智能磁性材料及其应用（二）

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3.2 磁流变液(MRF)
磁流变液(Magnetorheological fluid，MRF)是一种具有良好发展前景和工程应用价值的新型智能材料，它是由微米级(1~10m)磁性颗粒(如铁(Fe))、钴(Co)、镍(Ni)及其合金、铁氧体等)、载液(如矿物油、硅油、水和其他复杂的混合体等)和表面活性剂组成的稳定的悬浮液体。在外加磁场作用下，会产生明显的磁流变效应：在固体与液态之间进行毫秒(ms)级快速可逆转化，其粘度保持连续无级可控，可实现实时主动控制，耗能极小，因而在航空航天、机械工程、汽车工业、精密加工、建筑工程、医疗卫生等领域广泛应用，可完成智能传动、制动、减振、降噪等功能，制成阀式、剪切式和挤压式各类磁流变液器件，如液压控制伺服阀、离合器与制动器、振动悬架、减振器等。
磁流变液的粘度在磁场作用下会逐渐增大，当磁场强度大到一定值时由液态完全转变成固态，其过程快速可逆，这是最引人注目的特性；同时磁流变液具有较大的屈服应力，在240kA/m时可达100kPa，是电流变液的20~50倍；并且磁流变液具有良好的动力学和温度稳定性，因而近年来受到了国内外科技界和工业界的高度重视，美国、日本、德国等国的许多科学家和一些企业纷纷投资开展研究，并且已有产品专利与不同型号的磁流变液产品上市。
2 d- f5 ?# R& _% s     图4是美国Lord公司推出的轻负载阻尼器SD-1000-2型结构示意图。该减振阻尼器总长(活塞伸出后)21.5cm，缸体直径3.8cm，共用磁流变液50ml，行程±2.5cm。在0~3V直流电压下活塞头部线圈产生0~1A的电流，于是在活塞头部流孔周围产生磁场以控制MRF的流通使其变粘直至固化，从而改变阻尼大小。这种阻尼器最大功率小于10W，产生的阻尼力超过3000N，在－40~150℃温度范围内变化率小于10%，响应时间为8ms。一种商品化的磁流变液卡车座位减振器，全长15cm，有效流体需量仅0.3cm3，耗功仅15W，代替普通减振器，使卡车座位振幅减小50%以上(图5)，大大减少了卡车司机在矿山崎岖道路上驾车的危险。
    可见磁流变液的优点是突出的，其应用前景相当诱人。
2 o4 D/ m2 m# X/ S1 I* `3.3 稀土超磁致伸缩材料
+ m" R9 h& X* p% Y4 d8 b2 ~( t3.3.1 磁致伸缩与稀土超磁致伸缩材料
  n0 x- P3 V7 c) b在外加磁场作用下，材料的尺寸和体积发生改变的效应称为磁致伸缩效应。具有磁致伸缩效应的材料即称为磁致伸缩材料，而最具实际用途的是尺寸发生改变的线磁致伸缩材料，其特征参数是饱和磁致伸缩系数λs、饱和磁化强度Ms、机电耦合系数K。
1 h$ s+ c/ N0 Q9 Y/ U磁致伸缩材料可作为智能驱动器、应力(应变)传感器得以应用。而具有高灵敏度特性则是驱动器、传感器的必备条件。比一般磁致伸缩材料的磁致伸缩系数(效应)高一个数量级，具有更大应变或更宽适用温度范围的磁致伸缩材料如Terfenol-D(Tb0.27Dy0.73Fe2)，即称为超(大)磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Materials, GMSM)，其λs=30×10－6。目前具有高磁致伸缩系数的金属与合金大体分为三类：
. s/ d, V, {" {: `(1)传统材料
K=0.6。所以这种具有超磁致伸缩的材料称为稀土-铁系超磁致伸缩材料，它最具实用价值。
  I( S2 i. Y5 D3.3.2 稀土超磁致伸缩材料的智能化应用
4 t) a# F/ V! ~6 d9 z(1)性能优势
3 ]  }: `* q  v以Terfenol-D为代表的稀土超磁致伸缩材料作为一种新的高效磁(电)能-机械(声)能转换材料，其性能远远优于压电陶瓷(PZT)等其他材料，表1是Torfenol-D、Ni和PZT的物理性能比较。可见Terfenol-D材料的磁弹性、声学力学、磁电热性能呈现出明显的优势，因此将其作成换能器则具有大位移、强力、大功率、精密控制、快响应、高可靠、磁(电)-机转换效率高、频带宽、能量供应简单等优点，所以在智能化应用方面有着广阔的前景。
    (2)智能化应用
应用Terfenol-D材料的性能优势可制成大量应用器件，如磁(电)-机械换能器(驱动器)、传感器和电子器件，至今已有千种之多，表2示出了应用的基本情况。
    美国海军于20世纪80年代初开始研制Terfenol-D水下声纳，图6为6节环状声纳示意图。每单节由永磁体产生偏磁场，螺线管产生交流磁场，随着磁场的变化环就膨胀收缩将声波发射出去，其性能良好。表3是两种声纳弯张换能器的比较。日本用Terfenol-D驱动单元装置了8单元环状换能器，工作距离为10000km，而压电换能器在水下的工作距离仅300km，使用2年未出现过故障。
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    4 结束语
智能材料是本世纪材料科学技术发展的重要方向之一，智能磁性材料是其中的一个成员，磁性液体、磁流变液和稀土超磁致伸缩材料具有优异的智能功能，因而具有良好的应用前景，不久将会成为磁性材料发展的重点。
3 G5 ~4 x  W) h% c( b% P4 ^文章关键词： 智能磁性材料