近日，大连理工大学教授董旭峰课题组在新型高性能磁流变液研究上取得突破性进展，为重要工程结构在复杂振动环境下的智能减振提供一种综合性能优异的智能材料。相关成果发表在《先进功能材料》上。

功能材料

是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料，有时也被称作特种材料（Speciality Materials）或精细材料（Fine Materials）。功能材料的功能涉及面广，具体包括光功能、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等等。这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。功能材料种类繁多，在日常生活、工业制造、仪器仪表、军 用装备领域都有着广泛的应用，而性能可以调节的可调功能材料就是其中重要的一类。

磁流变智能材料

磁流变智能材料是一种通过感知外界环境刺激，并迅速做出判断与相应处理的先进材料，已受到广泛关注。磁流变智能材料主要包括磁流变液（Magnetorheological Fluid, MRF）和磁流变弹性体（Magnetorheological Elastomer, MRE）两种。

磁流变液（MRF）在加磁、退磁过程中，能在极短时间（毫秒量级）内完成液态——固态——液态的转变，是一种智能流体，具有实时可控、耗能小、转化可逆、表观粘度连续等优点。独特的磁流变特性使得磁流变液在高精密抛光、控制元件、减振阻尼、传动装置、医疗器材、密封等领域得到应用，显示出极大的潜力。磁流变弹性体（MRE）材料是利用高分子聚合物（通常为橡胶）替换掉磁流变液中的液体成分而形成的材料，它克服了MRF易沉降、稳定性差、颗粒易磨损等缺点，又具备响应速度快、可逆性好、结构设计简单、制备成本低等优点，并被广泛用于航空、运输、机械、能源等领域。

随着人类对能源需求日益增长和对生存环境质量要求不断提高，能源和环境问题已成为当今世界人类发展所面临的重要问题。智能材料的出现为高效开发复杂油气藏带来了新的机遇。磁流变液与磁流变弹性体作为一种新型智能材料，将会在降低油气开采成本、提高采收率等方面显示出良好的应用前景。

发展历史

磁流变材料是一种新型的智能材料，这种材料在外加磁场的作用下，可实现在液态和固态之间的快速、可逆的转换。早在1945年，电流变效应就被Winslow发现，在其研究基础上，1948年，美国国家标准局的研究人员J. Rabinow发现了磁流变效应。他把铁磁性颗粒与水或油等液体混合后，在外磁场的作用下，该混合液表观粘度会呈指数增加，并呈现出了类固体特性，该现象即为磁流变效应，这种液体被称作磁流变液（Magnetorheological Fluid, MRF），也就是最初的磁流变材料。但是磁流变液中分散相粒子与载液之间存在较大的密度差，由此引起的磁性颗粒的沉降困扰限制了磁流变液的发展，加之励磁装置设计方面的困难，磁流变液在研究初期的进展非常缓慢。

到了20世纪90年代，由于材料科学的迅猛发展，以及与电流变液相比具有更好的可操作性，磁流变液才得以重焕生机。磁流变液是最早发展起来的一类磁流变材料，随着材料学的发展，磁流变材料的种类越来越多，后来这种磁性材料经过人们不断的研究与探索，又发展延伸出磁流变弹性体（Magnetorheological Elastomer, MRE）、磁流变泡沫、磁流变胶等材料，而在这些材料中，MRE则是应用最为广泛的一种。

磁流变液

磁流变液主要由三部分组成：磁性颗粒、稳定剂和基础剂，它是由微米级的磁性颗粒均匀分散于非磁性的的载液中形成的悬浮体系。在没有外加磁场的时候，磁性颗粒随机均匀分散在载液中，类似于牛顿流体，一旦施加磁场，体系中的磁性颗粒在外磁场的作用下发生极化，产生偶极-偶极相互作用，磁性颗粒沿外加磁场方向排列成链甚至成柱，磁流变液瞬间由液态变为类固态。在这一过程中，磁流变液的流变性能发生了显著的变化，粘度显著增大并产生屈服应力。撤去外加磁场后，磁流变液又迅速恢复原状，这一过程仅需要毫秒时间，而且几乎是可逆的，磁流变液的这种特殊变化称为磁流变效应。

实验表明，在没有磁场作用时，磁流变液的悬浮颗粒处于随机分布；而它在强磁场作用下，悬浮颗粒沿磁场方向形成链状、柱状或更为复杂的类固体结构。对磁流变液的微观结构从理论上加以解释和从实验上加以观察，有助于认识磁流变效应的机理。

研究磁流变液的性能及其影响因素对于研制和应用磁流变液具有重要指导意义。优质磁流变液应具有的性能特征是：沉淀稳定性好、易于再分散、动屈服应力高、零场粘度低、响应时间快、工作温度范围宽。

可应用于结构智能减振技术

大连理工大学教授董旭峰课题组在新型高性能磁流变液研究上取得突破性进展，为重要工程结构在复杂振动环境下的智能减振提供一种综合性能优异的智能材料。相关成果发表在《先进功能材料》上。

目前磁流变液的剪切屈服强度、沉降稳定性和零场粘度等关键性能指标之间存在相互影响，如何平衡这些关键性能指标、开发综合性能优异的磁流变液是制约结构智能减振技术发展的瓶颈问题，也是智能材料领域的研究前沿和热点。

该团队基于跨尺度磁性颗粒开发了综合性能优异的磁流变液，实现了剪切屈服强度、沉降稳定性和零场粘度等关键性能指标的平衡。研究采用直流电弧等离子体法制备具有高饱和磁化强度的FeCo纳米颗粒，将其与微米羰基铁颗粒按优化比例复配，构建一种新型的微纳米颗粒双分散磁流变液体系。相比于传统微米羰基铁粉磁流变液体系，微纳米颗粒双分散磁流变液体系的剪切屈服强度和沉降稳定性都得到了极大的提高，同时零场粘度和再分散性没有明显的劣化，剪切屈服强度从52 kPa提升到58.3 kPa，沉降稳定性从60.1%提升到82.6%，零场粘度仅从0.87 Pa·s升高到1.25 Pa·s，再分散性仅从1.3%增加到了1.5%。

该研究完美地解决了目前磁流变液关键性能指标难以平衡的问题，为结构智能减振技术的应用提供了高性能的智能材料。

磁流变液减震器悬架

磁流变液减震器可以直接通过普通低伏电源(一般的蓄电池) 供电，避免高伏电压带来的危险和不便。与传统的汽车减振器相比，其运动部件大为减少，几乎无碰撞，故噪声低。

构造原理

在减震器内采用的不是普通油，而是一种称作电磁液的特殊液体，它是由合成碳氢化合物以及3到10微米大小的磁性颗粒组成。一旦控制单元发出脉冲信号，线圈内便产生电压，从而形成一个磁场，并改变粒子的排列方向。这些粒子马上会垂直于压力方向排列，阻碍油液在活塞通道内流动的效果，从而提高阻尼系数，调整悬架的减震效果。

应用

上世纪90年代，各大汽车公司开始研究电磁悬架。但由于技术困难和资金缺乏。直到目前为止，只有美国德尔福这一家公司研发出了可以商用的电磁悬架。其它汽车公司生产的带有电磁悬架的汽车都是采购于德尔福。最早采用这一悬架的是2001年的凯迪拉克SRX，现在有凯迪拉克SLS和CTS，奥迪TT跑车，法拉利599GTB。通用公司宣称装有磁流变液减震器悬架的汽车，即使在最崎岖的路面上，也可以增加轮胎与地面的接触，减少轮胎反弹，控制车辆的重心转移和前倾后仰程度，来维护车辆的稳定，还可以在车辆急转弯或做出闪躲动作时很好地控制车身摇摆。

文章来源： 材料科学茶话会，优联汽车，《先进功能材料》