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1、1前言???材料是人類進步的標志和里程碑,是能為人們制造有用器件的物質。像建筑材料、金屬材料、陶瓷材料等關系我們衣、食、住、行之類的東西,常常稱做普通(或傳統(tǒng))材料。隨著科學技術的飛速發(fā)展,在航空航天、電子、電力、石油工業(yè)、通信等領域里,對使用的材料提出了更新、更高的要求,因此尋求新的、具有比傳統(tǒng)材料更優(yōu)異性能的材料則是當代材料科學發(fā)展的必然趨勢。這種新材料已成為當今高新技術的一種象征。一些具有特殊功能的智能材料、超導材料、非晶材料、納米材料、生物材料等,已成為推動社會發(fā)展和人類進步極為重要的物質基礎。???本文在闡述智能材
2、料的基本概念之后,著重介紹了三種智能磁性材料即磁性液體、磁流變液和稀土超磁致伸縮材料與應用。???2智能材料的基本概念???在航空發(fā)展史上,人們都記得高速飛行的飛機若偶遇高空寒流、大風或者受力等情況,往往會發(fā)生機翼或機體斷裂甚至機毀人亡的悲慘事故,這是我們不希望的。如果在飛機剛一出現(xiàn)斷裂時能自動“打上繃帶”進行自我搶救即可避免不幸事故的發(fā)生。這種能給飛機自動“打上繃帶”的材料就是一種智能材料或機敏材料。它是20世紀80~90年代迅速發(fā)展起來的新型功能材料,它能把高技術傳感器(或敏感元件)與結構、功能材料結合為一體成為一種有“
3、感覺”、“感知”并能自我修復、似乎具有生命活力的材料。???例如在一種高性能復合材料中嵌入細小的縱橫交錯的光纖材料,就像“神經”那樣會感覺出飛機所受的不同壓力。測量光纖傳輸光時的各種變化即能測出所受的壓力,在極端條件下光纖會斷裂而信號中斷并發(fā)出警告,這就是智能材料的功能。???如此說來,智能材料就是模仿生命系統(tǒng),能感知應力、熱、光、電、磁、化學等環(huán)境條件的變化,而且能實時地改變自身一種或多種性能參數,作出人們所期望的、與變化后的環(huán)境相適應的響應從而予以控制的一種復合材料。也就是說智能材料應當具有將感知(傳感器)、執(zhí)行(驅動器
4、)和信息三者集于一體的功能,使無生命的材料變成了似乎有生命的系統(tǒng)。???3智能磁性材料及其應用???具有上述智能功能的磁性材料目前有三種,即磁性液體、磁流變液和稀土超磁致伸縮材料,下面分別予以介紹。???3.1磁性液體???磁性液體(Magneticliguid)又稱磁性流體(Magneticfluid)或鐵磁流體(Ferrofluid)、磁性膠體(Magneticcolloids),通常簡稱磁液。它是由納米級鐵氧體(如Fe3O4、Co-Fe2O4、MnZn等)、Fe、Ni、Co金屬及其合金或鐵磁性氮化鐵FexN(2<x≤8
5、)超細磁性顆粒借助表面活性劑高度、均勻彌散于載液(基液)(如有機溶劑、油或水)中所形成的一種穩(wěn)定的膠體溶液,是固、液相混的二相流體,兼有液體的流動性和磁性材料的磁性,目前還發(fā)展了復合磁性液體材料。因此磁性液體有著一般固態(tài)磁性材料所不具備的獨特的性質和功能,在電、磁、流變力學、聲、光、熱等方面顯現(xiàn)出多功能的特點,所以它一出現(xiàn)就受到世界各發(fā)達國家的重視并廣泛應用于科學和工程技術領域中,現(xiàn)已深入到電子、化工、能源、冶金、儀表、環(huán)保、醫(yī)療等各個領域,顯現(xiàn)出廣闊的市場前景。???當外磁場作用于磁液,磁性粒子的磁矩立刻沿磁場方向取向,其
6、全部磁液的磁化強度隨著磁場的增強而增強;當取消外場時磁矩很快就隨機化了。在一個梯度磁場中磁液被磁化并且向高場區(qū)移動。這就意味著磁液可以精確定位并由外磁場加以控制。磁液產生的這種保持力取決于外加磁場強度和磁液的飽和磁化強度值,這是其一。其二,磁液的流變粘度隨外加磁場增強而增高,從而它的阻尼作用也增大。因此這兩種功能均受外加磁場所控制,顯然具有了智能化的特性。???利用前一種特性可在機器人中制作機器人關節(jié)和機械手(圖1、圖2)。在圖1所示的機器人關節(jié)中,(a)為機器人關節(jié),(b)為促動器驅動源。當把磁液充入柔軟的薄膜密封容器內時
7、便構成了一個驅動源,將它裝在機器人兩臂之間。控制容器內通電線圈的通與斷即可使密封容器內的磁液界面發(fā)生形變而動作,從而形成了一個柔軟的關節(jié)。這種關節(jié)具有靈活、驅動軸不易打滑、無磨擦、壽命較長的特點。???圖2為工業(yè)用機械手夾鉗示意圖,利用氣缸4內的空氣使活塞3移動以驅動永磁體2。由于永磁體的移動,使磁液5受到的磁場強度產生變化,從而使磁液受到不同的體積力,驅使彈性膜發(fā)生不同形變,夾鉗6即可自由動作。應用后一特性可制作各種阻尼器、減震器、緩沖器、聯(lián)軸器、制動器和閥門等。圖3為一種慣性阻尼器結構示意圖。可見,圓柱狀永磁體6作為慣性
8、材料被懸浮于磁液5中而構成了阻尼器。在運行時,阻尼器同心地與馬達的軸2聯(lián)接,通過磁液膜被剪切而建立起來的粘滯剪切力消耗掉由旋轉軸2接收來的旋轉能,從而實現(xiàn)阻尼。?????????3.2磁流變液(MRF)???磁流變液(Magnetorheologicalfluid,MRF)是一種具有良好發(fā)