1.1.2 磁流变液的主要特性

1.磁流变效应

磁流变效应是指磁流变液在外加磁场作用下，其表观黏度发生急剧变化；在中等磁场作用下，表观黏度能够增加两个数量级以上[14]；随着磁场强度的不断增大，流体逐渐失去流动性直至近似完全固化，然而一旦外加磁场撤除后，又能够迅速恢复到原先的自由流动状态[15, 16]。

磁流变效应的宏观表现如图1.2所示。磁流变液均匀分布在圆盘面上，线圈环绕在圆盘四周，无磁场作用时，圆盘上的磁流变液表现为自由流动状态；当线圈中通入较小电流时，在圆盘间形成中等磁场作用，此时磁流变液逐渐沿盘面径向凸起，颗粒沿磁场方向排列成链状结构；若进一步增大电流，圆盘间将产生强磁场作用，颗粒链间相互吸引形成更为稳定的柱状结构，表现为颗粒链变粗、表面硬度增大。

磁流变效应的微观机理可依照偶极矩理论来解释：在外加磁场作用下，弥散于磁流变液中的悬浮颗粒发生磁极化形成磁偶极子，具有偶极矩的颗粒相互吸引沿磁场方向排列成链；随着磁场的不断增强，单链数目逐渐增多，相邻单链间相互吸引集聚，从而形成具有更高屈服强度的网、柱状或更为复杂的团簇结构。这种微观结构的变化严重限制了磁流变液的自由流动，直接导致其表观黏度发生急剧变化，利用高速摄影显微成像系统观测磁流变效应的微观表现如图1.3所示。

无磁场作用时（H=0），磁流变液中的颗粒呈无规则自由分布；当施加外磁场作用后，颗粒发生磁极化，沿磁场方向排列，当外加磁场达到一定强度后（H=7.5mT），颗粒间的相互作用足以克服自身热运动而形成较为稳定的链状结构；随着外加磁场进一步增强到H=15mT时，磁流变液中颗粒团聚效果明显，颗粒链变粗，相邻单链间相互吸引形成更为稳定的网、柱状结构。

2.磁流变液的本构模型

磁流变液的本构模型对于其制备以及磁流变液制动器件的设计和性能研究具有重要的指导意义。通常情况下，磁流变液的本构关系可通过宏观本构模型和微观分析模型两种方式来描述：其中宏观本构模型用于表征磁流变液在不同磁场强度和不同剪应变率下剪切应力的变化；微观分析模型则是基于磁性颗粒在外磁场作用下形成链、柱状微结构的事实，通过对微结构进行适当简化，便可得到磁流变液的剪切应力。

（1）宏观本构模型

作为一种典型的两相分散体悬浮液，在稳态剪切情况下，磁流变液的宏观流变行为可由Bingham黏塑性模型来描述[17, 18]，其本构方程为

式中，τ为磁流变液的剪切应力；τ_Y为磁致屈服应力，它是与外加磁场强度有关的物理量；η为磁流变液的动力黏度；为磁流变液的剪切应变率。

由于Bingham模型无法描述磁流变液在前屈服阶段的剪切变稀或变稠现象，对其稍加修改，得到广义Bingham模型[19]，也称之为Herschel-Bulkley模型[20]，其本构方程为

式中，f为磁流变液的流动系数，它反映的是磁流变液剪切变稀或变稠的程度。

当f＞1时，动力黏度随剪切应变率的增大而减小，出现剪切稀化现象；当f＜1时，动力黏度随剪切应变率的增大而增大，呈现剪切变稠现象。

（2）微观分析模型

磁流变液是一种偶极流体系统，其微结构形态主要有链状、柱状、条状和网状等[21]。这些微结构形态决定了磁流变液的宏观表现，采用微观分析模型能够很好地揭示磁流变液的力学机理，以弥补宏观本构模型存在的不足[22]。常见的微观分析模型有单链模型、结构模型和连续场模型三种。

1）单链模型假设磁场作用下的颗粒成一条条完整的单链排列，通过计算颗粒间的磁作用力得到单链的响应特性，再利用统计方法求得磁流变液的宏观屈服应力，它通常适用于颗粒体积分数较小且外加磁场强度不高的条件下。

2）当高浓度磁流变液处于高磁场作用下，单链间由于磁力作用相互吸引聚集，其微观结构呈链、柱状或更为复杂的形状，此时单链模型已不能很好地描述磁流变效应。为此研究人员建立了更为准确的结构模型，典型的结构模型主要包括柱状结构、网状结构、层状结构、体心立方结构和面心立方结构等。

3）连续场模型将磁场作用下颗粒的微观结构看作是均匀的板状或者柱状连续体，通过求解连续体模型的作用力来求得磁流变液的剪切屈服应力。

（3）磁流变液的性能参数及影响因素

磁流变液的性能参数主要包括剪切屈服应力、工作温度范围、零场黏度和流变响应时间。这些参数是衡量磁流变液性能的重要指标，其优劣直接影响到磁流变液的使用寿命和应用范围。因此探讨磁流变液的材料性能及影响因素对于其制备及应用技术研究具有一定的指导意义。

1）剪切屈服应力

在制动应用领域，剪切屈服应力是衡量磁流变液性能的一项主要指标，它反映的是磁流变液在外加磁场作用下克服外界剪切作用所表现出的抗剪应力，其剪切应力-应变关系可由Bingham流体本构方程来表示为

式中，k，c为与磁流变液材料相关的两个常数；B为磁感应强度。

若颗粒达到完全磁饱和，在受到外界剪切作用时，磁流变液呈现出的抗剪应力即为其最大剪切屈服应力，它是衡量磁流变液性能的一项重要指标。Ginder等[23]得到最大剪切屈服应力τ_max与颗粒饱和磁化强度M_s的二次方成正比，即

式中，a为材料常数。

结合式（1.3）和式（1.4）可得，磁流变液的剪切屈服应力可表示为

式中，B_s为磁性颗粒的饱和磁感应强度。

由式（1.5）可得，磁流变液的剪切屈服应力主要与外加磁场强度、基载液动力黏度、颗粒饱和磁化强度等因素有关。

2）工作温度范围

工作温度范围是磁流变液另一项重要性能参数。当磁流变液工作温度超过其许用范围时，将导致其流变性能发生急剧变化，严重时会引发磁流变液材料失效，甚至完全丧失磁流变性能，严重影响磁流变液制动器件的正常使用。

通常情况下，用于配制磁流变液的软磁性颗粒的居里温度要高于700℃，明显氧化温度也都大于300℃[24]，因而在工作温度范围内颗粒磁特性变化不大。然而对于基载液和添加剂而言，由于其多为有机物，工作温度范围有限。其中，基载液的最高工作温度一般低于200℃，温度过高会导致基载液蒸发甚至发生热分解；而对于添加剂而言，有些在100℃左右便出现分解，有些则在经历多次高、低温循环后，材料性能发生严重衰退，导致磁流变液出现不可逆稠化现象，造成磁流变性能的急剧下降。

3）零场黏度

磁流变液在无磁场作用时表现为Newton流体特性，此时呈现的黏度即为零场黏度，它用于表征磁流变液在流动时的内摩擦大小。以连续体力学的观点，磁流变液在流动时，由于颗粒的存在而引起内部摩擦力的增加，因而其零场黏度较基载液一般大很多。通常情况下，零场黏度随软磁性颗粒体积分数ϕ的增加而增大，在颗粒体积分数较小时，可用著名的Einstein方程来描述为

式中，η_f为基载液黏度。

当颗粒体积分数较大时，零场黏度可由Vand公式来表示为[25]

结合式（1.6）和式（1.7）可得，磁流变液零场黏度的影响因素主要有基载液黏度和颗粒体积分数。

4）流变响应时间

磁流变液发生流变的微观机理是颗粒间的相互作用。在磁场作用下，具有偶极矩的颗粒相互吸引，并克服自身热运动逐渐集聚直至沿磁场方向呈链状有序排列。当磁场较强或颗粒体积分数较大时，相邻单链间的相互作用使得单链逐渐变粗，形成网、柱状甚至更为复杂的结构，从颗粒由于磁场作用开始运动到磁流变液内部形成稳定结构，整个过程所需时间即为磁流变液的流变响应时间。

由磁流变液的流变机理可知，流变响应时间主要受基载液黏度、颗粒体积分数、外加磁场强度等因素影响。同时，它还与磁流变液的制备方法和各组分的材料性能息息相关，通常情况下磁流变液的流变响应时间较短，约为1～2ms[26]。

众所周知，一种性能优异的磁流变液应具有剪切屈服应力高、零场黏度低、工作温度范围宽和流变响应迅速等特点。而磁流变液的各项性能参数主要受其组分材料性能的影响，因此各组分材料的恰当选取对于提高磁流变液的综合性能显得尤为重要。