海绵磨头(可调功能材料（IV）：磁流变材料简介)

Posted 2023-06-01

篇首语：知识是一种快乐，而好奇则是知识的萌芽。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了海绵磨头(可调功能材料（IV）：磁流变材料简介)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

海绵磨头(可调功能材料（IV）：磁流变材料简介)

功能材料（Functional Materials）是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料，有时也被称作特种材料（Speciality Materials）或精细材料（Fine Materials）。功能材料的功能涉及面广，具体包括光功能、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等等。这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。功能材料种类繁多，在日常生活、工业制造、仪器仪表、军用装备领域都有着广泛的应用，而性能可以调节的可调功能材料就是其中重要的一类。本文将简单介绍磁流变液与磁流变弹性两种材料的基本原理、性能与应用。

磁流变智能材料是一种通过感知外界环境刺激，并迅速做出判断与相应处理的先进材料，已受到广泛关注。磁流变智能材料主要包括磁流变液（Magnetorheological Fluid, MRF）和磁流变弹性体（Magnetorheological Elastomer, MRE）两种。

磁流变液（MRF）在加磁、退磁过程中，能在极短时间（毫秒量级）内完成液态——固态——液态的转变，是一种智能流体，具有实时可控、耗能小、转化可逆、表观粘度连续等优点。独特的磁流变特性使得磁流变液在高精密抛光、控制元件、减振阻尼、传动装置、医疗器材、密封等领域得到应用，显示出极大的潜力。磁流变弹性体（MRE）材料是利用高分子聚合物（通常为橡胶）替换掉磁流变液中的液体成分而形成的材料，它克服了MRF易沉降、稳定性差、颗粒易磨损等缺点，又具备响应速度快、可逆性好、结构设计简单、制备成本低等优点，并被广泛用于航空、运输、机械、能源等领域。

随着人类对能源需求日益增长和对生存环境质量要求不断提高，能源和环境问题已成为当今世界人类发展所面临的重要问题。智能材料的出现为高效开发复杂油气藏带来了新的机遇。磁流变液与磁流变弹性体作为一种新型智能材料，将会在降低油气开采成本、提高采收率等方面显示出良好的应用前景。

发展历史

磁流变材料是一种新型的智能材料，这种材料在外加磁场的作用下，可实现在液态和固态之间的快速、可逆的转换。早在1945年，电流变效应就被Winslow发现，在其研究基础上，1948年，美国国家标准局的研究人员J. Rabinow发现了磁流变效应。他把铁磁性颗粒与水或油等液体混合后，在外磁场的作用下，该混合液表观粘度会呈指数增加，并呈现出了类固体特性，该现象即为磁流变效应，这种液体被称作磁流变液（Magnetorheological Fluid, MRF），也就是最初的磁流变材料。但是磁流变液中分散相粒子与载液之间存在较大的密度差，由此引起的磁性颗粒的沉降困扰限制了磁流变液的发展，加之励磁装置设计方面的困难，磁流变液在研究初期的进展非常缓慢。

到了20世纪90年代，由于材料科学的迅猛发展，以及与电流变液相比具有更好的可操作性，磁流变液才得以重焕生机。磁流变液是最早发展起来的一类磁流变材料，随着材料学的发展，磁流变材料的种类越来越多，后来这种磁性材料经过人们不断的研究与探索，又发展延伸出磁流变弹性体（Magnetorheological Elastomer, MRE）、磁流变泡沫、磁流变胶等材料，而在这些材料中，MRE则是应用最为广泛的一种。

磁流变液

磁流变液主要由三部分组成：磁性颗粒、稳定剂和基础剂，它是由微米级的磁性颗粒均匀分散于非磁性的的载液中形成的悬浮体系。在没有外加磁场的时候，磁性颗粒随机均匀分散在载液中，类似于牛顿流体，一旦施加磁场，体系中的磁性颗粒在外磁场的作用下发生极化，产生偶极-偶极相互作用，磁性颗粒沿外加磁场方向排列成链甚至成柱，磁流变液瞬间由液态变为类固态。在这一过程中，磁流变液的流变性能发生了显著的变化，粘度显著增大并产生屈服应力。撤去外加磁场后，磁流变液又迅速恢复原状，这一过程仅需要毫秒时间，而且几乎是可逆的，磁流变液的这种特殊变化称为磁流变效应。

实验表明，在没有磁场作用时，磁流变液的悬浮颗粒处于随机分布；而它在强磁场作用下，悬浮颗粒沿磁场方向形成链状、柱状或更为复杂的类固体结构。对磁流变液的微观结构从理论上加以解释和从实验上加以观察，有助于认识磁流变效应的机理。

磁流变机理并没有完全成熟的物理解释，最直观的解释如下图。在外加磁场下，磁性颗粒磁化后顺着磁场方向形成链条状，宏观上液体呈类固态而失去流动性。当磁场的磁感应强度为“0T”时，左图的磁流变液中的软磁性颗粒呈现随机分布状态，当磁场的磁感应强度为“0.1T”时，可以清晰的在右图中看到软磁性颗粒排列成链束状。

对磁流变液流变性能的微观机理进行解释的理论主要有相变（成核）理论和场致偶极矩理论。这些理论都只能解释磁流变效应的部分现象，还有待进一步研究。一般认为，磁流变效应是由于磁性颗粒间存在相互吸引力从而促使微观结构的形成。Bossis指出磁流变效应的核心是在外场作用下固体颗粒被感应成偶极子，而偶极子间的吸引力引起颗粒成链与相分离。Gross用摄动理论和数值计算方法分析了有限长偶极子链间的相互作用，发现一种大范围吸引性的“链弯曲”作用，然而这个范围还不能充分解释在非常稀的磁流变液中链的聚集。Mohebi推导了在外加磁场作用下磁流变液的分子动力学模型，仿真结果显示，随着磁场增加速度的加快，横向结构（从磁场方向看）的复杂性加大。

Bossis用光学显微镜观察了封于两玻璃板间的薄层经典型磁流变液的光传输情况，并用图象分析技术研究了微观结构的变化。发现当磁场强度较低时，透光强度较低，且基本为常数，说明尚没有形成微观结构。当磁场强度在某一值时，透光强度迅速增加，说明已完成微观结构的形成。Cutillas用磁性聚苯乙烯微粒制成的水基磁流变液进行了往复剪切流动状态下的结构研究，观察到了从链状结构到层状(带状)结构的转变。Hwang用小角度光散射研究了聚苯乙烯磁性颗粒磁流变液的场致微观结构。发现当磁场强度增加时，体系经历一系列结构变化：单独颗粒——颗粒链构成的无序非均匀区域——强相互作用的柱状结构。

Takimoto等人通过实验和数值仿真研究了在倾斜磁场作用下磁流变液的剪切应力和颗粒聚集结构。Zhu用水基磁性聚苯乙烯磁性微粒磁流变液进行了结构研究，发现非常慢速的增加磁场，可得到稳定的分散柱状构；而非常快速的增加磁场，可得到像蚯蚓状（从磁场方向看）、中等稳定的“弯曲壁”结构。

研究磁流变液的性能及其影响因素对于研制和应用磁流变液具有重要指导意义。优质磁流变液应具有的性能特征是：沉淀稳定性好、易于再分散、动屈服应力高、零场粘度低、响应时间快、工作温度范围宽。

由于颗粒的密度通常比载液大，磁流变液会产生沉降稳定性问题。当磁流变液中的颗粒沉淀出来后，它们通常形成高度密集、紧紧粘住的硬“饼”,很难再分散开。为提高沉降稳定性和再分散性，通常要加入各种稳定剂和表面活性剂。影响稳定性的因素包括颗粒直径的大小、体积分数、颗粒密度以及载液的粘度和密度等。余心宏分析了磁流变液的稳定性机理。Kordonski通过实验证实颗粒沉降速度与颗粒直径的平方成正比，因而减小颗粒尺寸可以增加磁流变液的稳定性；另外，在颗粒直径较小时，增加颗粒体积分数可使稳定性线性增加。

许多研究得到的磁流变液的磁化曲线表明，当磁场强度增加时，磁化强度先是迅速增加,而最终达到饱和磁化强度Ms。Phule测试了2种磁流变液 (颗粒体积分数为0.3～0.4)的磁化曲线，发现对羰基铁磁流变液，Ms≈0.75T，这相当于颗粒体积分数约为0.36；而对铁氧体磁流变液，Ms≈0.14T，这相当于颗粒体积分数约为0.35。Kordonski用颗粒直径为3.7μm、体积分数分别为0.1、0.2、0.3的3种磁流变液进行了实验，发现磁流变液都在H0≈250kA/m时饱和 ,该值与体积分数无关。他们还发现，磁流变液的磁化率随体积分数的增加而线性增加，而且有随颗粒直径增大而增大的趋势。

在无外场作用时，大多数磁流变液为牛顿流体，此时零场粘度与剪切速率无关；而有些磁流变液在零场时就已显示出非牛顿流体的特性,表现为零场粘度随剪切速率增加而下降。Kordonski通过实验发现零场粘度随体积分数增加而急剧增加，而与颗粒直径无明显关系。磁流变液开始流动后呈现剪切稀化现象。表观粘度Zap随磁场强度H及剪切速率的变化可通过引入一无量纲的Mason数（Mn）来反映。Felt还发现磁流变液的表观粘度与颗粒体积分数和颗粒直径均成正比关系。

磁流变弹性体

磁流变弹性体是磁流变材料的一个重要分支。1995年，日本的Shiga等将聚硅氧烷和铁粉混合，制备出具有磁控性能的材料，成为磁流变弹性体的雏形。磁流变弹性体主要是由高分子聚合物基体和磁性颗粒组成，通常是在制备过程中通过施加磁场，使磁性颗粒沿磁场方向有序排列，进而被固化在基体中，形成各向异性的粘弹性材料。因为磁性颗粒被固化在基体中，MRE的流变性能和力学性能就不能像磁流变液那样随磁场发生巨大的变化，而主要是在材料屈服前阶段，通过外加磁场改变其模量及阻尼等性能进行调控和应用。

MRE由三个基本组分组成：磁性颗粒、弹性体基体和添加剂，这些组分混合在一起形成一个大密度磁性粒子随机分散或预先排列在低密度基体中的化合物。Jolly首次对MRE进行了全面研究，考察了嵌有铁粒子的弹性体复合材料在磁场下的材料性能。研究表明，MRE的磁流变效应源于粒子之间的相互作用。材料在外加磁场作用下表现出一种与磁场有关的材料特性，在相邻磁性粒子之间形成一个三维交联网络。当施加外部机械载荷时，这种交联网络倾向于保持原来的状态，且这种趋势与磁场强度成正比。

磁流变弹性体有着优秀的力学性能、电学性能和磁致性能。其力学性能表现在磁场作用下的线性粘弹性体动力学特性，即其性能介于线弹性体和线性粘性流体之间，描述其动态特性的指标包括复模量、储能模量、损耗模量、损耗因子等。其中，储能模量与弹性体的刚度成正比，而损耗因子则决定弹性体的粘性阻尼。磁流变弹性体还具备独特的电学性能。由于磁流变弹性体的基体一般都是绝缘体，其电阻主要由填充颗粒决定MRE因其内部颗粒结构的特殊性以及内部颗粒具有的导电性，使其具备敏感的外界激励响应性。因此，准确控制软磁性颗粒在混合基体中的分散状态可以提高磁流变弹性体的导电性。而磁流变弹性体的磁学性能则包括磁导率、磁流变效应等。其中，磁流变效应是磁流变弹性体最重要的性能指标，直接决定了磁流变弹性体的使用范围和使用效。

力学性能是MRE材料在工业上应用最多的优势性能，而这方面的研究重点是通过改变磁流变弹性体的基体材料、填充颗粒或控制制备过程中外加磁场的大小及方向，来改善或优化力学性能，使其能更好地应用于工业领域以及其它方面。Pickering等用双-[3-(三乙氧基硅)丙基]-四硫化物对铁砂进行表面改性，用其制备磁流变弹性体，并对该磁流变性弹性体(MRE) 的动态力学性能进行了研究，同时研究了其形态特征，最终得出结论：双-[3-(三乙氧基硅)丙基]-四硫化物是铁砂颗粒与橡胶之间的偶联剂，并且当其含量为6%时，其二者交联密度最高。

Li等对基于二甲基硅氧烷制备得到的磁流变弹性体进行分析与表征，探究了MRE的局部磁场和粒子的相互作用磁能，对MRE的晶格和BCC结构与磁场相关的力学性质进行了理论分析和数值模拟，并通过平行板流变仪对模拟结果进行了验证，得到了一致的结果。Ge等研究了由羰基铁粒子（CIP）、聚二甲基硅氧烷和碳纳米管（CNT）组成的磁流变弹性体（MREs）。其中，CIP在基质中呈线性排列。该MRE材料显示出了典型的磁流变学效应，并且它的剪切存储模量有所增加。

Yu等使用聚苯胺(PANI)对磁流变弹性体中的羰基铁粒子进行改性，并制备了一种新型的磁流变弹性体(MRE)。通过粒子特性分析结果对比原始羰基铁粒子和PANI改性羰基铁粒子之间的形态、表面功能性质、磁性性质和表面吸附行为的变化，采用PANI改性的羰基铁粒子MRE样品具有较大的存储模量、较小的损耗系数，以及较低的佩恩效应。结果表明，通过改进羰基铁粒子和矩阵之间的界面相互作用，提高了字段诱导的存储模量和存储模量的敏感性。

Kumar等为研究软磁性颗粒的体积、基体内分布与样品的力学性能之间的关系，将胶粒大小的铁颗粒与室温硫化（RTV）的橡胶溶液混合，制备成磁流变弹性体试样，并通过力学试样证明，可通过改变该软磁性颗粒的体积及分布得到不同力学性能的MRE材料。

Khimi等研究了含有非改性或硅烷改性铁砂粒子的磁流变弹性体（各向同性与各向异性均有），采用动态力学分析方法，通过对频率、应变振幅和温度的动态力学分析，测量了在循环拉伸载荷下的能量消耗。扫描电子显微镜的证据表明，使用改性铁砂不会干扰基质中磁性粒子链的形成，而随着磁场强度的增加，链的长度也会越来越长。不难看出，MRE材料的力学性能由软磁性颗粒与基质间的结构有关，两者间的结构越稳定，相对应的MRE材料的力学性能越好。

MRE的电学性能也会影响其使用性能。由于MRE材料的电学性能是由填充颗粒所决定，因此现阶段MRE材料电特性的研究主要针对的是填充软磁性颗粒的材料、体积及排列形态，可通过改变这些条件来控制所制备MRE材料的电特性，从而得到性能更为优异的MRE材料。

Mietta等研究了一种基于多二甲基硅氧烷（PDMS）制备而成的且仅在单方向显示导电性的各向异性磁流变学材料。这种材料只有在与内部链状结构平行的方向上有明显的导电性。当在恒磁场中施加压力时，导电率就会增加。同时，该材料不会出现磁电或压电性滞后现象，可通过施加外部机械力或磁力改变导电率。Ge等研究了由羰基铁粒子、聚二甲基硅氧烷和碳纳米管（CNTs）组成的导电磁弹性弹性体，由于在晶胞网络上有CNTs的存在，导致MRE具备导电性，并且MRE的电阻随拉伸应变的增加而增加。

通过这些研究我们可以看出，MRE材料的电学性能是由软磁性颗粒决定的，当颗粒的导电性能越好，其制备得到的MRE材料的导电性越强，颗粒间的空隙越小，相对应的MRE材料的导电性越好。

同样的，MRE材料的磁致性能也是由填充颗粒所决定，因此现阶段需要通过探究如何改变MRE材料填充颗粒才能得到磁致性能更为优异的MRE材料。Khimi等针对含硅烷改性铁砂粒子的磁流变弹性体进行磁滞研究，其基质中含有不同含量的碳黑填料。结果表明，样品的能量吸收比常规的MRE材料在频率和应变幅度的范围上都要高，这在很大程度上是由于制备方案中存在碳黑素。对各向异性的MRE材料进行了进一步的评估，结果表明，该系统的能量吸收比具有相同炭黑含量的样品高，这证实了制备时加入的改性铁砂提高了阻尼。

Semisalova等研究了均匀磁场对含有不同填充颗粒（Fe、NdFeB和Fe3O4 ）磁流变弹性体的性能的影响，通过对MRE材料平面电容的测量，得到了介电常数。当应用场垂直于电容板时，观察到介电常数（磁电介质效应）的增加，并且磁电介质效应依赖于磁性填料的类型、大小和浓度。其中，填充钕铁硼颗粒（NdFeB）的磁流变弹性体拥有最高的磁相应。同时，作者提出了一种解释磁电介质效应物理原因的简单模型。

与电学性能相似，MRE材料的磁致性能与软磁性颗粒的磁致性能息息相关，颗粒的磁致性能越好，相对应的MRE材料的磁致性能越好。

研究前沿

磁流变抛光技术是一种新型的光学制造技术。1992年白俄罗斯Kordonski等将电磁学与流体动力学理论结合于光学加工中，发明了磁流变抛光（MRF）技术，开创了这一新领域。在磁场中，发生流变的磁流变抛光液流经工件与运动盘形成的小间隙时，对工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。2008年，广东工业大学阎秋生等人初次提出集群磁流变抛光技术，该加工技术的基本原理是：将永磁体均匀地嵌入到绝磁材料制成的抛光盘中，磁流变抛光液中的磁性磨料会在磁场作用下形成抛光垫层，根据集群效应，在每个磁极处形成研磨液堆积突起，由此形成抛光微磨头，随着工件主轴的转动，工件与微磨头之间发生剪切，从而实现表面材料去除。其抛光原理如图所示。

集群磁流变将传统磁流变中的单点抛光通过磁盘的集群效应形成抛光垫层，变成多点抛光，磨料均匀分布在磁流变液中，抛光时能够对工件实现全方位接触，达到高效率、高质量去除，同时能够消除传统加工所产生的亚表面损伤，并且没有新的表面质量问题出现，但是通过阅读文献发现，该方法目前多应用于平面加工，对于曲面、凸面加工暂时还没有相关研究。

现代火炮和自动武器威力不断提高，同时对其机动性和射击精度也提出更高的要求。降低后坐力是火炮等武器火力系统研究中的关键问题，也是协调威力、机动性、射击精度之间矛盾的关键技术。磁流变液具有可控、可逆、动态响应迅速等优点，将磁流变缓冲器应用于自动武器中，可以得到新一代的自动武器反后坐装置，这已成为磁流变器件的一个重要应用方向。Ahmadian等基于磁流变阻尼器设计的前冲炮性能明显优于基于液压缓冲，该型前冲炮，如图所示。采用闭环控制器实时调整输出变化的阻尼力，射击试验表明可以提高射击精度。Chen等于2004年公开了一项关于自适应高速、高冲击力的电/磁流变后坐阻尼减振装置及其控制算法的专利。Bajkowski等将磁流变缓冲器用于孔径为7.62 mm的AKMS型卡宾枪的后坐系统中，取得良好的减振效果。

导电性MRE的研制是相关智能传感、驱动器件开发的基础。研究人员已经制备出高导电敏感特性的MRE，通过调控导电颗粒、高分子基体、添加剂等组分和设计结构，可灵活地调整MRE的电响应性能，控制其拉伸模量、压缩性能、阻尼、磁流变效应等力学性能，导电MRE还可通过结构设计研制出不同场响应性能的传感器。

Ding利用多孔结构的诸多优点，比如密度低、孔隙度高、弹性好、柔韧性高、变形大等，制备出高性能的磁组压阻双模传感器。该传感器通过简单的模板浸出方法将多壁CNT和CIP嵌入多孔PDMS基质中制备。通过实时测量单位传感器的相对电阻，基于MRE海绵制造的双模检测电子棋盘可以识别不同质量和不同磁性的棋子。Ding还设计了简单的滴落—干燥工艺制造出具有传感和磁驱动特性MRE纤维。该复合纤维基于柔性可拉伸松紧线，其中螺旋形的AgNW网络作为导电芯，磁性聚合物作为壳体。MRE纤维表现出理想的柔韧性，在拉伸，在拉伸、弯曲、磁场传感器中具有很高的潜力。

展望

目前，磁流变智能材料已成为国内研究的热点之一，然而与国外相比，无论是在理论研究还是应用研究方面都仍存在一定差距。关于磁流变液，现在仍有不少困难急需解决，如磁流变效应的微观机理不明确、沉降稳定性差、最大剪切强度低、热稳定性差、磁性颗粒浓度太高等。因此，磁流变液智能流体将逐渐向高温稳定、可循环利用以及环境友好方向发展，并在常规与非常规油气藏开发中的节能减耗、提高固井质量、智能暂堵等方面将发挥作用，有助于低油价时期油气开采环节的节能降耗与降低成本。

磁流变弹性体作为一种最具发展潜力的磁流变材料，可广泛用于航空、运输、机械、能源等领域。它有着响应快、可逆性好、结构设计简单、制备成本低等优点。现阶段的磁流变弹性体虽然还存在不足，但可通过选择改性基体材料、改变填充颗粒、控制制备时施加的外加磁场等方式进行改善。