1、引言

　　磁流變液(Magetorheological Fluid，簡(jiǎn)稱MRF)和磁流體(Magnetic Fluid，簡(jiǎn)稱MF)是兩個(gè)容易混淆的概念。雖然它們都是用磁性微粒分散在合適的液態(tài)載體中形成的，但由于懸浮粒子的尺寸范圍不同,因而它們的物理特性和應(yīng)用領(lǐng)域也不同。

　　從粒子材料和尺寸上說(shuō)，磁流體中懸浮粒子的直徑在1～10nm范圍內(nèi)，通常用合適的表面活性劑將懸浮粒子分散在液體中，由于粒子的尺寸小，布朗運(yùn)動(dòng)可以阻止粒子沉淀和團(tuán)聚，其穩(wěn)定性能好；而磁流變液，懸浮粒子的直徑為0.1～500μm，粒子較大，布朗運(yùn)動(dòng)無(wú)法阻止顆粒沉淀和團(tuán)聚，必須采取如表面包裹、復(fù)合等方法來(lái)降低整個(gè)顆粒的密度，提高材料的穩(wěn)定性。從受外加磁場(chǎng)作用而表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能看，磁流體的屈服應(yīng)力變化通常在幾Pa到幾百Pa之間；而磁流變液的屈服應(yīng)力變化通常可達(dá)數(shù)十kPa，比磁流體的控制范圍大得多。再?gòu)亩�者�?yīng)用角度看，磁流體主要是利用其粘度變化進(jìn)行物質(zhì)分離，機(jī)械裝置的承載和密封等；而磁流變液主要是利用其提供的大剪切力矩，制作阻尼器件，實(shí)現(xiàn)阻尼控制和力矩傳遞。

　　本文嘗試就我們的研究工作，向各位磁流體研究者介紹磁流變液的制備、機(jī)理、測(cè)試、應(yīng)用和發(fā)展。

2、磁流變液的研究概況

　　1948年Rabinow首先提出了磁流變液的概念。它是將微米尺寸的磁極化顆粒分散于非磁性液體（礦物油、硅油等）中形成的懸浮液。在零場(chǎng)情況下，磁流變液表現(xiàn)為流動(dòng)性能良好的液體,其表觀粘度很小；在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下可在短時(shí)間（毫秒級(jí)）內(nèi)表觀粘度增加兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并呈現(xiàn)類固體特性；而且這種變化是連續(xù)的、可逆的，即去掉磁場(chǎng)后又恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。然而，從50年代到80年代期間，由于沒(méi)有認(rèn)識(shí)到它的剪切應(yīng)力的潛在性以及存在懸浮性、腐蝕性等問(wèn)題，磁流變液發(fā)展一直非常緩慢。進(jìn)人90年代，隨著制備技術(shù)的提高，磁流變液研究重新煥發(fā)了生機(jī)，成為當(dāng)前智能材料研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。

　　目前國(guó)外已有十幾個(gè)國(guó)家投巨資，對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行加速研究和開(kāi)發(fā)，競(jìng)相發(fā)展這一技術(shù)。美國(guó)LORD公司的Carlson和Weiss等人在磁流變液性能研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面取得了較為突出的成就，使LORD公司在國(guó)際上第一個(gè)推出商用磁流變器。美國(guó)加州州立大學(xué)的Zhu和Liu等人對(duì)磁流變液的流變學(xué)，特別是微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量深入的研究。美國(guó)Notre Dame大學(xué)的Dyke和Spencer等人將磁流變液阻尼器用于大型結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的控制。另外，白俄羅斯傳熱傳質(zhì)研究所的Kordonski等人在磁流變液的拋光和密封應(yīng)用方面取得了較大的進(jìn)展。德國(guó)Kormann等人在對(duì)顆粒直徑、表面層等作了適當(dāng)修飾改進(jìn)后，已研制出穩(wěn)定的納米級(jí)磁流變液(具有和磁流體幾乎完全相同的組成)，在0.2T的中等磁場(chǎng)作用下，屈服應(yīng)力可達(dá)4kPa。我國(guó)的磁流變液研究工作起步較晚，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)先后有中國(guó)科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、重慶大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中科院物理所、重慶智能材料結(jié)構(gòu)研究所等數(shù)十家科研機(jī)構(gòu)和院校也都相繼開(kāi)展此方面的研究工作。隨著研究的深入和MRF性能的提高，該技術(shù)開(kāi)始在機(jī)械工程、汽車工程、控制工程、精密儀器加工及航空航天等領(lǐng)域得到初步的應(yīng)用，已顯示了巨大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力。

3、磁流變液的制備

　　磁流變液一般由鐵磁性易磁化顆粒、母液油和穩(wěn)定劑三種物質(zhì)構(gòu)成。鐵磁性（軟磁性）固體顆粒有球狀、棒狀和紡錘狀三種形態(tài)，密度為7～8g/cm³，其中球形顆粒的直徑在0.1～500μm范圍內(nèi)。目前可用作磁流變液的鐵磁性固體顆粒是具有較高磁化飽和強(qiáng)度的羰基鐵粉、純鐵粉或鐵合金 。由于羰基鐵粉飽和磁化強(qiáng)度為2.15特斯拉，且物性較軟、具有可壓縮性、材料成本低、購(gòu)買方便，已成為最常用的材料之一。磁流變液的母液油（分散劑）一般是非導(dǎo)磁且性能良好的油，如礦物油、硅油、合成油等,它們須具有較低的零場(chǎng)粘度、較大范圍的溫度穩(wěn)定性、不污染環(huán)境等特性 。穩(wěn)定劑用來(lái)減緩或防止磁性顆粒沉降的產(chǎn)生。因?yàn)榇判灶w粒的比重較大，容易沉淀或離心分離，加入少量的穩(wěn)定劑是必須的。磁流變液的穩(wěn)定性主要受兩種因素的影響：一是粒子的聚集結(jié)塊，即粒子相互聚集形成很大的團(tuán)；二是粒子本身的沉降，即磁性粒子隨時(shí)間的沉淀。這兩種因素都可以通過(guò)添加劑或表面活性劑來(lái)減緩。由超精細(xì)石英粉形成的硅膠是一種典型的穩(wěn)定劑，這種粒子具有很大的表面積，每個(gè)粒子具有多孔疏松結(jié)構(gòu)可以吸附大量的潮氣，磁性顆粒可由這些結(jié)構(gòu)支撐均勻地分布在母液中。另一方面，表面活性劑可以形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)吸附在磁性顆粒的周圍以減緩粒子的沉降。穩(wěn)定劑必須有特殊的分子結(jié)構(gòu)，一端有一個(gè)對(duì)磁性顆粒界面產(chǎn)生高度親和力的釘扎功能團(tuán)，另一端還需一個(gè)極易分散于某種基液中去的適當(dāng)長(zhǎng)度的彈性基團(tuán)。

　　將這三種物質(zhì)按一定的比例混合均勻，即可形成磁流變液。良好的磁流變液必須具有下列性能：

　　(1)具有優(yōu)良的磁化和退磁特性，以保證磁流變液的磁流變效應(yīng)是一種可逆變化。因此這種流體的磁滯回線必須狹窄，內(nèi)聚力較小，而磁導(dǎo)率很大，尤其是磁導(dǎo)率的初始值和極大值必須很大；

　　(2)應(yīng)具有較大的磁飽和特性，以便使得盡可能大的“磁流”通過(guò)懸浮液的橫截面，從而給顆粒相互間提供盡可能大的能量；

　　(3)應(yīng)具有較小的能量損耗，在工作期間，全部損耗(如磁滯現(xiàn)象、渦流現(xiàn)象等)都應(yīng)該是一個(gè)很小的量；

　　(4)應(yīng)具有高度磁化和穩(wěn)定的性能，這就要求磁流變液中的強(qiáng)磁性粒子的分布必須均勻，而且分布率保持不變；

　　(5)應(yīng)具備極高的“擊穿磁場(chǎng)”，以防止磁流變液被磨損并改變性能；

　　(6)應(yīng)在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)具有極高的穩(wěn)定性，以保證磁流變液的流變性能不會(huì)在正常工作溫度范圍內(nèi)發(fā)生改變；

　　(7)構(gòu)成磁流變液的原材料應(yīng)是價(jià)廉的而不是稀有的。

　　目前國(guó)際上關(guān)于磁流變液材料制備方法和工藝的報(bào)道比較多。中國(guó)科技大學(xué)磁流變研究組陳祖耀、江萬(wàn)權(quán)等人用Y-輻射技術(shù)產(chǎn)生直徑在200nm～5μm 的Co粒子，并將鐵顆粒表面復(fù)合此納米尺寸的Co粒子，形成鐵復(fù)合物為懸浮粒子制備的磁流變液。在中國(guó)科技大學(xué)的旋轉(zhuǎn)式磁流變液測(cè)試系統(tǒng)上測(cè)試，結(jié)果表明剪切屈服應(yīng)力顯著增大；用直徑為2.5μm～8μm羰基鐵粉分散于硅油中，并用偶聯(lián)劑預(yù)先處理，改善液態(tài)相和固態(tài)相的相容性，可有效防止粒子沉淀，該磁流變液效應(yīng)顯著，且具有較大的溫度穩(wěn)定性。2002年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)磁流變研究組成功地篩選制備了KDC—1磁流變液，該樣品實(shí)驗(yàn)室工藝穩(wěn)定，有較大的剪切屈服強(qiáng)度和沉降穩(wěn)定性，其主要力學(xué)性能指標(biāo)與美國(guó)Lord公司產(chǎn)品接近。現(xiàn)已完成對(duì)3家友鄰研究單位KDC—1 MRF小批量實(shí)驗(yàn)室規(guī)模供給，反映良好。