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《智能磁性材料及其應(yīng)用》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在應(yīng)用文檔-天天文庫(kù)。
1、1前言???材料是人類進(jìn)步的標(biāo)志和里程碑,是能為人們制造有用器件的物質(zhì)。像建筑材料、金屬材料、陶瓷材料等關(guān)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(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,在航空航天、電子、電力、石油工業(yè)、通信等領(lǐng)域里,對(duì)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(dāng)代材料科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。這種新材料已成為當(dāng)今高新技術(shù)的一種象征。一些具有特殊功能的智能材料、超導(dǎo)材料、非晶材料、納米材料、生物材料等,已成為推動(dòng)社會(huì)發(fā)展和人類進(jìn)步極為重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。???本文在闡述智能材料的基本概念之后,著重介紹了三種智能磁性材料即磁
2、性液體、磁流變液和稀土超磁致伸縮材料與應(yīng)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(jī)若偶遇高空寒流、大風(fēng)或者受力等情況,往往會(huì)發(fā)生機(jī)翼或機(jī)體斷裂甚至機(jī)毀人亡的悲慘事故,這是我們不希望的。如果在飛機(jī)剛一出現(xiàn)斷裂時(shí)能自動(dòng)“打上繃帶”進(jìn)行自我搶救即可避免不幸事故的發(fā)生。這種能給飛機(jī)自動(dòng)“打上繃帶”的材料就是一種智能材料或機(jī)敏材料。它是20世紀(jì)80~90年代迅速發(fā)展起來(lái)的新型功能材料,它能把高技術(shù)傳感器(或敏感元件)與結(jié)構(gòu)、功能材料結(jié)合為一體成為一種有“感覺(jué)”、“感知”并能自我修復(fù)、似乎具有生命活力的材料。???例如在一種高性能復(fù)合材料中嵌入細(xì)小的
3、縱橫交錯(cuò)的光纖材料,就像“神經(jīng)”那樣會(huì)感覺(jué)出飛機(jī)所受的不同壓力。測(cè)量光纖傳輸光時(shí)的各種變化即能測(cè)出所受的壓力,在極端條件下光纖會(huì)斷裂而信號(hào)中斷并發(fā)出警告,這就是智能材料的功能。???如此說(shuō)來(lái),智能材料就是模仿生命系統(tǒng),能感知應(yīng)力、熱、光、電、磁、化學(xué)等環(huán)境條件的變化,而且能實(shí)時(shí)地改變自身一種或多種性能參數(shù),作出人們所期望的、與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的響應(yīng)從而予以控制的一種復(fù)合材料。也就是說(shuō)智能材料應(yīng)當(dāng)具有將感知(傳感器)、執(zhí)行(驅(qū)動(dòng)器)和信息三者集于一體的功能,使無(wú)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(yīng)用???具有上述智能功能的磁性材料目前有三種,即磁性
4、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(jiǎn)稱磁液。它是由納米級(jí)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)超細(xì)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(jī)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(dòng)性和磁性材料的磁性,目前還發(fā)展了復(fù)合磁性液體材
5、料。因此磁性液體有著一般固態(tài)磁性材料所不具備的獨(dú)特的性質(zhì)和功能,在電、磁、流變力學(xué)、聲、光、熱等方面顯現(xiàn)出多功能的特點(diǎn),所以它一出現(xiàn)就受到世界各發(fā)達(dá)國(guó)家的重視并廣泛應(yīng)用于科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)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(gè)領(lǐng)域,顯現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)前景。???當(dāng)外磁場(chǎng)作用于磁液,磁性粒子的磁矩立刻沿磁場(chǎng)方向取向,其全部磁液的磁化強(qiáng)度隨著磁場(chǎng)的增強(qiáng)而增強(qiáng);當(dāng)取消外場(chǎng)時(shí)磁矩很快就隨機(jī)化了。在一個(gè)梯度磁場(chǎng)中磁液被磁化并且向高場(chǎng)區(qū)移動(dòng)。這就意味著磁液可以精確定位并由外磁場(chǎng)加以控制。磁液產(chǎn)生的這種保持力取決于外加磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁液的飽和磁化強(qiáng)度值,這是其一。其二,
6、磁液的流變粘度隨外加磁場(chǎng)增強(qiáng)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(chǎng)所控制,顯然具有了智能化的特性。???利用前一種特性可在機(jī)器人中制作機(jī)器人關(guān)節(jié)和機(jī)械手(圖1、圖2)。在圖1所示的機(jī)器人關(guān)節(jié)中,(a)為機(jī)器人關(guān)節(jié),(b)為促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)源。當(dāng)把磁液充入柔軟的薄膜密封容器內(nèi)時(shí)便構(gòu)成了一個(gè)驅(qū)動(dòng)源,將它裝在機(jī)器人兩臂之間??刂迫萜鲀?nèi)通電線圈的通與斷即可使密封容器內(nèi)的磁液界面發(fā)生形變而動(dòng)作,從而形成了一個(gè)柔軟的關(guān)節(jié)。這種關(guān)節(jié)具有靈活、驅(qū)動(dòng)軸不易打滑、無(wú)磨擦、壽命較長(zhǎng)的特點(diǎn)。???圖2為工業(yè)用機(jī)械手夾鉗示意圖,利用氣缸4內(nèi)的空氣使活塞3移動(dòng)以驅(qū)動(dòng)永磁體2。由于永磁體
7、的移動(dòng),使磁液5受到的磁場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生變化,從而使磁液受到不同的體積力,驅(qū)使彈性膜發(fā)生不同形變,夾鉗6即可自由動(dòng)作。應(yīng)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(dòng)器和閥門等。圖3為一種慣性阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖??梢?jiàn),圓柱狀永磁體6作為慣性材料被懸浮于磁液5中而構(gòu)成了阻尼器。在運(yùn)行時(shí),阻尼器同心地與馬達(dá)的軸2聯(lián)接,通過(guò)磁液膜被剪切而建立起來(lái)的粘滯剪切力消耗掉由旋轉(zhuǎn)軸2接收來(lái)的旋轉(zhuǎn)能,從而實(shí)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)