能器件的應(yīng)用兩個方面對MRE進(jìn)行介紹。

12 磁流變彈性體的制備材料

磁流變彈性體的主要組分是作為連續(xù)相的高分子聚合物基體、作為分散相的磁性顆粒以及改善材料特性的添加劑。所以，其材料制備的基本要求是在基體材料、磁性顆粒及添加劑的選擇上。

1）基體材料

基體是磁流變彈性體的連續(xù)相，起著保護(hù)磁性顆粒及傳遞應(yīng)力的作用。對基體材料的選擇，學(xué)者們通常選擇較軟的橡膠基體，這樣可以保證在MRE固化成型前，磁性顆?？梢栽谙鹉z基中分散更均勻，形成有序的鏈狀結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生較大的磁致彈性模量。如天然橡膠［5］、硅橡膠［6］、聚氨酯橡膠［7］、順丁橡膠［8］、多種橡膠混合基體［9］等。

硅橡膠具有耐高低溫、耐老化、相容性好、絕緣性好等優(yōu)異性能。已經(jīng)在建筑行業(yè)、電子行業(yè)、模具行業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于硅橡膠制備工藝簡單且質(zhì)地較軟的特性，目前在MRE的制備中應(yīng)用也是最多的。但硅橡膠機(jī)械性能較差，不太適合較大變形的場合。天然橡膠機(jī)械性能好，但是磁流變效應(yīng)較差。

聚氨酯橡膠具有突出的耐磨性能、緩沖減振性能，且耐高低溫、抗氧化。應(yīng)用聚氨酯基的MRE，兼?zhèn)渚郯滨ハ鹉z的優(yōu)異性能。

2）磁性顆粒

磁性顆粒是MRE的分散相，選擇合適的磁性顆粒以適應(yīng)工程應(yīng)用的需求是至關(guān)重要的。羰基鐵粉是一種軟磁材料，其微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。具有高飽和磁化強(qiáng)度、低矯頑力和高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，適合用于MRE的制備。

大量研究表明，磁性顆粒的粒子直徑大小、粒子的形狀、粒子的體積分?jǐn)?shù)、顆粒的改性等對MRE的性能有重要影響。Lokander等［10］研究顆粒的直徑大小對MRE磁流變效應(yīng)的影響。用不同粒徑的羰基鐵粉制備丁腈橡膠基MRE，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定的粒徑范圍內(nèi)，MRE的磁流變效應(yīng)會隨著粒徑的增大而變大。Yoon等［11］為了探究不同形狀的磁性顆粒對MRE樣品的力學(xué)性能的影響，制備了板狀Sendust顆粒和球形CIP的MRE樣品。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含有板狀Sendust顆粒的MRE樣品具有更高的剪切儲能模量。Davis［12］發(fā)現(xiàn)顆粒含量體積為27%時，MRE的剪切模量能提高約一半，并發(fā)現(xiàn)羰基鐵粉含量為80%時MRE的磁流變效應(yīng)最強(qiáng)。周永福等［13］使用生物啟發(fā)的多巴胺改性來改善羰基鐵粉表面的功能，通過在顆粒表面引入聚多巴胺層來改進(jìn)MRE的機(jī)械性能，結(jié)果表明MRE的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率都得到了改善。

磁性顆粒的屬性對MRE性能的影響中，磁性粒子的直徑對磁流變效應(yīng)的影響較大。其分子機(jī)理可以解釋為當(dāng)粒徑足夠小時，其可以在橡膠基體內(nèi)取向，但不能帶動大分子鏈旋轉(zhuǎn)，大分子鏈的構(gòu)象未發(fā)生變化，故此時磁流變效應(yīng)很弱；若粒子直徑太大，受到大分子鏈的阻力也過大，磁性粒子旋轉(zhuǎn)困難，也不會產(chǎn)生磁流變效應(yīng)；只有粒徑大小適中，才會有較強(qiáng)的磁流變效應(yīng)產(chǎn)生［14］。

3）添加劑

添加劑用來改善MRE的特性，提高M(jìn)RE的各項(xiàng)性能指標(biāo)。由基體材料的性質(zhì)所決定，添加劑的類型主要為固化劑、增強(qiáng)劑、促進(jìn)劑和硫化劑等。

添加劑在原材料中占比并不高，但是卻可以明顯的提高M(jìn)RE某些方面的性能。促進(jìn)劑和硫化劑分別用來促進(jìn)固化時間和固化混煉膠。增塑劑則是用來改善混煉加工過程，使基體內(nèi)部分子的流動性得到提高，有利于磁性顆粒成鏈，從而改善磁流變性能。Wang等［15］使用硅油降低基體硫化前的粘度來改善基體和顆粒之間的結(jié)合能力，材料的磁流變性能和力學(xué)性能得到提高。

補(bǔ)強(qiáng)劑包括炭黑、碳化硅等，是添加劑的另一類，可以改善MRE的力學(xué)性能。Chen等［16］發(fā)現(xiàn)填充炭黑體積分?jǐn)?shù)為7%的MRE，其靜態(tài)力學(xué)性能和動態(tài)力學(xué)性能均得到提高。Yang等［17］發(fā)現(xiàn)使用碳化硅作為補(bǔ)強(qiáng)劑MRE的力學(xué)性能會提高。

13 磁流變彈性體的制備方法

1）模制法

目前，制備MRE采用的主流制備方法是模制法。制備工藝如圖5。

制備過程一般分為無場制備和有場制備，相應(yīng)的會制備出各向同性MRE和各向異性MRE；而在加有磁場的情況下制備所得的MRE具有更好的磁流變效應(yīng)。

研究表明，在施加磁場條件下制備MRE時，橡膠基內(nèi)部的磁性顆粒會按磁感線的方向排列，這個過程稱為鏈化。固化成型后，MRE體積會增大。而無場條件下制備的MRE，在固化成型后它的體積幾乎保持不變。

2）3D打印技術(shù)

3D打印的方法很新穎，但對于制造MRE有很大的挑戰(zhàn)性。Krueger等［18］用干粉進(jìn)行MRE的3D打印并不成功，但該工作為MRE的制備方法提供了新的思路，也為MRE的3D打印方法提供了很好的參考?；谝陨?，Bastola等［19］首次利用3D打印技術(shù)開發(fā)了一種新型MRE，證實(shí)了3D打印技術(shù)可用于制造微結(jié)構(gòu)可控的MRE的可行性。使用3D打印機(jī)將可控體積的MRF逐層精準(zhǔn)定位在彈性體基質(zhì)內(nèi)，可以克服使用干粉進(jìn)行3D打印的缺陷，使得每一層都是由MRF和彈性體組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。其樣品如圖6所示。

通過測試發(fā)現(xiàn)，擠出壓力、初始高度和加料速度等參數(shù)對打印質(zhì)量有明顯的影響。這些打印參數(shù)改變，將可能克服在打印過程中可能會出現(xiàn)的MRF不連續(xù)、形狀和尺寸不易控制﹑層厚不穩(wěn)定等問題［20］。Bastola等［21］研究了MRF圖形化和不同磁場方向?qū)旌闲蚆RE磁流變效應(yīng)的效果。結(jié)果表明，3D打印MRE顯示的磁流變效應(yīng)取決于所施加磁場的方向以及打印的圖案形狀。進(jìn)一步的，Bastola等［22］為了克服沉降和泄漏的發(fā)生，將MRF的體積分成較小的點(diǎn)。表明3D打印具有制造各種結(jié)構(gòu)化點(diǎn)圖案的能力。并且多材料3D打印可以在不施加磁場的情況下對彈性體基質(zhì)內(nèi)的MRF點(diǎn)或磁性顆粒的各種配置進(jìn)行精確控制，即可在不加磁場條件下制備具有各向異性的MRE。

總的來說，國內(nèi)使用3D打印技術(shù)對MRE進(jìn)行制備的相關(guān)文獻(xiàn)較少，而國外對此研究也不夠全面。3D打印制備MRE還有很多需要探索，也有很多挑戰(zhàn)性，制備程序的復(fù)雜、制備成本的高昂。到最終商業(yè)化生產(chǎn)，任重而道遠(yuǎn)。

2 磁流變彈性體振動控制應(yīng)用綜述

作為磁流變智能材料，磁流變彈性體兼?zhèn)浯帕髯円汉蛷椥泽w的特性。當(dāng)磁流變彈性體受到外界磁場作用時，可以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能可控?；诖?，在振動控制領(lǐng)域，磁流變彈性體被應(yīng)用于調(diào)頻式動力吸振器與隔振器的研發(fā)。本節(jié)主要對MRE的磁流變機(jī)理及兩類器件的應(yīng)用情況進(jìn)行綜述。

21 MRE的磁流變機(jī)理

目前對磁流變效應(yīng)的解釋為，磁流變效應(yīng)的產(chǎn)生是由于被磁化的磁性顆粒之間的相互作用力。當(dāng)磁性顆粒受到磁場作用時，在該作用方向，磁性顆粒的兩端會產(chǎn)生極。所以，當(dāng)兩個磁性顆?？拷鼤r，會產(chǎn)生相互作用力，如圖7所示。

基于以上理論，研究者們建立了兩種理論模型：磁偶極子模型和連續(xù)場模型。

1）磁偶極子模型

Jolly等［23］假定磁性顆粒為理想的偶極子，考慮相鄰磁性顆粒間的相互作用，并建立了磁偶極子模型。該模型在眾多模型中認(rèn)可度較高。

根據(jù)偶極子理論，相鄰的兩個偶極子的相互作用能為：

E=m2（1-cos3θ）4πμ1μ2r3=m2（1-3r20r20+x2）4πμ1μ2（r20+x2）32（1）

式中：μ1為基體的相對磁導(dǎo)率，m為顆粒的磁偶極距。

應(yīng)力為：

σ=Uε=9∈2（4-ε2）J2P8μ1μ0r30（1+ε2）32（2）

式中：ε為應(yīng)變，ε=θ=tanθ=xr0，U為單位體積能量，U=nE=3m2（ε2-2）J2P2π2μ1μ0r3d3（1+ε2）52。

磁化強(qiáng)度（單位體積的磁矩）為：

JP=mVI（3）

整理上式可得：

σ=d3ε（4-ε2）J2P8μ1μ0r30（1+ε2）72=ε（4-ε2）J2P8μ1μ0h3（1+ε2）72（4）

通過應(yīng)力對應(yīng)變求導(dǎo)，可計(jì)算出剪切模量。最終將理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)作對比，發(fā)現(xiàn)較為吻合。

但以上模型只考慮了相鄰的兩個磁偶極子間的相互影響，理論結(jié)果不夠精確。

Shen等［24］考慮整條顆粒鏈上偶極子的相互作用，建立了更為精確的耦合模型。整條顆粒鏈上偶極子分布如圖9所示。

通過將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者吻合精度比較高。證實(shí)了所建立的耦合模型的精確性。但是無論Jolly還是Shen所建立的磁偶極子模型都是將磁性顆粒假定為等間距排列的直鏈，但事實(shí)并非如此。針對該不足，思索等［25］結(jié)合磁性顆粒實(shí)際的分布，提出了卡方分布模型，并據(jù)此推導(dǎo)出彈性模量，該模型對磁流變效應(yīng)的表征更加精確。高偉等［26］建立了表征斜鏈結(jié)構(gòu)的MRE的力學(xué)性能理論模型，可以對MRE的力學(xué)性能做出預(yù)測。

通過眾多位學(xué)者的研究，建立起了日漸成熟的磁偶極子模型，為MRE的磁流變機(jī)理研究提供理論基礎(chǔ)。

2）連續(xù)場模型

連續(xù)場模型是基于非平衡熱力學(xué)，用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的相關(guān)理論建立的MRE的本構(gòu)模型。

Han等［27］認(rèn)為可以將MRE在磁場作用下的變形過程分為初始態(tài)、中間態(tài)和當(dāng)前態(tài)這三種狀態(tài)，如圖10所示。用變形梯度張量F來表達(dá)變形過程。

變形的能量為：

W=WEQ（F，B）+WNEQ（Fe）（5）

式中：平衡態(tài)自由能為：

WEQ（F，B）=GEQ2F∶F+12μ（F·B）·（F·B）（6）

非平衡態(tài)自由能為： WNEQ（Fe）=GNEQ2Fe∶Fe

以第一類PK應(yīng)力表示的本構(gòu)關(guān)系為：

P=WF=GEQF+GNEQF·（FiT·Fi）-1（7）

且磁導(dǎo)率與微觀結(jié)構(gòu)和變形的關(guān)系為：

μ=［1-a（λ-1）b（λ-1）2］（8）

由上式，建立本構(gòu)關(guān)系的弱解形式，并運(yùn)用有限元理論進(jìn)行求解。最終得出MRE在磁場下的變形模式，如圖11所示。

上述學(xué)者從理論上推導(dǎo)了MRE的本構(gòu)模型，但由于MRE力磁耦合的復(fù)雜性，所以要完全從理論上推導(dǎo)本構(gòu)模型是存在一定困難的，且該類模型不具有普遍適用性，局限性較大。基于此，一些學(xué)者建立了半經(jīng)驗(yàn)的本構(gòu)模型。Varga等［28］對硅橡膠基磁流變彈性體（RTVMRE）的壓縮性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明當(dāng)磁場與受力方向一致時，在顆粒鏈方向上的磁致模量最大。

宏觀上來看，MRE的工作模式分為剪切模式和擠壓模式，其依據(jù)是外加磁場方向和受力變形方向之間的關(guān)系。對于剪切模式，如圖12（a），在該模式下其內(nèi)部顆粒成鏈方向與外加磁場方向一致，受力變形方向與內(nèi)部成鏈方向垂直，內(nèi)部顆粒鏈?zhǔn)艿郊羟凶饔?，因此稱為剪切模式。而對于擠壓模式，如圖12（b），三個方向均一致，顆粒鏈?zhǔn)艿綌D壓作用，因此稱為擠壓模式。

22 調(diào)頻式動力吸振器

對動力吸振器的研究已有近120年的歷史，從最初的傳統(tǒng)被動式動力吸振器，發(fā)展到今天的智能吸振器，吸振技術(shù)正向著更加智能化的方向發(fā)展。

調(diào)頻式動力吸振器是動力吸振器的一種，是利用磁流變彈性體作為變剛度原件對調(diào)頻式動力吸振器進(jìn)行設(shè)計(jì)［31］。

Ginder等［32］設(shè)計(jì)了第一個剪切模式的調(diào)頻式動力吸振器。如圖13所示，通過質(zhì)量塊上下移動來實(shí)現(xiàn)垂直振動。試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)頻范圍為500Hz到610Hz。

但上述吸振器調(diào)頻范圍窄，磁場分布不均且磁場強(qiáng)度較弱，故MRE調(diào)頻效果不佳，即減振性能差。龔興龍等［33］在此基礎(chǔ)上對調(diào)頻式動力吸振器進(jìn)行了改進(jìn)，如圖14所示。改進(jìn)之處是在導(dǎo)磁骨架布置兩個勵磁線圈，以增強(qiáng)磁場強(qiáng)度。振子在振動過程中彈性體被剪切，通過改變勵磁線圈中的電流來改變穿過彈性體的磁場，進(jìn)而改變彈性體的剪切模量，實(shí)現(xiàn)對吸振器剛度的控制。結(jié)果表明，該吸振器移頻范圍較寬，吸振效果較好。

深孔鏜削加工過程中，鏜桿的振動制約深孔加工的質(zhì)量與精度，因此在機(jī)械加工領(lǐng)域?qū)p振鏜桿的研究具有重要意義。筆者［34］提出一種適用于深孔加工的基于MRE的主動變剛度減振鏜桿，其結(jié)構(gòu)如圖15所示。利用質(zhì)量塊、MRE和勵磁線圈作為變剛度動力吸振器，MRE的工作模式為剪切模式，通過改變作用在MRE上外磁場的強(qiáng)度來控制變剛度動力吸振器的固有頻率，從而實(shí)現(xiàn)動力吸振器頻率對主系統(tǒng)的外界激勵頻率的跟蹤。

對于擠壓模式工作MRE結(jié)構(gòu)簡單、對安裝精度要求不高，且承載能力較大，具有較高的工程應(yīng)用價值。Sun等［33］設(shè)計(jì)了一種擠壓模式工作的MRE吸振器，其結(jié)構(gòu)如圖16所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通電電流為0A-25A時，其固有頻率變化為37Hz-67Hz，其移頻特性較剪切式吸振器更好。但上述吸振器不是針對于某場景的，要實(shí)際工程應(yīng)用還需結(jié)合具體應(yīng)用場景做進(jìn)一步的改進(jìn)。

隨著對磁流變彈性體材料的深入研究，調(diào)頻式動力吸振器技術(shù)的進(jìn)步，基于MRE的調(diào)頻式動力吸振器在振動控制領(lǐng)域?qū)⒕哂懈訌V闊的應(yīng)用前景。

23 磁流變彈性體隔振器

隔振是指通過相應(yīng)的技術(shù)手段減小或阻斷振源到被隔振對象之間的能量傳遞，進(jìn)而減小被隔振對象振動響應(yīng)的一種方式。隔振技術(shù)在工程中廣泛應(yīng)用，如精密儀器實(shí)驗(yàn)室通常會通過挖隔振溝來隔離外界環(huán)境的振動［34］，建筑物或橋梁會選擇疊層橡膠隔振器來進(jìn)行地震的隔振，精密儀器設(shè)備也會選取合適的微振動隔振器來隔振［35］。

隔振的基本原理如圖17所示，m為負(fù)載質(zhì)量，k為隔振元件的剛度，c為隔振元件的阻尼，F(xiàn)為施加于負(fù)載質(zhì)量上的主動力，y（t）和x（t）分別為激勵加速度和響應(yīng)加速度。

|X|、|Y|分別表示激勵加速度幅值和響應(yīng)加速度幅值。則隔振系統(tǒng)的加速度傳遞率為

Y=|X||Y|（9）

簡言之，隔振就是通過設(shè)置合適的k和c，或者施加合適的F來減小Y的過程。

MRE隔振器作為新一代的半主動式隔振器，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、能耗小、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?；贛RE優(yōu)異的磁控力學(xué)性能，國內(nèi)外學(xué)者開始對MRE隔振器的研究。MRE隔振器已經(jīng)在橋梁工程、土木工程及海洋工程中有了應(yīng)用。

1997年Ford公司［38］設(shè)計(jì)了一種汽車懸架軸襯，以MRE材料為變剛度單元，如圖18所示。該軸襯由兩個鋼制同軸空心套筒組成，兩套筒之間填充環(huán)形MRE，磁場由內(nèi)套筒上纏繞的電磁線圈提供。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)線圈通入的電流為5A時，軸襯在軸向和徑向上的阻尼與剛度都會增加25%。

廖國江［39］利用音圈電機(jī)模擬可變阻尼器設(shè)計(jì)了一種MRE隔振器，如圖19所示。其中，4塊MRE作為變剛度元件，工作于剪切模式下。基座、磁芯、導(dǎo)磁體和部分剪切板構(gòu)成了C型導(dǎo)磁回路，三組勵磁線圈提供可變磁場，裝在安裝平臺與導(dǎo)磁體之間的音圈電機(jī)，根據(jù)基礎(chǔ)與負(fù)載間的相對速度產(chǎn)生相應(yīng)的控制力來模擬阻尼力。

大多數(shù)MRE隔振支座都是由疊層橡膠支座進(jìn)化來的，使用MRE-鋼片疊層結(jié)構(gòu)，水平位移較大時，該結(jié)構(gòu)使隔振器承受較大的豎向載荷。李延成等［40］使用MRE與鋼片相交替的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了用于建筑物的疊層MRE隔振器，如圖20所示。該結(jié)構(gòu)能夠在保持低水平剛度的同時具有較大的縱向承載力，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)MRE隔振器縱向承載力不足的缺點(diǎn)。

類似的，Gu等［41］提出一種“智能”基礎(chǔ)隔振策略，采用半主動磁流變彈性體（MRE）隔振器，MRE隔振支座如圖21所示。

余淼等［42］設(shè)計(jì)了一種橋梁用MRE隔振器，如圖22所示，其結(jié)構(gòu)采用了李延成所設(shè)計(jì)的疊層MRE結(jié)構(gòu)。為了提高縱向承載能力，在套筒與上蓋板之間分布鋼珠。

剪切式MRE隔振器水平剛度調(diào)節(jié)范圍較大，但是在重力的作用下，存在豎向的預(yù)應(yīng)變，豎向剛度調(diào)節(jié)范圍會縮小，這限制了其應(yīng)用。據(jù)此，楊春燕等［43］提出了剪壓混合模式工作的MRE隔振器，結(jié)構(gòu)如圖23所示。試驗(yàn)結(jié)果表明剪壓混合模式的MRE隔振器比剪切或壓縮模式的隔振器性能更佳，且可以在寬頻范圍提高其隔振性能。該裝置雖然實(shí)現(xiàn)了對水平和豎直2個方向的振動控制，但各方向變形的控制范圍均有限制。

在此之后，Leng等［44］也設(shè)計(jì)了剪壓模式MRE隔振器，如圖24所示，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了該隔振器能減輕波浪荷載對海洋結(jié)構(gòu)工程的振動。但實(shí)際海洋環(huán)境所受的載荷是變化的，該結(jié)構(gòu)對振動控制的范圍是局限的。

MRE隔振器通過改變勵磁線圈電流的大小，來實(shí)時改變隔振器的剛度和阻尼，達(dá)到智能隔振的目的。然而，以上MRE隔振器均是剛度隨電流的增加而增加，因此這種隔振器也叫正剛度隔振器。在不通電時，其初始剛度較小。為了保持隔振器的穩(wěn)定性，即使在沒有振動時也要保持通電狀態(tài)。這就造成了電能的浪費(fèi)，且長時間通電產(chǎn)生的熱量對隔振器的散熱也產(chǎn)生了難題。Yang J等［45］設(shè)計(jì)了一種負(fù)剛度MRE隔振器，其結(jié)構(gòu)如圖25所示。兩片永磁鐵為隔振器提供偏置磁場，線圈產(chǎn)生的磁場對偏置磁場一定程度上進(jìn)行抵消（永磁鐵產(chǎn)生的磁場與通電線圈磁場方向相反），使隔振器的剛度隨著電流的增加而減小，實(shí)現(xiàn)了負(fù)剛度的目的。但磁場分布和不同類型激勵下的隔振控制等問題作者都沒有進(jìn)行研究。

對于負(fù)剛度MRE隔振器，目前國內(nèi)外研究都不夠深入，不夠全面，今后對負(fù)剛度隔振器進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究具有很高的工程應(yīng)用價值。

隔振器的結(jié)構(gòu)緊湊性制約著其實(shí)際工程應(yīng)用，若減小線圈尺寸，則隔振器的結(jié)構(gòu)可得到優(yōu)化。據(jù)此，王奇等［46］設(shè)計(jì)了一種圓錐形MRE變剛度支座，如圖26所示。該支座由上下兩部分組成，其中，MRE作為變剛度元件，磁輒、連接板、鐵芯、MRE-鋼板疊層構(gòu)成閉合磁路。支座的下半部分由橡膠-鋼板疊層組成，作為被動元件與上半部分一起發(fā)生剪切變形，以增強(qiáng)支座水平方向的變形能力。該結(jié)構(gòu)雖然緊湊，但變剛度支座的剛度變化范圍及該支座是否能滿足實(shí)際應(yīng)用，作者并未深入的研究分析。

綜上，目前已經(jīng)設(shè)計(jì)出了多種適用于橋梁工程、土木工程及海洋工程等多種隔振器。但磁路設(shè)計(jì)、各種工況下磁場的穩(wěn)定性及隔振器的尺寸等問題還需深入的優(yōu)化。

3 結(jié) 論

磁流變材料的出現(xiàn)推動了智能材料的發(fā)展，為攻破工程應(yīng)用問題提供了新的方法。但要做到實(shí)際工程應(yīng)用，還需要解決很多技術(shù)問題。

1）磁流變彈性體的材料制備還沒有一致的標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)者們的研究不能有效的結(jié)合起來。眾學(xué)者應(yīng)在今后的研究中，逐步制定MRE材料制備標(biāo)準(zhǔn)。

2）普遍來看，MRE智能減振器件的設(shè)計(jì)實(shí)用性不夠強(qiáng)，未能成熟的推廣到工程應(yīng)用中。在今后MRE智能減振器件的設(shè)計(jì)中，須將實(shí)用性考慮在內(nèi)。

3）MRE材料和器件的研究未能有效的結(jié)合，兩者的研究是相對“孤立”的。在面對具體的工作應(yīng)用對象與工作環(huán)境，應(yīng)該對材料特性與器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)協(xié)同進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)節(jié)。即MRE材料研究應(yīng)以MRE的應(yīng)用作為導(dǎo)向，而MRE的應(yīng)用研究應(yīng)為MRE的材料研究提供反饋和需求。

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（編輯：溫澤宇）

基金項(xiàng)目： 黑龍江省優(yōu)秀青年基金（YQ2021E035）; 國家自然科學(xué)基金（51805122）; 黑龍江省博士后基金（LBH-Z18100）.

作者簡介：范吉慶（1998—），男，碩士研究生;

周 強(qiáng)（1997—），男，碩士研究生.

通信作者：劉 強(qiáng)（1988—），男，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，Email：liuqianglink@163.com.