你如果看过电影《终结者Ⅱ》，一定会对影片中T-1000型液体金属机械人留下深刻的印象。观众在欣赏影片《黑客帝国》时一定会羡慕主角身上所穿的神奇的盔甲：它不像传统的Kevlar头盔或防弹背心那样笨重、不便，在危险来临时它却能像一面坚不可摧的盾牌，抵御子弹等外来物的攻击，也被称为瞬时盔甲（instant armor）。人们也许认为这些只是科幻电影，是遥不可及的梦想。然而在可预见的将来，电磁流变材料也许会帮助我们实现这一梦想。
磁流变（ Magnetorheological，简称MR）材料是一种流变性能可由磁场控制的新型智能材料。由于其响应快（ms量级）、可逆性好（撤去磁场后，又恢复初始状态）、以及通过调节磁场大小来控制材料的力学性能连续变化，因而近年来在汽车、建筑、振动控制等领域得到广泛应用。
作为新型智能材料的一个分支，电流变(ER)和磁流变(MR)材料具有在外部电、磁场作用下流变性能急剧变化的独特机-电耦合特性和相关高技术特征。电（磁）流变材料包括：电（磁）流变液(ER/MR fluids)、电（磁）流变泡沫(ER/MR foams)、电（磁）流变弹性体(ER/MR Elastomer)。近几年来电（磁）流变弹性体的研究尤为引人注目。
电磁流变材料的历史
1945年Winslow发现电流变效应，1948年Rabinow发现磁流变效应。开始人们一度不看好磁流变液，因为磁流变液需要密度较大的磁性颗粒，而这将导致颗粒沉降在液体底部，另外外加励磁装置对于器件的设计而言也是个难题，因而阻碍了它在工程中的应用。但相比于电流变效应，磁流变效应大得多，磁流变液更加吸引人。后来由于材料制备水平的限制，一直到上世纪90年代近半个世纪，电磁流变材料的研究一直处于停滞状态。进入上世纪90年代，由于材料制备水平的突破，特别是通过加入添加剂或对颗粒进行包裹（以降低其屈服强度为代价），颗粒的沉降问题基本得到解决，国际上掀起了磁流变液的研究热潮，特别是Lord公司开始专业研究、制备、销售磁流变液及开发磁流变液应用器件，标志着磁流变液朝商品化、产业化方向开始迈进。
磁流变材料发展至今，已发展成为包括磁流变液(MR fluids)、磁流变弹性体(MR elastomers)、磁流变泡沫(MR foams)等成员的大家族，涵盖物理、化学、力学、机械、控制等多学科领域。
1987年在美国Boston召开了第一届电磁流变液国际会议（The 1st International Conference on ER and MR Suspensions），以后每两年举行一次，主要总结电磁流变液的研究成果以及出现的问题，探讨其发展前景，至今已经举办了八届（2001年第八届在法国Nice举行）。
Lord公司在磁流变液制备方面已解决了沉降问题，据说现在每年销售几吨，最近几年已开始出现赢利。
在九十年代初中科院物理所、中国科学技术大学、复旦大学、西北工业大学等科研院所率先在国内开展了电磁流变液的研究。目前国内有许多单位从事电磁流变液的研究，多数是关于电磁流变液应用器件的设计与研究。磁流变液阻尼器在湖南省洞庭湖大桥上的应用表明了国内已经开始关注磁流变材料在工程中的应用。而即将在北京召开的第九届电磁流变液国际会议则标志着中国在电磁流变材料领域的研究工作得到了国际同行的关注与认可。国内现在也已经出现了专业生产电磁流变器件的公司。(end)
| 磁性液体性质及应用 |
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| 作者：南京大学 钟伟 都有为 |
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一、概述
磁性液体是由纳米级（10纳米以下）的强磁性微粒高度弥散于某种液体之中所形成的稳定的胶体体系。60年代美国首先应用于宇航工业，后来逐渐转为民用，现已成为很庞大的产业，在美国、日本、德国等发达国家都有磁性液体公司，全球每年要生产磁性液体器件数百万吨。
磁性液体中的磁性微粒必须非常小，以致在基液中呈现混乱的布朗运动，这种热运动足以抵消重力的沉降作用以及削弱粒子间电、磁的相互凝聚作用，在重力和电、磁场的作用下能稳定存在，不产生沉淀和凝聚。磁性微粒和基液浑成一体，从而使磁性液体既具有普通磁性材料的磁性，同时又具有液体的流动性，因此具有许多独特的性质。
磁性液体是由强磁性微粒、基液以及表面活性剂三部分组成。为了得到稳定的磁性液体，强磁性微粒必须足够小，如对铁来说，微粒直径要小于3纳米；对Fe3O4来说，直径不能大于10纳米。制备纳米微粒的方法很多，我们采用化学共沉淀技术制备直径10纳米左右、分布均匀的Fe3O4微粒。化学共沉淀技术具有操作简便、成本低，对设备要求不高等优点。选择合适的表面活性剂是制备磁性液体的关键。表面活性剂包覆在微粒表面，具有以下作用：1. 防止磁性颗粒的氧化；2. 克服范德瓦尔斯力所造成的颗粒凝聚；3. 削弱静磁吸引力；4. 改变磁性颗粒表面的性质，使颗粒和基液浑成一体。对表面活性剂总的要求是，活性剂的一端能吸附于微粒表面，形成很强的化学键，另一端能与基液溶剂化。不同基液的磁性液体要选择不同的表面活性剂，有时甚至需要两种以上的表面活性剂。南京大学从八十年代开始进行磁性液体的研制工作，在强磁性微粒的制备，表面活性剂的选择等方面积累了丰富的经验。现已能制备出高质量的水基、煤油基和邻苯二甲酸二异辛脂基磁性液体。
二、磁性液体的性质
由于磁性液体同时具有磁性和流动性，因此具有许多独特的磁学、流体力学、光学和声学特性。
磁性液体表现为超顺磁性，本征矫顽力为零，没有剩磁；
在外磁场下，磁性液体被磁化，满足修正的伯努利方程。与常规伯努利方程相比，添加了一项磁性能，使磁性液体具有其它流体所没有的、与磁性相关联的新性质：例如磁性液体的表观密度随外磁场强度的增加而增大；
当光通过稀释的磁性液体时，会产生光的双折射效应与双向色性现象。当磁性液体被磁化时，使相对于磁场方向具有光的各向异性，偏振光的电矢量平行于外磁场方向比垂直于外磁场方向吸收更多，具有更高的折射率；
超声波在磁性液体中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性；
磁性液体在交变场中具有磁导率频散、磁粘滞性等现象。
三、磁性液体的应用
磁性液体的特殊性质开拓了许多新的应用领域，一些过去难以解决的工程技术问题，由于磁性液体的出现而迎刃而解。下面简单地介绍几种磁性液体应用的原理。
1. 旋转轴动态密封 磁性液体旋转轴动态密封技术是磁性液体较成熟也是最重要的应用之一，现已广泛应用于X-射线转靶衍射仪、单晶炉、大功率激光器、计算机等精密仪器的转轴密封。其结构原理见图1. 磁性液体在非均匀磁场中将聚集于磁场梯度最大处，因此利用外磁场可将磁性液体约束在密封部位形成磁性液体“O”型环，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。
图1. 磁性液体密封原理
目前在国外的精密仪器中，磁性液体密封部件作为一个整体出售，售价一般在两、三千美圆，不单独出售磁性液体。南京大学在磁性液体旋转轴动态密封方面做了大量工作，积累了丰富的经验，拥有一项国家实用新型专利。在南京大学、南京师范大学、南京55研究所等单位的仪器上使用我们的磁性液体密封技术，效果良好，真空度可达10-6t .
磁性液体密封技术目前重要用于真空、灰尘、气体的动态密封，封水等液体由于难度较大，实际应用的不多。若能在封水、封油等方面取得突破，其应用领域将极为广阔，必将产生巨大的经济效益和社会效益。我们认为可从以下方面开展工作：改进密封件结构，改善磁路设计，研制新型磁性液体。
2. 扬声器 将磁性液体注入扬声器的音圈气隙对音圈的运动起一定的阻尼作用，并能使音圈自动定位，同时音圈所产生的热量可以通过磁性液体耗散，因此加入磁性液体可以提高扬声器的承受功率，在同样结构条件下可使输入功率提高2倍，同时改善频率响应，提高保真度。磁性液体用于金属膜扬声器性能更佳。目前国内许多厂家生产磁性液体扬声器，生产线和磁性液体均从国外进口。若能将磁性液体国产化，必将带来非常可观的收益。
3. 阻尼器件 利用磁性液体作为旋转与线性阻尼器，以阻尼不需要的系统振荡模式。与一般阻尼介质相比优点在于可挤占籍助外磁场定位。例如在步进马达中使用磁性液体阻尼来消除系统的振荡与共振，使马达精确定位。另外在防振台中使用磁性液体阻尼（图2），可消除外界振动噪音的干扰，以确保精密仪器（天平，光学设备等）正常工作。
图2. 磁性液体阻尼器件
4. 选矿分离 利用磁性液体的表观比重随外磁场的变化而改变的特点，可用来筛选比重不同的非磁性矿物（图3）。比重差别在10%左右的矿物可用此技术较好地分离，一般采用水基磁性液体，可重复使用。
图3. 磁性液体选矿分离示意图
5. 开关 图4为磁性液体无摩擦开关示意图。水银和磁性液体装在一个不导电的容器中，利用外磁场改变水银在容器中的位置，来达到接通和断开电流的目的。图5为不需动力的新型磁性液体离心开关示意图。磁性液体密封在转轴上的非磁性容器中。当转轴静止时，磁性液体位于容器下部，传感器检测不到它；当轴转动时，离心力使磁性液体分布于容器内壁，传感器检测到磁性液体并引发开关动作。
图4. 无摩擦开关
图5. 新型离心开关
6. 精密研磨和抛光 磁性液体研磨是利用磁性液体的浮力将微米级的磨料悬浮于液体表面，与待抛光的工件紧密接触。不论工件的表面形状多么特殊，均可用此技术精密抛光。另外还可用来研磨高级Si3N4陶瓷球（图6），效率比传统方法高40倍。
图6. 磁性液体研磨
7. 传感器 目前有两种商用磁性液体传感器：一种是在石油勘探工业中用来测量钻头的加速和倾斜（图7），另一种是在建筑工业中用来检测地下管道的倾斜（图8）。
 
图7. 磁性液体倾角计 图8. 倾斜传感器
8. 其它应用 除此以外，磁性液体还在许多领域有着广泛的应用前景。如：磁性液体印刷、磁性液体薄膜轴承、声纳系统、磁性药物、细胞磁性分离、磁性液体人工发热器、磁性液体涡轮发电、光学开关，磁性液体刹车，等等。
四、当前的重要工作
首先将已经成熟的磁性液体旋转轴封真空、封气技术推向市场，以此为突破口占领市场。同时研制用于超高真空的硅油基磁性液体、可封油用的憎油基磁性液体；改善磁路设计和密封件结构，力争在封水、机油等液体介质方面取得突破。(end) |
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磁流变弹性体简介
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磁流变弹性体(MR elastomers)是磁流变材料的一个新的分支。它是由高分子聚合物(如橡胶等)和铁磁性颗粒组成，混合有铁磁性颗粒的聚合物在外加磁场作用下固化，利用磁流变效应（即铁磁性颗粒在磁场方向形成链或柱状聚集结构），使颗粒在基体中形成有序结构。磁流变弹性体与磁性橡胶的差别主要体现在以下两个方面：
1.磁性橡胶一般利用它退磁后有剩磁的性质，因而颗粒一般选用矫顽力大的硬磁性材料，如锶和钡的的铁氧体；而在磁流变弹性体中要求磁场控制的可逆性，即卸去磁场后，材料性能恢复到初始状态，因而磁性颗粒一般选用剩磁小的软磁性材料，如羰基铁粉等。
2.在磁性橡胶中颗粒随机分布，因而材料表现出各向同性的磁性，而在磁流变弹性体的固化过程中，颗粒在橡胶基体中形成有序结构，因而表现出各向异性的磁性。
由于磁流变弹性体固化后的有序结构根植在基体中，因此它的力学、电学、磁学诸性能可以由外加磁场来控制。它兼有磁流变材料、磁性橡胶和弹性体的优点，又克服了磁流变液沉降、稳定性差、颗粒易磨损等缺点，因而近年来成为磁流变材料研究的一个热点。
磁流变弹性体最早可以追溯到T.Shiga等人在1995年利用硅树脂和铁粉混合制备出的具有磁控性能的材料，该材料当时被称为具有磁致粘弹性的凝胶。随后美国Lord公司的研究人员Jolly、Carlson等人对磁流变弹性体的力学性能进行了初步测试和分析，Jolly使用硅橡胶作为基体制备出的磁流变弹性体，外加磁场在0.8T时，磁流变弹性体的剪切模量比无磁场时初始值增加约40%；Ford公司研究组成员Ginder、Davis等人对基体为天然橡胶的磁流变弹性体进行了建模并对其粘弹性行为进行了研究Davis理论计算发现颗粒的最佳体积比为27%，此时磁饱和后其剪切模量的相对改变量为50%；其中Ginder等人基于磁流变弹性体设计出了可控刚度的汽车轴衬(bushing)以及可调节的吸振器(tuned vibration absorber)，并申请了专利。(end)
奇异的电磁流变液体
 (2009-10-24 01:57:52)
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在常温常压下，物质可分为固体、液体和气体三种状态，也称为三个相。如水蒸气、水和冰，就是三个相。任何人都容易使用一台冰箱和一个低浅容器，将水（液体）冻成冰（固体），然后又可再取出冰（固体）来加热，使其化成水（液体）。但是，你能在几秒钟或更短的时间内，将液体固化，然后又将其液化吗？
在电影“终结者之二：世界末日”里出现的科学幻想机器人。它几乎是不可摧毁的，能够毫不费力地使液态和固态相互转换。它的液态金属皮肤，如果被子弹射穿，就能马上使弹孔融合；如果被打成碎片，也能马上熔化，并再凝结恢复为原样。这样的科学幻想能实现吗？电流变或磁流变液体，正好为这一科学幻想，提供了实现的可能。
实现这种科学幻想的智能性材料—电流变液体和磁流变液体,是一种在电场或磁场里，可发生状态变化的物质。根据其所受场强的不同，它们可像水一样流动，也可像蜂蜜那样黏稠，还可以像骨胶一样固化。而这种物质，从一种状态转变为另一种状态，所需时间又很短。
简单的磁流变制动器的示意图如下图所示。实验用的磁流变液体（以下简称MRF）由铁屑和玉米油组成。用放大镜能鉴别出铁屑的单个颗粒，但其长度应全部小于0.5毫米。MRF由按重量计的25份玉米油对100份铁屑揽拌混合而成。
杆由不可能被磁化的材料做成，如塑料或铝。为更好地观察实验结果，可用一塑料盘与位于MRF中的杆端相连接。杆与透明塑料容器间放橡皮环，以使液体不泄漏。电磁铁可用几伏特的电源供电，也可用强有力的永久磁铁来的取代电磁铁。
在未施加磁场之前，杆的旋转几乎没有阻力；当磁场加上时，液体马上就固化了，杆己很难转动；但一旦去除磁场，容器内的MRF材料又立即液化，杆又可自由旋转了。这就是花钱虽不多，却能在几秒钟之内将液体固化，然后又将其液化的磁流变制动器的小实验。
研究发现的电流变液体（Electrorheological Fluids，以下简称ERF）,将一些半导体型的固体颗粒，分散在低黏、绝缘性良好的油中，再添加一些分散剂，制得悬浮体。当加上一定的电场场强时，很薄一层ERF的表观黏度，就能增大几个数量级，甚至出现明显的固化现象。当去掉电场后，液体的表观黏度又迅速恢复原样。后来，人们将这种可逆的黏度突变效应，称为电流变效应，或Winslow效应。ERF有许多可供发展的技术和工程应用的奇异性能
1. 在电场作用下，液体的表观黏度或剪切应力能有明显的突变，可在毫秒瞬间产生相当于液态属性到固态属性间的变化。
（2） 2.这种变化是可逆的，即一旦去除电场，可恢复到原来的液态。
（3） 3.这种变化是连续和无级的，即在液-固、固-液的变化过程中，表观黏度或剪切应力是无级连续变化的。
（4） 4.这种变化是可控制的，并且控制变化的方法简单，只需加一个电场；所需的控制能耗也很低。因此运用微型计算机进行自动控制有广阔的前途。
由以上奇异的特性，人们将ERF称为“智能性材料”，也有人称它为“聪明流体”。
今天的电流变液体，己不再是20世纪40年代时那种较简单的混合体。除了介电常数和黏度较低的基液、和极化特性很高的固体微粒两种关键成分之外，往往还含有活化剂和分散剂。分散剂的作用，是防止微粒在无电场时相互粘合。活化剂的作用机制还不完全清楚。活化剂（往往使用水，有时用酒精）里含有杂质，通常是溶解盐。一般认为，水受油质悬浮液排斥，而聚集在微粒表面，而溶解盐在电场作用下被极化，其电荷增强了微粒的固有极化。
电流变液体是有复杂性质的悬浮体系，是一种典型而又复杂的非牛顿流体。
电流变现象之所以引起科学家们的极大兴趣，不仅仅因为ERF这种材料具有实用的物理性能，而且还因其有错综复杂的结构。当流体自由流动时，ERF中微粒的运动相互之间没有关系；当液体在电场作用下变成固态时，微粒连结成肉眼可见的细链和粗柱状
电流变机理示意图
左为无外加电场时，右为有外加电场时
微粒在电场的作用下，不论其运动方向如何，其两极或上或下始终指向电极，从而使微粒吸合在一起，首尾相连，排列成行，构成长链。这种情况，就好像铁屑在磁场作用下沿磁力线（磁感线）的排列一样。电流变液体内的微粒链迅速形成，并在容器内从一端延伸至另一端，这就是流体迅速固化的关键因素。
实验中发现，柱状体的形成要比预期的快，这与微粒的布朗运动有关。在ERF中，悬浮微粒在受到液体分子从各方面的冲撞时，就围绕其在链中的平均位置作不规则运动。因此，尽管微粒链总的来说可能是直线，但在某一时刻，却因布朗运动的影响而发生弯曲。这种轻微变形，却又增强了各链之间的互相吸引力，并促使各链聚集成柱状体。
ERF在电场作用下固化后可承受机械力。像其他固体材料那样，其发生破坏的应力大小称为屈服应力。此时微粒链断裂，材料开始流动。为了某种工程应用，希望屈服应力尽可能大些。
电或磁流变液体的应用前景，是十分令人振奋的:
1、电流变离合器
将电流变液体充于两个圆筒或平板之间。当ERF形成固态时，就迫使传动轴转动；而当它变成液态时，就使发动机脱离传动轴，而自由旋转，好像处于空档一样。两个筒或板之间的转速比，也可以调节。这样的离合器几乎不存在零件磨损，或损坏的问题。而且这样的离合器结构简单，噪音低，反应时间仅为千分之几秒，使纯机械的离合器望尘莫及。
同轴圆筒型和平行板型的离合器
2、电流变减振器
同心圆筒固定电极阀式减振器，在同心圆筒间充满有ERF，来源于电流变效应的阻力，阻止了流体在同心圆筒间的流动。当活塞（内圆筒）运动时，微型计算机可以立即调节电极电压，以改变ERF的黏稠度。如用在汽车上，毫秒级时间的迅速反应，有可能在活塞运动冲程的中途，就提高了流体的黏稠度，以减缓因道路不平而造成的颠簸。随后，流体又可变稀，再迅速复原。因此一种减振器，就可适合各种车辆和工作环境。
电流变减振器示意图
滑动平扳型减振器，是在两滑动板间充满ERF。来源于两滑动板间流体电流变效应的阻力，产生剪切力，并由此引起压力增大。
3、电流变液压阀
将电流变液体注入一狭缝容器中，通过电场控制REF的黏稠度，以起到节流阀和开关的作用。当ERF固化时，就使流动完全停止，从而关闭了流经细管段的液流。这种电流变液压通路“阀”，也可以设计成同轴圆筒型或平板型。还可将几个ERF通路，按一定的方式组合在一起，做成特殊用途的装置。液压系统有希望采用ERF通路“阀”，而成为新的液压系统，它比传统的液压系统反应还要迅速。
电流变通路“阀”示意图
4、机器人的活动关节
在机器人领域中，可用ERF制造出体积小、反应快、动作灵活、直接用微机控制的活动关节。如今，简易的机器人己在从事工业中的许多工作。如果有非常灵巧的电流变活动关节，就可以完成能迅速做出反应的更复杂的事，比如说接棒球、绕精细金属丝等。“T—1000型终结者”那样的科幻机器人，将会更早的出现。
目前己有人提出，寻找一种既具有电流变效应，又具有磁流变效应的微粒，制造电磁流变液体（EMRF）。这种粒子和悬浮液，不仅可以受电场的作用，产生电流变效应；而且还可以受磁场的作用，产生磁流变效应。电流变液体、磁流变液体、电磁流变液体的研究和技术正刚刚开始，还没有进入成熟的阶段，从基础理论到应用技术，都还有许多问题有待研究解决。但可以预期：电磁流变液体这一高新技术，必将促使新一代的机电一体化器件出现，并会在汽车、机械、航空、航天、石油、化工和其他工业部门，得到广泛应用。
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