磁流变液的制备、机理和应用(2)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院材料力学行为与设计重点实验室 作者:龚兴龙

4、磁流变液的流变机理

  按照磁畴理论可以解释磁流变效应。在磁流变液中,每一个小颗粒都可当做一个小的磁体。在这种磁体中,相邻原子间存在着强交换耦合作用。它促使相邻原子的磁矩平行排列,形成自发磁化饱和区域即磁畴。无外磁场作用时,每个磁畴中各个原子的磁矩排列取向一致,而不同磁畴磁矩取向不同。磁畴的这种排列方式使每一颗粒处于能量最小的稳定状态。因此,所有颗粒平均磁矩为零,颗粒不显磁性。在外磁场作用下,磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与外磁场反方向排列时的磁能,结果是同自发磁化磁矩成较大角度的磁畴体积逐渐缩小。这时颗粒的平均磁矩不等于零,颗粒对外显示磁性,按序排列相接成链。当外磁场强度较弱时,链数量少、长度短、直径也较细,剪断它们所需外力也较小。随外磁场不断增强,取向与外场成较大角度的磁畴全部消失,留存的磁畴开始向外磁场方向旋转,磁流变液中链的数量增加,长度加长,直径变粗,磁流变液对外所表现的剪切应力增强;再继续增加磁场,所有磁畴沿外磁场方向整齐排列,磁化达到饱和,磁流变液的剪切应力也达到最高。磁流变液的磁化特征不仅依赖固态相本身的磁特性,而且与颗粒间聚集状态和结构特征密切相关。另外,磁流变液的磁化饱和强度与体积分数无关,但磁化率却随体积分数的增加而线形增加,且有随颗粒直径增大而增大的趋势。在外加磁场作用下,磁流变液发生相变的三个临界磁场分别为Hc1、Hc2和Hc3,如图1。

  图a:当H < Hc1时,磁流变液完全处于流体状态,铁磁颗粒随机分布;图b:当Hc1 < H < Hc2时,开始形成链状结构,链与颗粒共存且随机分布;
  图c:当Hc2 < H < Hc3时,开始形成柱状结构,柱与链共存;
  图d:当H > Hc3时,颗粒全部形成柱状结构。

5、磁流变液的力学特性

  磁流变液的流变特性可分为预屈服阶段和后屈服阶段。稳态剪切条件下,磁流变液的应力、应变关系如图2a所示,当剪应变超过某一临界值后,剪切应力不再随剪应变增加而增加,而是趋于相对稳定;从图2b看出剪切应力是应变率和磁场强度的函数。在稳态剪切条件下,磁流变液本构关系常用Bingham模型描述。

  其中τ是剪切应力,η是零场粘度,对于大多数磁流变液来说,它与磁场强度无关,实验发现流体粘度随体积分数的增加而略有增加;τ0(H)是磁流变液的屈服应力,它与磁场强度H有关,γ是剪应变率。

6、磁流变液的性能测试

  磁流变液的剪切屈服应力表征该材料固化强度大小, 是其主要性能参数。由于国际上缺乏统一的测量手段对其衡量, 这阻碍了磁流变液的深化研究及器件商业化开发步伐。目前磁流变液测试系统有德国生产的MR-100-450和中国科技大学的旋转碟片式测试装置(图3)。前者是粘度计改装成的,由测量装置、数据采集和处理、计算机终端三部分组成。测量部分中的磁流变槽,用来存储磁流变液并形成磁回路。磁流变槽为平行平板结构,上板与测量驱动转子相连,下板空腔内放有直径1mm的漆包线绕成的励磁线圈,上板和内腔之间形成1mm的固定间隙。

  中国科学技术大学自行设计研制的碟片剪切式磁流变液测试系统,它是实现直接对磁流变液动态剪切力矩进行测量,并建立了一套计算机数据采集和处理系统,使其能对测试数据进行准确分析和精确处理,提高测试结果的精度,降低测试过程的工作量和人工处理数据带来的误差,实现测试过程的自动化。实验证明,自行设计的碟片旋转式磁流变液测量系统原理简单, 理论误差小, 用该测试系统对美国某公司生产的商用磁流变液进行了测量,并将结果与德国MR-100-450测试系统对同一样品的测试结果进行了比较,结果肯定了该碟片旋转式磁流变液测试系统的测量准确性和可靠性,而且该系统实验重复性较好,性能稳定。到目前为止先后成功对5家单位的13种磁流变液样品进行测试。

  利用该测试系统测得的KDC-1磁流变液在不同磁场下的性能曲线如图4所示,并和美国LORD公司产品进行了比较图5,性能接近。

7、磁流变液的应用

  磁流变液在外加磁场增强的过程中,液体的粘度随之增大并最终失去流动性变为固态,此过程耗能小、可逆、能产生较大屈服应力且在豪秒级内完成。利用此一系列性能,在充分考虑磁场、温度、颗粒尺寸、壁面效应和体积浓度等诸因素对应用器件影响的基础上,可以设计开发各种磁流变阻尼器件,主要有以下几类。

(1)阻尼元件

  此类装置是磁流变液的最典型应用,由于能产生强大的阻尼力,且阻尼器可根据外部的振动不同自行调节磁场强度大小,来改变振动系统的阻尼和刚度,达到主动减振的目的。根据阻尼器尺寸和使用环境不同,可以研制出机械上用各类阻尼器和阻尼力可高达20吨力的建筑物减振器。

  LORD公司的阻尼器如图6所示。如a所示的直线式减振器总长21.5cm,缸体直径3.8cm,活塞行程-2.5~+2.5cm,线圈电源为直流0~3V,产生电流0~1A,最大功率小于10W,产生最大阻力大于3kN,响应时间小于8ms。其优点是结构紧凑,阻尼力矩可控范围大,温度稳定性好(-40~+150),还可根据阻尼值要求,将阻尼器制成多级式。缺点是活塞行程较小。图b所示为一旋转式阻尼器。

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