磁流变液的制备、机理和应用(3)

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

  中国科技大学研制的旋转式阻尼器如图7所示。阻尼器径向直径136mm,轴向厚度86mm,阻尼片直径90mm,对称放置的线圈各为800匝,在0~10V直流电压下,产生0~2.5A的可控电流,最大阻尼力矩7N.m。其优点是重量轻结构简单小巧,适用范围广;缺点是力矩偏小,散热效果差。目前在安徽省科技攻关项目资助下,正在研制的多片旋转式阻尼器由于在结构和磁路设计方面采取ANSYS软件进行优化计算,减小工作间隙到1mm以内,用磁导率更高的硅钢作导磁材料等多方面措施,在综合性能上,特别是最大阻尼力矩值和器件散热方面,较单片阻尼器有大幅度提升。

(2)控制元件

  由于磁流变液相变的过程在毫秒量级内完成,因此可以做成敏捷度极高的控制元件,用于联接和传递两部件之间的力或力矩。如汽车用离合器、制动器等。图8(a)、(b)分别为单级同心圆式和多级平行盘式离合器的结构图。另外,还可制成可控阀门控制液体的流动;做成柔性夹具控制和固定物体的形状及变化等。

(3)研磨和密封

  在光学镜头的加工中,加工精度是制约镜头质量的关键因素和技术,因此提高加工精度对镜头的最后形成和微表面粗糙度有着非常重要的意义。如图9所示,采用磁流变液进行精加工,试件被固定在移动壁的某一位置,在工作表面和移动面之间的间隙内盛放磁流变液,线圈置于移动壁下方。在间隙处产生可控磁场,磁流变液随外加磁场的增强而固化,并随移动壁获得速度,此间隙处被称为抛光点,其过程由计算机精确控制,可完成复杂表面形状抛光和高表面光洁度。美国S.D.Jacobs,W.I.Kordonski等人,利用此原理加工BKT.玻璃30分钟,使其形状误差由0.3μm降到0.2μm,表面粗糙度也由40A降到8A。

  在机械密封方面,白俄罗斯的Kordonski,使用静态剪切应力 =5kPa的磁流变液,在I=2.5A,H=150KA/m无转动条件下实施密封,可承受的压强最大值为180KPa;在转动条件下,承受的压强先是迅速上升,后缓慢下降,在35rpm时值最大为330KPa,且压强与H的平方成正比。

8、研究发展趋势

  国内外围绕磁流变液的机理、测试、制备、应用等方面的研究已取得了很多的成果,但一些不足制约其进一步发展,主要表现为:磁流变液本身性能低;工作时易泄露,难密封;成分中固态相颗粒沉降稳定性差及由此带来器件工作不稳定;器件散热效果不理想等。在克服以上不足后,此项技术将在很多领域得到广泛应用。

  目前,我们的研究重点方向正转向磁流变材料家族中另一新成员——磁流变弹性体。国际上关于磁流变弹性体研究的报道和文献不多。国内基本属于空白,仅中国科技大学在磁流变弹性体的材料制备、力学性能、材料性能测试和应用上开展了研究。

  磁流变弹性体是一种高分子聚合物中嵌有铁磁性颗粒的智能材料,在外磁场的作用下固化,使颗粒在基体中形成链状及柱状有序结构,这种有序结构导致材料的力学性能特别是剪切性能可控,因此可以设计出由磁场控制的变刚度器件。图10显示了沿磁场方向,颗粒形成链状或柱状结构,而在垂直于磁场方向的平面内颗粒随机分布。磁流变弹性体的制备大体上有两种:有磁场制备和无磁场制备。目前我们制备的磁流变弹性体性能有较大幅度的突破,在体积比约为30%,磁饱和状态下,其剪切模量的相对改变量大于200%。

  虽然传统方法制备出的磁流变弹性体不具有电磁流变液在外场作用下进行两相变换的优点,但是它具有稳定性好、结构设计简单、制备成本低等独特的优点。另外如果在制备过程中使用一些物理或化学方法(如机械挤压、减小颗粒大小、对颗粒表面进行修饰等),在保证稳定性的同时,提高其灵敏性,即增加其磁场可控性,从而拓宽其应用领域。

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