MR流體是將鐵等磁性顆粒分散到油等分散介質(zhì)中的流體，在車輛的制動器和減震器以及機器人的致動器等機械控制領(lǐng)域備受期待。不過，以往的MR流體存在由于分散在介質(zhì)中的磁性顆粒容易沉淀，長時間使用的話，會造成裝置損壞或工作不穩(wěn)定等問題。日前，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）與早稻田大學(xué)和日本立邦控股公司共同開發(fā)出了長期儲藏也不會沉淀的高穩(wěn)定性磁流變液（MR流體），即使靜置半年也不會分離，而且可以對外部磁場發(fā)揮高應(yīng)力。

據(jù)介紹，此次開發(fā)的MR流體，通過將具有抑制磁性顆粒沉淀的側(cè)鏈聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物應(yīng)用于分散介質(zhì)，同時添加直徑為20——300nm的納米顆粒。

圖1：新開發(fā)的MR流體（左）和以往的MR流體（右）的沉淀分離狀態(tài)比較（180天后）

MR流體是什么？

磁流變液（Magnetorheological Fluid ， 簡稱MR流體）屬可控流體，是智能材料中研究較為活躍的一支。MR流體是將鐵等磁性顆粒分散到油等分散介質(zhì)中的流體，具有從外部施加磁場后粘度會發(fā)生變化的特性（圖2）。

圖2：MR流體的工作原理。通過施加外部磁場，可控制磁性顆粒的排列，改變流體的粘度

由于磁流變液在磁場作用下的流變是瞬間的、可逆的、而且其流變后的剪切屈服強度與磁場強度具有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，因此是一種用途廣泛、性能優(yōu)良的智能材料。目前，磁流變液已經(jīng)開始應(yīng)用于研磨（拋光）工藝、閥門和密封、家庭健身器、機械手的抓持機構(gòu)、裝配車間不規(guī)則形體的依托架、以及自動化儀表、機器人的傳感器和采礦、印刷等行業(yè)。在其眾多應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，研究最多、發(fā)展最快的應(yīng)用領(lǐng)域是汽車座位減振器、剎車器、主動驅(qū)動器以及土模機構(gòu)減振器。

以往的MR流體存在的課題是，磁性顆粒尺寸相對較大，達到數(shù)十μm，儲存幾個月后，磁性顆粒就會在分散介質(zhì)中沉淀，由此會造成裝置損壞和工作不穩(wěn)定等。另一方面，為抑制沉淀，也開發(fā)了采用尺寸僅數(shù)十——數(shù)百nm的小磁性顆粒的MR流體，但由于磁性顆粒尺寸較小，輸出也變小，而且微顆粒本身的材料成本較高，就費用而言很難用于普通的工業(yè)用途。

此次開發(fā)的MR流體以能發(fā)揮大應(yīng)力的數(shù)μ——50μm直徑大磁性顆粒為主要成分，并將具有可抑制磁性顆粒沉淀的側(cè)鏈聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物應(yīng)用于分散介質(zhì)，同時添加直徑為20——300nm的納米顆粒，由此即使靜置半年也不會沉淀，而且能對外部磁場發(fā)揮高應(yīng)力。

創(chuàng)新：開發(fā)出高穩(wěn)定性磁流變液此次開發(fā)的MR流體的特征是，將具有抑制大磁性顆粒沉淀的側(cè)鏈聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物（圖3）應(yīng)用于分散介質(zhì)的同時，又在其中添加并分散了一定數(shù)量的尺寸比磁性顆粒?。?0——300nm）的納米顆粒（圖4）。利用聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物和微納米顆粒，可抑制大磁性顆粒的沉淀。

一般來說，MR流體對應(yīng)外部磁場產(chǎn)生的應(yīng)力與分散的磁性顆粒濃度成正比。但磁性顆粒的濃度達到一定程度以上后，顆粒容易聚集，流體的分散性會顯著降低。相反，要想實現(xiàn)平穩(wěn)的輸出，需要降低磁性顆粒的濃度，但濃度低的話又容易沉淀。此次開發(fā)的MR流體解決了這些課題，不但實現(xiàn)大輸出范圍，還具有高穩(wěn)定性（圖5）。

圖5：輸出范圍—穩(wěn)定性（抑制沉淀分離）

另外，對于外部磁場（磁通密度），可在與以往的產(chǎn)品一樣成比例發(fā)揮應(yīng)力的同時，產(chǎn)生較高的最大輸出（圖6）。

圖6：MR流體的磁粘彈性變化（以往產(chǎn)品與新開發(fā)品的比較 30mT——1.5T）

未來展望

NEDO、早稻田大學(xué)和日本立邦控股將利用開發(fā)的MR流體，繼續(xù)共同開發(fā)機器人用柔性致動器。

另外，日本立邦控股將利用此前在涂料領(lǐng)域積累的顏料等微顆粒的分散方法和穩(wěn)定化技術(shù)，推進面向工業(yè)機械優(yōu)化的新MR流體的商品化開發(fā)，進一步開拓應(yīng)用領(lǐng)域（圖7）。

圖7：MR流體的用途示例。

通過控制外部磁場，可對MR流體進行各種運動控制，比如剪切應(yīng)力、流動和壓縮力等，因此正研究應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)、制動、減速器、水壓液壓致動器及隔震減震器等。

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