你如果看過電影《終結(jié)者Ⅱ》，一定會(huì)對(duì)影片中T-1000型液體金屬機(jī)械人留下深刻的印象。觀眾在欣賞影片《黑客帝國(guó)》時(shí)一定會(huì)羨慕主角身上所穿的神奇的盔甲：它不像傳統(tǒng)的Kevlar頭盔或防彈背心那樣笨重、不便，在危險(xiǎn)來臨時(shí)它卻能像一面堅(jiān)不可摧的盾牌，抵御子彈等外來物的攻擊，也被稱為瞬時(shí)盔甲（instant armor）。人們也許認(rèn)為這些只是科幻電影，是遙不可及的夢(mèng)想。然而在可預(yù)見的將來，電磁流變材料也許會(huì)幫助我們實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想。 

磁流變（Magnetorheological，簡(jiǎn)稱MR）材料是一種流變性能可由磁場(chǎng)控制的新型智能材料。由于其響應(yīng)快（ms量級(jí)）、可逆性好（撤去磁場(chǎng)后，又恢復(fù)初始狀態(tài)）、以及通過調(diào)節(jié)磁場(chǎng)大小來控制材料的力學(xué)性能連續(xù)變化，因而近年來在汽車、建筑、振動(dòng)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 

作為新型智能材料的一個(gè)分支，電流變(ER)和磁流變(MR)材料具有在外部電、磁場(chǎng)作用下流變性能急劇變化的獨(dú)特機(jī)-電耦合特性和相關(guān)高技術(shù)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(fā)現(xiàn)電流變效應(yīng)，1948年Rabinow發(fā)現(xiàn)磁流變效應(yīng)。開始人們一度不看好磁流變液，因?yàn)榇帕髯円盒枰芏容^大的磁性顆粒，而這將導(dǎo)致顆粒沉降在液體底部，另外外加勵(lì)磁裝置對(duì)于器件的設(shè)計(jì)而言也是個(gè)難題，因而阻礙了它在工程中的應(yīng)用。但相比于電流變效應(yīng)，磁流變效應(yīng)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(jì)90年代近半個(gè)世紀(jì)，電磁流變材料的研究一直處于停滯狀態(tài)。進(jìn)入上世紀(jì)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?qū)︻w粒進(jìn)行包裹（以降低其屈服強(qiáng)度為代價(jià)），顆粒的沉降問題基本得到解決，國(guó)際上掀起了磁流變液的研究熱潮，特別是Lord公司開始專業(yè)研究、制備、銷售磁流變液及開發(fā)磁流變液應(yīng)用器件，標(biāo)志著磁流變液朝商品化、產(chǎn)業(yè)化方向開始邁進(jìn)。 

磁流變材料發(fā)展至今，已發(fā)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(xué)、力學(xué)、機(jī)械、控制等多學(xué)科領(lǐng)域。 

1987年在美國(guó)Boston召開了第一屆電磁流變液國(guó)際會(huì)議（The 1st International Conference on ER and MR Suspensions），以后每?jī)赡昱e行一次，主要總結(jié)電磁流變液的研究成果以及出現(xiàn)的問題，探討其發(fā)展前景，至今已經(jīng)舉辦了八屆（2001年第八屆在法國(guó)Nice舉行）。 

Lord公司在磁流變液制備方面已解決了沉降問題，據(jù)說現(xiàn)在每年銷售幾噸，最近幾年已開始出現(xiàn)贏利。 

在九十年代初中科院物理所、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等科研院所率先在國(guó)內(nèi)開展了電磁流變液的研究。目前國(guó)內(nèi)有許多單位從事電磁流變液的研究，多數(shù)是關(guān)于電磁流變液應(yīng)用器件的設(shè)計(jì)與研究。磁流變液阻尼器在湖南省洞庭湖大橋上的應(yīng)用表明了國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始關(guān)注磁流變材料在工程中的應(yīng)用。而即將在北京召開的第九屆電磁流變液國(guó)際會(huì)議則標(biāo)志著中國(guó)在電磁流變材料領(lǐng)域的研究工作得到了國(guó)際同行的關(guān)注與認(rèn)可。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在也已經(jīng)出現(xiàn)了專業(yè)生產(chǎn)電磁流變器件的公司。(end)

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18 磁性材料展廳

磁芯, 鐵氧體, ...

 

磁流變彈性體(MR elastomers)是磁流變材料的一個(gè)新的分支。它是由高分子聚合物(如橡膠等)和鐵磁性顆粒組成，混合有鐵磁性顆粒的聚合物在外加磁場(chǎng)作用下固化，利用磁流變效應(yīng)（即鐵磁性顆粒在磁場(chǎng)方向形成鏈或柱狀聚集結(jié)構(gòu)），使顆粒在基體中形成有序結(jié)構(gòu)。磁流變彈性體與磁性橡膠的差別主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： 

1.磁性橡膠一般利用它退磁后有剩磁的性質(zhì)，因而顆粒一般選用矯頑力大的硬磁性材料，如鍶和鋇的的鐵氧體；而在磁流變彈性體中要求磁場(chǎng)控制的可逆性，即卸去磁場(chǎng)后，材料性能恢復(fù)到初始狀態(tài)，因而磁性顆粒一般選用剩磁小的軟磁性材料，如羰基鐵粉等。 

2.在磁性橡膠中顆粒隨機(jī)分布，因而材料表現(xiàn)出各向同性的磁性，而在磁流變彈性體的固化過程中，顆粒在橡膠基體中形成有序結(jié)構(gòu)，因而表現(xiàn)出各向異性的磁性。 

由于磁流變彈性體固化后的有序結(jié)構(gòu)根植在基體中，因此它的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)諸性能可以由外加磁場(chǎng)來控制。它兼有磁流變材料、磁性橡膠和彈性體的優(yōu)點(diǎn)，又克服了磁流變液沉降、穩(wěn)定性差、顆粒易磨損等缺點(diǎn)，因而近年來成為磁流變材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 

磁流變彈性體最早可以追溯到T.Shiga等人在1995年利用硅樹脂和鐵粉混合制備出的具有磁控性能的材料，該材料當(dāng)時(shí)被稱為具有磁致粘彈性的凝膠。隨后美國(guó)Lord公司的研究人員Jolly、Carlson等人對(duì)磁流變彈性體的力學(xué)性能進(jìn)行了初步測(cè)試和分析，Jolly使用硅橡膠作為基體制備出的磁流變彈性體，外加磁場(chǎng)在0.8T時(shí)，磁流變彈性體的剪切模量比無磁場(chǎng)時(shí)初始值增加約40%；Ford公司研究組成員Ginder、Davis等人對(duì)基體為天然橡膠的磁流變彈性體進(jìn)行了建模并對(duì)其粘彈性行為進(jìn)行了研究Davis理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)顆粒的最佳體積比為27%，此時(shí)磁飽和后其剪切模量的相對(duì)改變量為50%；其中Ginder等人基于磁流變彈性體設(shè)計(jì)出了可控剛度的汽車軸襯(bushing)以及可調(diào)節(jié)的吸振器(tuned vibration absorber)，并申請(qǐng)了專利。(end)