磁流变液隔振器技术及其应用与展望

邓飞云，卜锋斌

●（1．海军驻上海江南造船（集团）有限公司军事代表室，上海 201913；2．海军驻704所军事代表室，上海 200031）

磁流变液隔振器技术及其应用与展望

邓飞云1，卜锋斌2

●（1．海军驻上海江南造船（集团）有限公司军事代表室，上海 201913；2．海军驻704所军事代表室，上海 200031）

叙述了磁流变液技术的形成与发展，以及基于磁流变液弹性体隔振器现状及其特点，并对应用前景进行了展望。

磁流变液；隔振器；隔振系统

0 引言

磁流变弹性体（Magneto Rheological Elastomer, MRE）是磁流变材料的一个新分支。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，利用磁致效应（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。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），可通过调节磁场大小来控制材料的力学、电学和磁学等性能连续变化，兼有磁流变材料和弹性体的优点，又克服了磁流变液沉降、稳定性差等缺点，因而近年来成为磁流变材料研究的热点[1-4]。

磁流变弹性体最早可追溯到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[5-8]。随后美国Lord公司的研究人员Carlson等人对磁流变弹性体的力学性能进行了初步测试，Jolly使用硅橡胶作为基体制备出的磁流变弹性；Ford公司研究组成员Ginder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；其他的研究包括：法国的Bossis对电磁流变弹性体的电学、磁学、光学等物理性质进行了初步的观测；波兰的Bednarek也对磁流变弹性体的磁致伸缩特性进行了较系统分析；白俄罗斯的Demchuk等人分别以明胶、普通硅橡胶以及一种热敏性硅橡胶作为基体材料制备出磁流交弹性体；瑞典的Lokander等人在制备时基体分别使用丁苯橡胶、丁腈橡胶与丙烯腈的不同组合以及天然橡胶，同时发现即使固化时不加磁场，选用形状不规则较大的纯铁颗粒的磁流变弹性体的效应也很明显，在外加磁场为0.8T时剪切模量的相对增加量可达20%。奥地利的Dorfinann等人分别利用不变量理论及选用应变能函数对磁流变弹性体在平板剪切及圆柱轴向剪切下的力学性能进行了分析。Rice大学的Borcea等人应用最小能量原理，分析了磁场对各向同性的磁流变弹性体的拉伸、压缩性能的影响。日本的Tetsu Mitsumata使用乙烯基、聚乙烯醇、戊二醛等一系列化学物质和工艺制备钡铁氧合物作为磁凝胶使用高磁场使其磁饱和，用超声波激励的波速来测试其模量。美国的Malcolm J.Wilson等人用6μm羰基铁粉颗粒，聚亚安酯添加氧芴（一种烷烃）和砖橡胶添加硅油作为基体，给出了不同配比下材料的液体—胶体—固体转换曲线等基体配用准则。Anne-Marie Albanese使用以滑石粉补强的硅橡胶为基体的磁流变弹性体用于减振的开关控制研究。Y. SHEN用聚亚安酯和天然橡胶两种基体制备磁流变弹性体，并建立了力学模型。鉴于此，Lokander还通过实验发现，提出大体积比磁流变橡胶的抗氧化性下降显著（CI和高温），因为表面的铁颗粒会加速橡胶的氧化，材料的表面覆盖抗氧化的橡胶可显著提高材料抗氧化性，从而能提高其化学和物理稳定性。

1 基于磁流变弹性体的隔振器发展现状

磁流变弹性体在磁场作用下能显著改变其剪切模量，其应用装置具有无需密封、性能稳定、响应迅速等特点，在需要进行刚度控制的小振幅（小应变）振动系统中极具应用前景。目前在国内关于磁流变弹性体的研究尚处于实验室研究阶段，还没有商品化的产品应用。磁流变弹性体的磁致效应（剪切模量的变化幅度）还有待提高，有些性能的研究还未见涉及，如温度稳定性、老化特性等。制备磁致效应强、长期稳定性好的磁流变弹性体是材料科学界深入研究的方向，而开发磁流变弹性体的应用则是工程科学技术人员努力的目标。用磁流变弹性体可以制成各种减振支座、发动机架、轴衬、悬架、冲击吸振器和隔振器等装置，其潜在的应用领域包括飞机起落架减振系统、直升机旋翼部件、武器反后坐系统、精密电子设备的振动隔离、旋转机械和发电设备的支座、制造自动化系统的运动控制等。

磁流变弹性体在磁流变隔振器内的相对运动，一般可近似等同于图1所示的无限大平行平板间的几种不同形式。根据磁流变弹性体的受力状态不同，磁流变隔振器主要分为阀式、剪切式、和挤压式。

图1 磁流变隔振器基本工作类型

图1 (a)为典型的阀式磁流变隔振器。这种隔振器的特点是通过迫使磁流变弹性体在一对固定极板间隙内相对运动而产生阻尼力。典型的剪切式磁流变隔振器构造原理图如图1(b)所示。这种装置在工作过程中，上下极板以先对速度v平行运动。

剪切阀式磁流变隔振器内的磁流变弹性体既像阀式磁流变隔振器内的磁流变弹性体那样受到挤压而被迫通过两极板，又像剪切式磁流变隔振器内的磁流变弹性体那样受到两极板相对运动时产生的剪切作用。

磁流变弹性体装置还可以设计成两极板以相对速度v作接近或拉开运动形式的挤压式MREVI。如图1(c)所示。不过由于这种类型的隔振设备存在如下的一些缺点而受到一定的限制，如磁路设计比较复杂和此类设备的工作原理决定了磁路间隙受场强设计的限制而不可能太大等。因此，这种隔振器只适合于振幅不大的隔振对象。

Ford汽车公司己经申请了一个基于磁流变弹性体的汽车悬架套筒的专利。该套筒用于车轮轴控制臂与汽车车身的连接。图2是该套倚的简图，弹性体内径为17mm，外径为28mm，长度为60mm。该套筒剐度的调节是基于汽车驱动系的状态，以降低悬架变形井改善乘坐舒适性。实验发现，该套简在轴向和径向都具有刚度、阻尼和力的可控特性，且能迅速对磁场做出响应。在正弦激振、频率为0.5Hz~20Hz、振幅蜂-峰值为0.06mm~10mm等实验条件下，刚度和阻尼随控制电流增大而增加，且大致成线性关系；最大电流（5A）时刚度和阻尼比零电流时增加了25%。当输入阶跃电流时，套筒建立稳定输出力的响应时间为9.5ms。

图2 磁流变弹性体的汽车悬架筒

Ginlder等人[4,5]利用磁流变弹性体的力学性能可由外加磁场控制的优点，设计出基于磁流变弹性体的可调振子（tunable vibration absorber），该振子的共振频率可以通过改变磁场大小进行调节。该振子主要由基础和质量块两部分组成，在质量块两侧与基础之间的缝隙中粘贴着两片承受剪切作用的磁流变弹性体，用它作为可调刚度的弹簧元件。所用弹性体由羰基铁粉和天然橡胶组成，体积分数为0.27，在磁场下硫化。实验结果表明，在400Hz~1000Hz范围内磁场对系统动态特性表现出较强的可控性。在0.56T的磁场作用下，系统的刚度增大，使系统的共振频率从零磁场时的500Hz上升为610Hz。实验还发现，共振频率随激振加速度增加降低，显示出磁流变弹性体具有应变软化现象。

磁流变弹性体的响应频率可达1000Hz以上，在吸收高速冲击上比磁流变液更具优势。美国军方正进行将磁流变弹性体用于导弹攻击核潜艇的抗冲击研究。由于潜艇水下发射导弹时，导弹舱会受到很大的冲击载荷，为减少对潜艇的冲击和延长使用寿命，将磁流变弹性体制成发射舱内衬，可降低冲击载荷强度。

综上所述，磁流变弹性体在磁场作用下能改变其剪切模量，其应用装置具有无需密封、性能稳定、响应迅速等特点，在需要进行刚度控制的小振幅振动系统中极具应用前景。但是基于磁流变弹性体的应用很有限，尚未达到工业化和商业化的要求。这是由于目前国际上研制的磁流变弹性体存在磁致效应和机械性能上的矛盾，磁流变弹性体存在磁致效应不高的问题，同样限制了磁流变弹性体的实际应用。制备磁致效应强、长期稳定性好的磁流变弹性体是材料科学界深入研究的方向，而开发磁流变弹性体的应用则是工程科学技术人员努力的目标。

2 结束语

磁流变隔振器是一种新型智能出力元件，其在减振工程方面已经有一定应用，但在船舶减振方面尚没有相应研究。结构振动控制涉及力学、自动控制、计算机理论和信号处理等多门学科内容，是振动控制领域一项高新技术和前沿性课题。研究和探索适用于舰船动力装置及设备的隔振的新技术、新方法，对于提高舰船减振控制水平，特别是提高舰船的隐蔽性、生命力和战斗力具有重要的理论意义，而目前应用在舰船上的常规隔振设备因其刚度定常，已经不能满足舰船设备减振降噪的要求。针对这些新问题，单纯地依靠结构自身的强度和刚度或常规的隔振元件来降低船上设各自生的振动干扰是不合适的。鉴于此，寻求新的合理、经济而有效的船舶结构隔振元件以及成熟有效的控制方法已成为科技人员研究的新课题。

[1]Shiga T, Okada A, Kurauchi T. Magnetroviscoelastic behavior of composite gels[J]. J. Appl. Polym. Sci., 1995, 58(4): 787-792.

[2]Jolly M R, Carlson J D. The magnetovis-coelastic response of elstomer composite consisting of ferrous particles embedded in polymer matrix[J]. J. Intel. Mater. Syst. Struct, 1996, 11(7): 613-622.

[3]Ginde J M, Nichols M E. Magnetorheological elastomers: properties and applications[J]. Proceedings of SPIE, 1999, 3675: 131-138.

[4]Liliana B, Oscar B. On the mgneto-elastic poperties of elastomer-ferromagnet composite[J]. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2001, 49: 2877-2919.

[5]邓华夏, 龚兴龙, 张培强. 磁流变弹性体调频吸振器的研制[J]. 功能材料, 2006, 37(5): 790-793.

[6]欧进萍, 关新春. 磁流变耗能器及其性能[J]. 地震工程与工程振动, 1998, 18(3): 74-81.

[7]周平, 谭平. 磁流变阻尼控制理论与技术[M]. 北京:科学出版社, 2007.

[8]周明, 孙树栋. 遗传算法原理及应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 1999.

Application and Development of Magneto-rheological Vibration Isolator Technology

DENG Fei-yun1, BU Feng-bin2
(1. Representative Section Stationed at Shanghai Jiangnan Shipyard (group) Co., Ltd., Shanghai 201913, China; 2. Representative Section Stationed at No. 704 Research Institute, Shanghai 200031, China)

The performance in the aspects of vibration and noise controlling are investigated when the vibration isolator is applied in the vibration isolation system.

magneto-rheological material; vibration isolator; vibration isolator system

TB13

A

邓飞云（1979-），男，工程师。研究方向：舰船机电设备工作。