磁流流变材料简介

你如果看过电影《终结者Ⅱ》，一定会对影片中T-1000型液体金属机械人留下深刻的印象。观众在欣赏影片《黑客帝国》时一定会羡慕主角身上所穿的神奇的盔甲：它不像传统的Kevlar头盔或防弹背心那样笨重、不便，在危险来临时它却能像一面坚不可摧的盾牌，抵御子弹等外来物的攻击，也被称为瞬时盔甲（instant armor）。人们也许认为这些只是科幻电影，是遥不可及的梦想。然而在可预见的将来，电磁流变材料也许会帮助我们实现这一梦想。

磁流变（Magnetorheological，简称MR）材料是一种流变性能可由磁场控制的新型智能材料。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）、以及通过调节磁场大小来控制材料的力学性能连续变化，因而近年来在汽车、建筑、振动控制等领域得到广泛应用。

作为新型智能材料的一个分支，电流变(ER)和磁流变(MR)材料具有在外部电、磁场作用下流变性能急剧变化的独特机-电耦合特性和相关高技术特征。电（磁）流变材料包括：电（磁）流变液(ER/MR fluids)、电（磁）流变泡沫(ER/MR foams)、电（磁）流变弹性体(ER/MR Elastomer)。近几年来电（磁）流变弹性体的研究尤为引人注目。

电磁流变材料的历史

1945年Winslow发现电流变效应，1948年Rabinow发现磁流变效应。开始人们一度不看好磁流变液，因为磁流变液需要密度较大的磁性颗粒，而这将导致颗粒沉降在液体底部，另外外加励磁装置对于器件的设计而言也是个难题，因而阻碍了它在工程中的应用。但相比于电流变效应，磁流变效应大得多，磁流变液更加吸引人。后来由于材料制备水平的限制，一直到上世纪90年代近半个世纪，电磁流变材料的研究一直处于停滞状态。进入上世纪90年代，由于材料制备水平的突破，特别是通过加入添加剂或对颗粒进行包裹（以降低其屈服强度为代价），颗粒的沉降问题基本得到解决，国际上掀起了磁流变液的研究热潮，特别是Lord公司开始专业研究、制备、销售磁流变液及开发磁流变液应用器件，标志着磁流变液朝商品化、产业化方向开始迈进。

磁流变材料发展至今，已发展成为包括磁流变液(MR fluids)、磁流变弹性体(MR elastomers)、磁流变泡沫(MR foams)等成员的大家族，涵盖物理、化学、力学、机械、控制等多学科领域。

1987年在美国Boston召开了第一届电磁流变液国际会议（The 1st International Conference on ER and MR Suspensions），以后每两年举行一次，主要总结电磁流变液的研究成果以及出现的问题，探讨其发展前景，至今已经举办了八届（2001年第八届在法国Nice举行）。

Lord公司在磁流变液制备方面已解决了沉降问题，据说现在每年销售几吨，最近几年已开始出现赢利。

在九十年代初中科院物理所、中国科学技术大学、复旦大学、西北工业大学等科研院所率先在国内开展了电磁流变液的研究。目前国内有许多单位从事电磁流变液的研究，多数是关于电磁流变液应用器件的设计与研究。磁流变液阻尼器在湖南省洞庭湖大桥上的应用表明了国内已经开始关注磁流变材料在工程中的应用。而即将在北京召开的第九届电磁流变液国际会议则标志着中国在电磁流变材料领域的研究工作得到了国际同行的关注与认可。国内现在也已经出现了专业生产电磁流变器件的公司。

「 磁 力 流 变 减 震 器 」 可 减 低 地 震 的 损 害
MR damper could minimize earthquake damages
九 九 年 十 一 月 November 1999

新 的 防 地 震 的 建 筑 方 法

在 一 九 九 九 年 ， 世 界 多 个 国 家 ， 如 土 耳 其 (Turkey) 、 希 腊 (Greece) 和 台 湾 (Taiwan) ， 都 发 生 了 多 次 严 重 的 地 震 (earthquake) ， 不 少 建 筑 物 倒 塌 ， 造 成 人 命 和 经 济 的 重 大 损 失 。 美 国 华 盛 顿 大 学 (Washington University) 土 木 工 程 学 助 理 教 授 ， 迪 克 (Shirley Dyke) ， 创 造 了 一 个 可 以 减 低 地 震 震 动 对 建 筑 物 结 构 所 造 成 冲 击 的 装 置 。

这 个 装 置 叫 做 「 磁 力 流 变 减 震 器 」 (magnetorheological (MR) damper) ， 它 由 三 块 夹 在 一 起 的 金 属 板 (metal plates) 所 组 成 ， 其 中 外 部 的 两 块 连 接 到 建 筑 物 的 一 端 ， 而 中 间 那 块 则 连 接 到 另 一 端 。 当 地 震 发 生 时 ， 中 间 那 块 金 属 板 便 会 在 外 部 两 块 板 之 间 滑 动 。 在 建 筑 物 的 楼 层 ， 会 装 置 了 感 应 器 (sensor) ， 测 量 震 动 程 度 ， 然 後 这 些 资 料 会 传 送 到 电 脑 作 出 分 析 ， 计 算 何 时 打 开 减 震 器 来 减 低 震 动 。

减 震 器 中 间 那 块 金 属 板 涂 上 了 一 层 磁 力 流 变 液 ( magnetorheological fluid) ， 当 有 少 许 电 流 通 过 ， 它 便 会 转 变 成 固 体 。 这 样 会 使 三 块 金 属 板 黏 贴 在 一 起 ， 减 少 摇 动 。 整 个 过 程 只 少 於 一 秒 ， 而 当 电 流 停 止 时 ， 固 体 又 会 变 回 液 体 。 这 过 程 会 使 震 动 被 抑 制 ， 而 不 能 加 速 传 送 到 上 面 的 楼 层 。

这 个 新 的 防 震 装 置 相 当 简 单 而 且 不 昂 贵 ， 只 需 用 一 个 电 池 便 可 以 操 控 。 迪 克 教 授 已 经 初 步 测 试 过 这 装 置 ， 发 现 它 可 以 帮 助 减 低 高 峰 加 速 (peak acceleration) 百 分 之 五 十 。 她 将 会 和 其 他 研 究 人 员 进 一 步 研 究 如 何 把 这 装 置 结 合 在 高 层 建 筑 物 的 设 计 中 。