磁流流變材料簡介
你如果看過電影《*Ⅱ》,一定會對影片中T-1000型液體金屬機械人留下深刻的印象。觀眾在欣賞影片《帝國》時一定會羨慕主角身上所穿的神奇的盔甲:它不像傳統的Kevlar頭盔或防彈背心那樣笨重、不便,在危險來臨時它卻能像一面堅不可摧的盾牌,抵御子彈等外來物的攻擊,也被稱為瞬時盔甲(instant armor)。人們也許認為這些只是科幻電影,是遙不可及的夢想。然而在可預見的將來,電磁流變材料也許會幫助我們實現這一夢想。
磁流變(Magnetorheological,簡稱MR)材料是一種流變性能可由磁場控制的新型智能材料。由于其響應快(ms量級)、可逆性好(撤去磁場后,又恢復初始狀態)、以及通過調節磁場大小來控制材料的力學性能連續變化,因而近年來在汽車、建筑、振動控制等領域得到廣泛應用。
作為新型智能材料的一個分支,電流變(ER)和磁流變(MR)材料具有在外部電、磁場作用下流變性能急劇變化的*機-電耦合特性和相關高技術特征。電(磁)流變材料包括:電(磁)流變液(ER/MR fluids)、電(磁)流變泡沫(ER/MR foams)、電(磁)流變彈性體(ER/MR Elastomer)。近幾年來電(磁)流變彈性體的研究尤為引人注目。
電磁流變材料的歷史
1945年Winslow發現電流變效應,1948年Rabinow發現磁流變效應。開始人們一度不看好磁流變液,因為磁流變液需要密度較大的磁性顆粒,而這將導致顆粒沉降在液體底部,另外外加勵磁裝置對于器件的設計而言也是個難題,因而阻礙了它在工程中的應用。但相比于電流變效應,磁流變效應大得多,磁流變液更加吸引人。后來由于材料制備水平的限制,一直到上世紀90年代近半個世紀,電磁流變材料的研究一直處于停滯狀態。進入上世紀90年代,由于材料制備水平的突破,特別是通過加入添加劑或對顆粒進行包裹(以降低其屈服強度為代價),顆粒的沉降問題基本得到解決,上掀起了磁流變液的研究熱潮,特別是Lord公司開始專業研究、制備、銷售磁流變液及開發磁流變液應用器件,標志著磁流變液朝商品化、產業化方向開始邁進。
磁流變材料發展至今,已發展成為包括磁流變液(MR fluids)、磁流變彈性體(MR elastomers)、磁流變泡沫(MR foams)等成員的大家族,涵蓋物理、化學、力學、機械、控制等多學科領域。
1987年在美國Boston召開了屆電磁流變液會議(The 1st International Conference on ER and MR Suspensions),以后每兩年舉行一次,主要總結電磁流變液的研究成果以及出現的問題,探討其發展前景,至今已經舉辦了八屆(2001年第八屆在法國Nice舉行)。
Lord公司在磁流變液制備方面已解決了沉降問題,據說現在每年銷售幾噸,近幾年已開始出現贏利。
在九十年代初中科院物理所、中國科學技術大學、復旦大學、西北工業大學等科研院所在國內開展了電磁流變液的研究。目前國內有許多單位從事電磁流變液的研究,多數是關于電磁流變液應用器件的設計與研究。磁流變液阻尼器在湖南省洞庭湖大橋上的應用表明了國內已經開始關注磁流變材料在工程中的應用。而即將在北京召開的第九屆電磁流變液會議則標志著中國在電磁流變材料領域的研究工作得到了同行的關注與認可。國內現在也已經出現了專業生產電磁流變器件的公司