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文章编号
:
(
)
磁流变液磁性颗粒的研究进展
韩易言
,
何国田
,
林远长
,
徐泽宇
,
朱晓强
,
刘永福
,
赵
健
,
李先忠
重庆大学 光电工程学院
重庆
中国科学院重庆绿色智能技术研究院
重庆
摘
要
:
磁流变液中的磁性颗粒要求具有高矫顽力
、
低比 重
,
在 相 当 大 的 温 度 范 围 内 保 持 较 高 的 稳 定 性
。
基于以上
,
综述了各种磁性颗粒的特点
、
发展历程及其
各种物理化学制 备方法
,
阐述 了 各种制 备 方法 与 磁 性
颗粒结构及性能 的关系
,
对比 分 析了各 种 磁性 颗 粒 对
磁流变液性能的影响
,
指出了目前存在的问题
,
展望了
磁性颗粒的制备方法与结构
、
性能机理的发展趋势
。
关键词
:
磁流变液
;
磁性颗粒
;
制备方法
中图分类号
:
文献标识码
:
:
/
引
言
磁流变液
是 磁
流变智能材料中 一个新 的 分支
吸引 了 越来越 多研 究
者的注意
主 要 由 基 液
分 散 介 质
分 散 颗 粒
分 散
质
添加剂
稳定剂
等部分组成稳定悬浮液
具有低
成本
低 能 耗
高 屈 服 应 力
宽 温 度 范 围
流变特性不受杂质影响等特点
已研究出或正在
研究的各种磁流 变 液装置
如离 合 器
变 速 器
减 振 器
用于直升飞机 螺 旋桨减 振
汽车 减 振
各种 武 器 瞄 准
系统的 减 振
高品 质 的喇叭
温度 传 感器
加速 度 传
感器等
在自动化及 结 构智能 控 制领域 具 有广 阔 的 应
用前景
年 随 着 磁 流 变 液 的 诞 生
在
世 纪
年
代
人们多用铁粉这 种 单质颗 粒 作为磁 流 变液 的 磁 性
颗粒
但是由于铁粉 存 在易氧 化
存在 颗粒 体积 有限
而无法提高剪切屈服强度
密度较大而易发生沉降
还
由于当时制造技 术有限 导 致的抗 磨 损性差
团 聚 稳 定
性不佳等等诸 多 问题
这种 材 料在之 后鲜 有人 用
之
后相继有人研究 了 磁性单 质 颗粒
如 钴 粉
镍 粉
但 性
能不佳
世纪
年 代
磁 性 合 金 和 金 属 氧 化
物同时进入磁流变液领域
它们相对铁粉
具有较大的
矫顽力
中等饱和磁化强度
大的磁致伸缩性以及高的
化学稳定性
并大大降低了颗粒密度
提升了沉降稳定
性
之后羰基铁粉逐 渐 覆盖整 个 领域
它 的 饱 和 磁 化
强度能达
且物性较软
具有可压缩性
材料成
本低
购买方便
但是羰基铁依然存在密度大
化学稳
定性差
颗粒较大
易磨损
与载液相容性不够等问题
世纪
年代末期
开始出现复合软磁性颗粒
大致
可分为
类
聚合物包覆铁粉
软磁性颗粒包覆非金属
材料和金属颗粒包覆软磁性颗粒
这些新型磁性颗粒
在团聚稳定性
沉降 稳 定性
温度 稳 定性
抗 磨 损 性 等
一系列性能上更进一步提升了磁流变液的整体性能
磁性颗粒的 制 备 最 早 可 以 追 溯 到
世 纪
年
代
在首次制备磁流变液后
各学者开始从制备磁性颗
粒入手提升其性能
最初 的 莫过于
提出 的 机械
研磨法
他将粉碎得 到 的铁氧 体 粉末与 有 机溶 剂 加 入
球磨机中
经过 长时间 研 磨并浓 缩 得到 铁磁 颗粒
近
年来
法国
瑞典
俄罗 斯
新加 坡
澳 大 利 亚 等 国 家 的
研究人员也在进行磁流变弹性体的研究
我国在磁流
变材料方面的研 究起步 较 晚
中国 科 学技术 大 学 走 在
国内该领域研究 的 最前列
重庆 大 学
四 川 大 学
浙 江
大学
清华大学 和上海 交 通大学 也 有相 关研 究
磁 流
变液的研究方兴 未艾
本文 对 近年来 国 内外磁 性颗 粒
在制备和应用方面的研究进展进行了综述
磁性颗粒的特点及其发展
单质磁性金属颗粒
年
首次发明了磁流变液
他将
铁粉颗粒与机油 混合制 得 磁流变 液
经过 一 系列 实验
首次对磁流变 效 应进行 了 相应的 表 征
在 实 验 中
这
种磁流变液在外界装置的控制下可以吊起重
的
女孩
并将其运用于离合器
该离合器具有控制平滑
耗电低
摩擦小
制造简单等优点
由于磁流变液技术
不成熟
其铁粉颗 粒密度 大
导致 抗 沉降 性差
颗 粒 体
积大而表面粗糙
导致易磨损等问题
难以投入到实际
应用中
年
等
以铁粉颗粒为磁性
颗粒
按载液和添加剂的不同
配制了十余种磁流变液
进行实验
通过实验
他指 出 稳定的 磁 流 变 液 的 配 比
条件
铁磁性颗粒比重在
微粒大小在
范围
年
在 设 计 的 磁 流 变
液装置专利中提到
最典型的配方是比重
为铁粉
颗粒的磁性颗粒
比重
的轻机油为载液的磁流变
液
年
美 国 的
在 另 外 一 篇 关 于 汽 车
韩易言 等
磁流变液磁性颗粒的研究进展
基金项目
:
国家高技术研究发展计划
计划
资助项目
重庆市重大专项资助项目
收到初稿日期
:
收到修改稿日期
:
通讯作者
:
何国田
作者简介
:
韩易言
男
重庆人
在读本科
主要从事仪器科学与技术方面研究
内部装置的 专 利 中 说 明 铁 粉 水 基 的 磁 流 变 液 价 格 便
宜
更易于商业化的制造
年
制备
了以钴粉为软磁性颗粒悬浮相的磁流变液
他通过加
热羰基化合物的方 法 得到了 单 质钴以 制 备磁 流 变 液
并得出其饱和磁化强度比一般铁氧体要大
年
将钴粉投入到磁流变液中对其各向异性
进行了研究
与四氧 化 三铁比 较 得出其 各 向异 性 是 磁
铁矿的
倍左右
年
以镍粉为悬浮相的磁流变
液被
等
制备出来
经过 研 究 发 现
新悬浮
相下的磁流变液的饱和磁化强度大于铁氧体的磁流变
液
但抗氧 化 性 差
可 能 会 在 几 个 小 时 内 被 氧 化
同
时
制备镍的工艺不够简便
需要从有毒的原料中提炼
出来
单质铁磁性颗 粒 由于易 被 氧化
密 度 大 等 不 可
改变的特性
使得人 们 逐渐将 目 光投向 了 其它 合 金 以
及复合材料
随着 研究以 及 技 术 的 进 步
在
世 纪
人们主要是研究 纳米量 级 的单质 磁 性颗粒
其 性 能 在
各方面都有所提升
突破了磁流变液微米颗粒的瓶颈
磁性金属化合物颗粒与羰基化合物颗粒
年
在他设 计 的减震 器 专利中 对 磁
流变液中磁性颗粒的应用进行了较为全面的梳理
他
指出铁
羰 基 铁
磁 铁 矿
钢 能 够 作 为 磁 性 颗
粒
其它金属如镍
钴
锰
钛
铝
铬 等 可 作 为 合 金 磁
性颗粒中的成分之一
以改善颗粒基本性质
但是并未
进行实际实验或应用
他还从温度耐用的角度具体分
析
得出了
的 温 度 稳 定 性 优 于 羰 基 铁
也 提 出
各种合金磁性颗粒能够更好地满足磁流变液在工业应
用中的需求
年
提到了磁 流 变
液的制备方法
他用
作为磁性颗粒
配制了
种
不同载液的磁流变液
又用
作为磁性颗粒
配制
了
种不同载液的 磁 流变液
同时 还 总结了 磁 流 变 液
的制备步骤
年
在他的关于磁流变
液减震器的专利中 提 到 了 将 磁 铁 矿 颗 粒
与机
油混合的磁流变液
但是并未对其性质加以深入研究
随后
年
等 研 究 了 将 微 米 量 级 的 磁
铁矿颗粒的磁流 变液混 进 血液
提出 通 过磁流 变效 应
来控制血 液 的 流 速
同 时 他 指 出 分 散 剂 具 有 一 定 毒
性
当大剂量地将磁流变液加进血液时
在血液的离子
环境中无法获得理想效果
年
等
对磁
铁矿的各向异性作了研究
得出 其 值为
年
等 着 重 研 究 了 羰 基 化 合
物作为磁性颗粒
并就热稳定性而言
羰基铁的适用温
度在
羰 基 钴 和 羰 基 镍 的 适 用 温 度 在
并 给 出 了 几 种 典 型 羰 基 铁 如
和
提 出 这 些 化 学 结 构 的 羰 基 铁 作
为磁 性 颗 粒 较 好
年
在 美 国
公 司
申请的磁 流 变 液 减 速 器 中
他 以 羰 基 铁 为 悬 浮
相
硅油为基液的磁 流 变液发 明 了应用 于 汽车 工 业 的
磁流变装置
虽然屈服应力有所增加
但在高温度下
羰基铁化学性质不够稳定
且密度大
易沉降
国内研
究起步较晚
年复旦大学潘胜
用了羰基铁作为
悬浮相的磁流变液进行了性质研究
年
电子科
技大学的杨仕清等
用球形羰基铁颗粒
硅油和油酸
制备了磁流变液
提出磁流变液的剪切应力
τ
随剪 切
率
γ
的变化为曲线关系
合金磁性颗粒
年
等
提到在磁流变 液 中
除
了铁粉
亦可用铁钴 合 金颗粒 来 实现磁 流 变液 在 磁 场
控制下的流变性转化性质
年
在减震器
专利中提到磁性颗粒可用
各种合金如铝镍合金
坡莫
合金
铝 铁 合 金 等 也 可 用 作 磁 性 颗 粒
年
等 提 出 了 合 适 的 磁 流 变 液 磁 性 颗 粒 材
料
他提出了两种合金配方
铁与
钴的合
金
铁与
钴
以及
的钒
年
将 超 细 微 米 量 级 的 磁 铁 矿 颗 粒
镍 铁 氧 体
钴 铁 氧 体
混以煤油载液 和 表面活 性 剂
制成 磁 流 变 液
并 且 对
各种不同颗粒对 磁流变 效 应的影 响 作了性 质 研 究
得
出后两 种 悬 浮 相 具 有 较 大 的 表 面 改 性 的 结 论
年
等
制 出 了 以 铁 钴 合 金 为 颗 粒 的
磁流变液
此种合金 颗 粒应用 的 可行性 为 以后 研 究 铁
镍合金
镍钴合 金等作 为 磁性颗 粒 开创 了道 路
同 时
他又提出了这种 合金的 抗 氧化性 不 好
并且 在 制 备 方
法 方 面
由 分 解 羰 基 铁 来 制 备 的 方 法 也 难 以 实 现
年
他又成功 制 备了 镍 铁 合 金 的 磁 流 变 液
通
过实验绘出了在磁场
下的 磁 致回线
在固 定 磁场
中得出了温度与 初始磁 化 率的关 系 曲线
属于 非线 性
关系
提出了这种合金磁流变液的性质能够被载液和
外界温度所影响
年
报道了锰
锌铁氧体颗粒作 为磁流 变 液的悬 浮 相
并对 其 性 质 做
了相应研究
包括在不同颗粒浓度下
该磁流变液的初
始磁化率与外界 温度的 关 系呈非 线 性
在不 同 磁 场 强
度下
该磁流变液初 始 磁化率 随 温度变 化 关系 也 属 于
非线性
同时他还研 究 了锰锌 铁 氧体与 煤 油制 成 的 磁
流变液在不同磁场下的磁滞回线
最后他提出了此种
磁流变液能应用于 各 个领域 的 样品降 温 和磁 场 感 应
年
德国
公司的
已制出稳定的
纳米级磁流变液
的外界磁场作用下
屈服应力
可达
改善颗粒大小量级而增强了磁流变液整体
性能
年
国内杨仕清等
成功利用多元醇软化
学方法制备了
超细 合 金颗粒 用于 磁流 变液
并
且通过实验探讨了剪切应力和表观粘度系数随外加磁
场的变化关系
提出 了 研制的 此 种磁流 变 液的 流 变 性
质具有较高的低磁场敏感性质
年
罗驹华
采
用液相还原法制备出了纳米
合金纳米颗粒
通过 实 验 分 析 表 明
制 备 的 颗 粒 呈 球 形
平 均 粒 径 为
其 抗 氧 化 能 力 较 强
矫 顽 力 趋 近 于 零
呈 现 超
顺磁性
年
单小璇等
成功用化学共沉淀法制
备了粒径为
的
合金纳米颗粒
研究表
年第
期
卷
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