磁流变阻尼器的介质沉降问题的技术综述

摘 要：磁流变阻尼器（MRD）是基于磁流变效应的一种减振装置，其广泛应用车辆、建筑、体育器械、医疗假肢等领域。由于其阻尼力可调，能够进行半主动控制，因而很受科研人员关注。然而由于磁流变液的沉降问题，使得磁流变阻尼器的研发和应用受到很大限制。本文通过对磁流变液本身的改进以及对阻尼器结构的改进两方面出发，梳理了专利文献中解决磁流变阻尼器中磁流变液沉降的技术手段。

关键词：沉降；材料；颗粒；载体液；结构

1引言

磁流变阻尼器（MRD）是基于磁流变效应的一种减振装置，其广泛应用车辆、建筑、体育器械、医疗假肢等领域。由于其阻尼力可调，能夠进行半主动控制，因而很受科研人员关注。

随着科学技术的进步，磁流变液作为智能材料再次成为科研人员的宠儿。科研人员分别从“先天改进”和“后天矫正”出发，来解决MRF沉降的技术问题。所谓“先天改进”，就是针对磁流变液材料本身的改进；所谓“后天矫正”，就是从磁流变阻尼器的结构出发进行改进。

2针对磁流变材料的改进

对于磁流变材料的改进，主要包括对磁性颗粒的改进和对载体液体的改进。

2.1对磁性颗粒的改进

针对磁性颗粒的改进，包括减小颗粒尺寸、采用合金磁性颗粒、对颗粒表面进行处理、不同尺寸的颗粒混合、形成“核-壳”结构以及改变颗粒形状等方法。

（1）减小颗粒尺寸。通过减小磁性颗粒的尺寸，可以降低其在载体液中的沉降性。

（2）采用合金磁性颗粒：

1994年，美国LORD公司在专利文献WO9410691 A1中提出磁流变材料含有选自铁-钴合金和铁-镍合金的一种铁合金颗粒。

2002年，美国DELPHI公司在专利文献US2002130305 A1中提出一种磁流变流体配方包括选自铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的可磁化不锈钢颗粒。

（3）对磁性颗粒表面进行处理

该方法又包括表面包覆、清除表面杂质和氮化处理等。

①表面包覆，通过对磁性颗粒进行表面包覆，可以减小颗粒整体密度，同时增大颗粒表面积。

2004年，同济大学的浦鸿汀等人在专利文献CN1790560 A中采用化学气相沉积聚合的方法在软磁性颗粒外面包覆一层聚对亚苯基二亚甲基或其衍生物的超薄涂层。

2005年，武汉理工大学的官建国等人在专利文献CN1613919 A中提出无机氧化物层外包覆有亲水性聚合物层。

2006年，宁波经济技术开发区晶格新材料开发有限公司的陈刚等人在专利文献CN1805077 A中采用天然多糖大分子为粉体包覆材料。

2008年，韩国INHA大学在专利文献KR20080103773 A 中通过用聚乙烯醇缩丁醛涂覆羰基铁颗粒获得磁性复合颗粒。

2009年，韩国INHA大学在专利文献KR20090066745 A中通过在羰基铁颗粒上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯得到磁性复合粒子。

2009年，中国科学技术大学的龚兴龙等人在专利文献CN101445762 A中提出羰基铁/PMMA复合磁性颗粒。

2011年，东南大学的徐赵东等人在专利文献中CN102174342 A中提出碳包覆磁流变液。

2014年，吉林大学的关绍巍等人在专利文献CN103897789 A中提出复合磁性粉体为聚芳醚砜类高分子包覆后的磁性粉体。

2015年，中国矿业大学的刘新华等人在专利文献CN104560301 A中提出将纳米钴粒子包覆在羰基铁粉颗粒的表面。

②清除磁性颗粒表面杂质。

1994年，美国LORD公司在专利文献WO9410694 A1中提出从粒子表面去除杂质产物是利用研磨处理、化学处理，以使粒子的表面实质上没有杂质产物。

③对磁性颗粒表面进行氮化处理。

2005年，美国通用公司在专利文献US2005045850 A1中提出将铁磁颗粒暴露于氮气环境中，以赋予颗粒上的富氮表面。

2010年，重庆仪表材料研究所在专利文献CN101928626 A中提出铁磁性颗粒分散相为预先经过表面氮化处理的氮化羰基铁粉。

（4）不同尺寸的磁性颗粒混合：该方法使得其与载液共同组成的分散介质的密度增大，从而减小了载液与磁性粒子之间的密度差，提高了磁流变液的稳定性。

1997年，美国通用汽车在专利中US5667715 A中提出一种大和小铁粒子的混合物。

2010年，东南大学的徐赵东等人在专利文献CN101712904 A中提出混合磁性颗粒为羰基铁粉和纳米级羰基铁粉的混合物。

2012年，美国LORD公司在专利文献CN102428524 A中提出硬颗粒平均粒径范围为大约1微米至大约150微米，水雾化软铁粉平均粒径范围为大约1微米至大约100微米。

2014年北京交通大学的李德才等人在专利文献CN103789068 A中提出微-纳米级的磁性颗粒由微米级磁性颗粒与纳米级磁性颗粒组成。

2015年，中国矿业大学的刘新华等人在专利文献CN104560301 A中提出选用高导磁率和低矫顽力的羰基铁粉颗粒为主分散相，纳米四氧化三铁颗粒为辅分散相。

（5）形成“核-壳”复合结构

2004年，西北工业大学的赵晓鹏等人在专利文献CN1542043 A 中提出镍/聚苯乙烯/二氧化钛核-壳结构的电磁响应复合颗粒由介电性的二氧化钛包覆磁性聚合物微球。

2009年，北京理工大学的赵修臣等人在专利文献CN101552064 A中采用以球形或近球形铁核或采用链状或线状的铁核为模板，在其表面沉积或镀覆一层磁性金属或合金壳层，得到“核-壳”复合结构。

2011年，中国兵器工业第五二研究所的谭锁奎等人在专利文献CN101967421 A中提出分散相是以纳米金属导电微粒Ni为核心、二氧化钛为包覆壳层的核壳结构的外加极性分子修饰的复合微粒。

2011年，中国科学院上海硅酸盐研究所的张景贤等人在专利文献CN102086033 A中提出一种钙-氟-磷-氧复合空心球。

2013年，大连理工大学的齐民等人在专利文献CN102876428 A中提出分散相颗粒为中空钴微粒。

（6）改变颗粒形状

2013年，埃卡特有限公司的GREB等人在专利文献CN103003372 A中提出层状铁颜料的沉降行为与球形羰基铁粒子相比降低。

2.2 对载体液的改进

该方法包括加入触变剂、增大载体液黏度和将颗粒分散在固化的基体中等方法。

（1）加入触变剂：载液中的触变剂能形成网络结构，可以阻碍分散相的粒子沉降。

1994年，美国LORD公司的CARLSON等人在专利文献WO9410693 A1中提出触变添加剂可是一种氢键触变剂、聚合物改性的金属氢化物或其混合物。

2002年，美国DELPHI公司在专利文献US6451219B1中提出触变剂是未经处理的具有至少250平方米/克的表面积的气相二氧化硅。

2003年，重庆仪表材料研究所的张平等人在专利文献CN1414075 A中提出采用纳米级膨润土和氧化硅类无机触变剂。

2009年，美国LORD公司在专利文献WO2009018517 A1中提出磁流变流体包括离子型触变添加剂。

2009年，美国DELPHI公司在专利文献US2009014681 A1中提出触变剂包括氟碳脂。

（2）增大载体液黏度

1996年，美国LORD公司在专利文献WO9633356 A1中通过利用具有凝胶稠度的流体，克服了沉降问题。

2004年，美国DELPHI公司在专利文献US2004135114 A1中提出由具有分子的处理分子完全处理的表面处理的气相二氧化硅的增稠剂。

2005，美国DELPHI公司在专利文献US2005242321 A1中提出增稠剂是表面处理的熏蒸金属氧化物。

2009年，美国LORD公司在专利文献WO2009018517 A1中提出增稠剂包含未经处理的气相法二氧化硅。

（3）将颗粒分散在固化的基体中

2008年，重庆大学的梁锡昌等人在专利文献CN101266861A中提出稳定剂由黄油配制而成。

3 针对磁流变阻尼器结构的改进

为了解决沉降问题，除了针对磁流变液材料本身提出的上述改进外，可以通过对磁流变阻尼器结构的进行改进，从而克服磁流变液沉降的问题。对于磁流变阻尼器结构的改进，主要包括设置永磁体、机械搅拌、电磁搅拌、循环等。

3.1设置永磁体

在磁流变阻尼器中设置永磁体，由于永磁体提供的磁场不会消失，这样可以使得磁流变液始终处于磁场作用中，由于磁力作用而不会沉降。

1999年，美国LORD公司的CARLSON在专利文献WO9906731 A1中提出采用永磁铁产生一个低强度磁场作用在MRF上以减少其沉淀。

2008年，天津大学的李忠献等人在专利文献CN101215860 A中提出活塞盘上沿轴向对称地在其端面上开有两个凹槽，凹槽内插有永磁环，使得阻尼通道处始终保持一定的磁感应强度。

2015年，常州大学的班书昊等人在专利文献CN105156559 A中提出设有端盖第一磁铁、端盖第二磁铁、活塞第一磁铁和活塞第二磁铁，使得梯度流变液缸体全部处于磁场中。

3.2机械搅拌

由于磁流变液设置在阻尼器的缸体中，为了防止其沉降，可以通过机械搅拌的方式，使其均匀分布。

2006年，天津大學的李忠献等人在专利文献CN1865729 A中提出在活塞侧壁上设置有螺旋纹凹槽有利于防止磁流变液沉降。

2015年，美国的CATERPILLAR INC.在专利文献US2015159728 A1中提出设置搅拌带，在活塞的往复运动期间，搅拌带使磁流变液体围绕活塞的流动，阻止了流体的分层。

2016年，西安科技大学的寇发荣等人在专利文献CN205780535U中提出设置叶片盘，其在转动的过程中，搅动聚集在活塞上表面的铁磁性颗粒，解决了磁流变液的沉降问题。

2017年，东南大学的徐赵东等人在专利文献CN106763444 A中提出转动的螺旋弹簧片对工作腔体中的磁流变液进行搅拌。

3.3电磁搅拌

由于磁性颗粒的特性，除了通过设置机械结构进行机械搅拌外，还可以通过电磁的方式进行搅拌。

2002年，西南交通大学的张卫华等人在专利文献CN2487581Y中提出对沉淀磁粉采用电磁扰动方式使其在液体中均匀分布。

2017年，中国农业大学的赵建柱等人在专利文献CN106641081 A中提出磁流变液在电磁力的作用下发生电磁搅拌，逐渐解聚。

3.4 循环

使磁流变液在阻尼器内循环流动，这样可以避免其沉降。

2008年，杜彦亭在专利文献CN101201091 A中提出隔离活塞在液压油的作用下使两个转换器中的磁流变液体都是自上向下流动。

2010年，中国人民解放军总参谋部工程兵科研三所的李万华等人在专利文献CN101881055 A中提出当磁流变阻尼器长期处于静置时，定期启动自循环装置，使磁流变液通过自循环装置进行循环流动。

3.5 其他结构变化

除了上述方法外，许多专利文献中还提出了其他结构变化的方法，用于解决磁流变液沉降问题。

2001年，德国BUERKERT WERKE GMBH & CO.在專利文献DE20103782 U1 文献中提出改进阻尼通道，可以减少沉降。

2010年，哈尔滨工业大学的关新春和欧进萍在专利文献CN101619752 A中提出磁控流体阻尼器，其活塞两侧连接有滤网，滤网与活塞共同运动，滤网之间的液体中添加有软磁性微粒。

2015年，中国人民解放军装甲兵工程学院的张进秋团队在专利文献CN104963982 A中提出减振器主体内没有设计阀体等具有孔隙的结构，因而圆盘在外壳内作直线挤压运动时，磁流变液不易沉淀堵塞。

2016年，中国民航大学的祝世兴团队在专利文献CN105387120 A中提出环形凹槽的能够充分发挥磁流变液的流动特性，降低粘滞力，减少磁流变液的沉降和淤积，防止气泡产生。

4、关于材料改进与结构改进的对比

对材料自身的改进是从“先天”出发，从根本上改变磁流变液，使得改进后的磁流变液能够适用各种磁流变阻尼器以及其他构件，通用性较好；但是这种方法存在不确定性，对解决沉降问题的效果需要通过大量实验数据进行验证；而对阻尼器结构的改进，属于“后天矫正”，其达到的技术效果对于本领域技术人员来说比较直观，也比较容易预测；但是需要对阻尼器的结构进行改变，通用性较差，不一定适用所有阻尼器，且有些需要增加结构部件，导致阻尼器结构复杂化。

在专利文献的数量上，关于材料的改进占据了绝大部分，而采用结构改进的数量相对较少。在结构改进的方法中，采用永磁体的技术手段相对较多。

5、总结

从专利文献角度出发，对解决磁流变阻尼器中介质沉降问题的技术手段进行了梳理。在材料改进方面，梳理了各个阶段针对磁性颗粒的改进和针对载体液的改进的技术手段；在结构改进方面，梳理了各个阶段从设置永磁体、搅拌、循环以及及其他结构变化的技术手段。希望能够为企业的专利挖掘、专利战略提供一定帮助，也希望能够为高校的研究方向提供一点点指引。

参考文献：

[1] 王朋义. Al1060 板材磁流变液软模成形工艺及成形极限研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2017.

[2] 匡 萍. 电磁式自供电磁流变弹性体减振器的设计与特性分析[D].湘潭：湘潭大学，2016.

[3] 郭朝阳. 磁流变液法向力及减振器研究 [D]. 安徽： 中国科学技术大学，2013.

作者简介：

冯连东（1979-），男，硕士，审查员，主要从事机械领域的发明专利实质审查工作。