智能磁性材料及其应用

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1、1前言   材料是人类进步的标志和里程碑，是能为人们制造有用器件的物质。像建筑材料、金属材料、陶瓷材料等关系我们衣、食、住、行之类的东西，常常称做普通(或传统)材料。随着科学技术的飞速发展，在航空航天、电子、电力、石油工业、通信等领域里，对使用的材料提出了更新、更高的要求，因此寻求新的、具有比传统材料更优异性能的材料则是当代材料科学发展的必然趋势。这种新材料已成为当今高新技术的一种象征。一些具有特殊功能的智能材料、超导材料、非晶材料、纳米材料、生物材料等，已成为推动社会发展和人类进步极为重要的物质基础

2、。   本文在阐述智能材料的基本概念之后，着重介绍了三种智能磁性材料即磁性液体、磁流变液和稀土超磁致伸缩材料与应用。   2智能材料的基本概念   在航空发展史上，人们都记得高速飞行的飞机若偶遇高空寒流、大风或者受力等情况，往往会发生机翼或机体断裂甚至机毁人亡的悲惨事故，这是我们不希望的。如果在飞机刚一出现断裂时能自动“打上绷带”进行自我抢救即可避免不幸事故的发生。这种能给飞机自动“打上绷带”的材料就是一种智能材料或机敏材料。它是20世纪80~90年代迅速发展起来的新型功能材料，它能把高技术传感器(或

3、敏感元件)与结构、功能材料结合为一体成为一种有“感觉”、“感知”并能自我修复、似乎具有生命活力的材料。   例如在一种高性能复合材料中嵌入细小的纵横交错的光纤材料，就像“神经”那样会感觉出飞机所受的不同压力。测量光纤传输光时的各种变化即能测出所受的压力，在极端条件下光纤会断裂而信号中断并发出警告，这就是智能材料的功能。   如此说来，智能材料就是模仿生命系统，能感知应力、热、光、电、磁、化学等环境条件的变化，而且能实时地改变自身一种或多种性能参数，作出人们所期望的、与变化后的环境相适应的响应从而予以控

4、制的一种复合材料。也就是说智能材料应当具有将感知(传感器)、执行(驱动器)和信息三者集于一体的功能，使无生命的材料变成了似乎有生命的系统。   3智能磁性材料及其应用   具有上述智能功能的磁性材料目前有三种，即磁性液体、磁流变液和稀土超磁致伸缩材料，下面分别予以介绍。   3.1磁性液体   磁性液体(Magneticliguid)又称磁性流体(Magneticfluid)或铁磁流体(Ferrofluid)、磁性胶体(Magneticcolloids)，通常简称磁液。它是由纳米级铁氧体(如Fe3O4

5、、Co-Fe2O4、MnZn等)、Fe、Ni、Co金属及其合金或铁磁性氮化铁FexN(2＜x≤8)超细磁性颗粒借助表面活性剂高度、均匀弥散于载液(基液)(如有机溶剂、油或水)中所形成的一种稳定的胶体溶液，是固、液相混的二相流体，兼有液体的流动性和磁性材料的磁性，目前还发展了复合磁性液体材料。因此磁性液体有着一般固态磁性材料所不具备的独特的性质和功能，在电、磁、流变力学、声、光、热等方面显现出多功能的特点，所以它一出现就受到世界各发达国家的重视并广泛应用于科学和工程技术领域中，现已深入到电子、化工、能源

6、、冶金、仪表、环保、医疗等各个领域，显现出广阔的市场前景。   当外磁场作用于磁液，磁性粒子的磁矩立刻沿磁场方向取向，其全部磁液的磁化强度随着磁场的增强而增强；当取消外场时磁矩很快就随机化了。在一个梯度磁场中磁液被磁化并且向高场区移动。这就意味着磁液可以精确定位并由外磁场加以控制。磁液产生的这种保持力取决于外加磁场强度和磁液的饱和磁化强度值，这是其一。其二，磁液的流变粘度随外加磁场增强而增高，从而它的阻尼作用也增大。因此这两种功能均受外加磁场所控制，显然具有了智能化的特性。   利用前一种特性可在机器

7、人中制作机器人关节和机械手(图1、图2)。在图1所示的机器人关节中，(a)为机器人关节，(b)为促动器驱动源。当把磁液充入柔软的薄膜密封容器内时便构成了一个驱动源，将它装在机器人两臂之间。控制容器内通电线圈的通与断即可使密封容器内的磁液界面发生形变而动作，从而形成了一个柔软的关节。这种关节具有灵活、驱动轴不易打滑、无磨擦、寿命较长的特点。   图2为工业用机械手夹钳示意图，利用气缸4内的空气使活塞3移动以驱动永磁体2。由于永磁体的移动，使磁液5受到的磁场强度产生变化，从而使磁液受到不同的体积力，驱使弹

8、性膜发生不同形变，夹钳6即可自由动作。应用后一特性可制作各种阻尼器、减震器、缓冲器、联轴器、制动器和阀门等。图3为一种惯性阻尼器结构示意图。可见，圆柱状永磁体6作为惯性材料被悬浮于磁液5中而构成了阻尼器。在运行时，阻尼器同心地与马达的轴2联接，通过磁液膜被剪切而建立起来的粘滞剪切力消耗掉由旋转轴2接收来的旋转能，从而实现阻尼。         3.2磁流变液(MRF)   磁流变液(Magnetorheologicalfluid，MRF)是一种具有良好发