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磁流变液和形状记忆力学特性及应用 摘要：介绍了磁流变液和形状记忆合金的基本工作原理和力学特性及其应用。磁流变液和形状记忆材料等智能材料具有特殊的磁、热效应，是智能元件和智能结构的重要组分。基于磁流变液或形状记忆合金材料制成的器件或结构，具有连续可控、控制简单、精度高等特点 磁流变液，形状记忆合金，性能，应用 1引言 随着现代高新技术的发展，智能材料己经成为材料学科领域中一个重要的学科分支。智能材料是指能够随周围环境的改变而改变其性能的一种材料，其基本特点是具有感知与驱动双重功能，即材料自身能感知环境的变化，并作出相应的响应。目前，智能材料的研究呈开放性和辐射性趋势，涉及到许多重要学科，如物理学、材料学、化学、海洋工程、航空航天、医学和计算机等学科领域。迄今为止，已经和正在研究的智能材料主要有形状记忆材料，包括形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物等；压电/电致伸缩陶瓷，包括妮锌酸铅、锆钛酸铅和妮镁酸铅等；磁致伸缩材料；磁、电流变液等。 2 磁流变液 磁流变液是由美国学者Rabinow[1]于1948年发明的一种智能材料。磁流变液是将微米尺寸的磁极化颗粒分散溶于绝缘载液中形成的具有可控流变行为的特定非胶性悬浮液体，其流变特性随外加磁场变化而变化[2]。在外加磁场作用下，其流体结构和性能会在几毫秒内迅速变化，表观粘度系数增加两个数量级以上，会变成类似“固体”的状态，一旦去掉磁场后，又变成可以流动的液体[3]。 磁流变液主要由以下三部分组成[4]：磁性颗粒、基础液、添加剂。在外加磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒产生磁极化，是磁流变液产生磁流变效应的核心。磁性颗粒的关键问题是颗粒的制作，目前磁性颗粒所用的磁性材料属于铁、钴、镍及其合金等。目前磁性颗粒制备方法有：粉碎法[5]、共沉法[6]、软化学方法[7]、热分解法[8]、超声分解法[9]和沉积法[10]等。基础液的主要功能是作为磁性金属颗粒和添加剂的载液，对磁性金属颗粒进行润滑和分散磁性金属颗粒。为了提高磁流变效应，基础液的粘度应该越小越好而且受温度影响越小越好[11]。可以作为基础液的液体种类很多，如：烃基油、矿物油、硅油、水等。美国Lord公司[12]生产的型号为MRF-132DG、MRF-122EG和MRF-140CG的磁流变液的基础液为碳氢化合物。添加剂包括稳定剂和表面活性剂[13-14]。添加剂能起到分散磁性金属颗粒、防止流体触变、改进摩擦、防止腐蚀和磨损等作用[15-18]。添加剂要求能够控制液体的浓度、颗粒间的摩擦和沉淀并且在设计使用寿命期间性能稳定。 2.1 磁流变液性能 2.1.1磁流变液的磁学性能 磁流变液的磁化曲线表现为：随着磁场强度的增加，磁流变液的磁化强度先是迅速增加，而后缓慢增加，最终达到饱和磁化强度。图1为Lord公司生产的3种磁流变液的磁化曲线。以MRF-132DG为例，磁流变液的磁感应强度与磁场强度的近似关系为： （=0~200A/m） (1a) （=200~700A/m） (1b) 图1磁流变液的磁化曲线 Vicente[19]等研究和测量了磁流体的磁化率，结果显示，在不同的颗粒体积分数下，磁化率为磁场的函数。Koichiro Hayashi[20]等分析了Fe3O4纳米颗粒的磁性特性。Hongting Pu[21]等对化学气相沉积还原铁软磁复合颗粒的磁性特性进行了分析。由于还原铁表面涂有聚合物，复合颗粒的饱和磁化强度从1.42T降至1.33T，但是其矫顽力却从10.6kA/m降至1.33TkA/m，有利于软磁颗粒应用于磁流变液。Ioan Bica[22]通过建立外部磁场作用下磁性颗粒的运动方程分析了磁流变悬浮液的磁致电阻R，发现R的大小取决于磁性颗粒的平均半径、颗粒的体积浓度以及磁流变悬浮液的流变性能。 2..2 磁流变液的流变特性 无磁场作用时，磁流变液表现出类似牛顿流体的行为，应力与变形速率呈线性关系且只要有剪应力就会产生流动；在磁场作用下，磁流变液中的磁性颗粒沿磁场方向排成链状，这些链状结构阻止了液体的流动，因而改变了磁流变液的流变特性，磁流变液出现了屈服应力，只有当剪切应力超过屈服应力后开始流动，具有粘性和塑性特性，其流动表现出粘塑性体行为[23]。He[24]和Huang[25]等研究了磁流变液在磁场作用下的性能。Sun[26]等研究了未屈服区域的复合剪切弹性模量与外加磁场的关系，随着外加磁场的增加，磁流变液的复合剪切弹性模量增大。Li[27]等从微、宏观角度研究了磁流变液的屈服应力。国内外学者对磁流变液流变特性进行了大量研究[28-31]。一般地，在外加磁场作用下，磁流变液可以被描述为Bingham塑性体，其本构方程可以描述为[32]： (