第三期    功能流体材料在液压技术中的应用

前面两期我们给大家介绍了陶瓷材料和压电材料在液压技术中的应用，本期我们将带大家一起来看看另一种新型的材料在液压技术中的应用：功能流体材料。

同样的，首先提出问题，什么是功能流体材料? 顾名思义，某些流体由于既具有流体的流动特性,同时又具有常规流体所不具备的某些特殊功能,因此被称为功能流体，例如磁流体、磁流变流体、电流变流体以及电场共轭流体等。

磁流体（MF）

磁流体是一种在母液中添加了铁磁性物质和添加剂的悬浊液,既具有流体的流动特性,同时在外加磁场作用下又能够呈现出较大的饱和磁化强度,因此磁流体在外加磁场的作用下,可承受较大的外力作用或可保持在某一位置。利用这一特性,磁流体被广泛应用在润滑、密封、研磨、分选、轴承、印刷、陀螺、光纤、继电器、医药等许多领域。磁流体的这种磁性来源于磁流体中所含的磁性微粒。这些磁性微粒不是分子,而是由分子组成的颗粒，其特性与铁磁物质相似^[1]。下面我们可以通过两个视频来感受一下磁流体的魔力：

视频一   实验室的磁流体

视频二   磁流体雕塑

        怎么样，这种材料的特性是不是够炫酷？小编看到这个视频，第一个想到的就是漫威电影里的“万磁王”，可以控制和利用周围的磁场。当然如果没有外磁场的作用,磁流体不显示出磁效应。当一旦有外磁场的作用,则分子磁矩立刻定向排列,并对外显示出磁性。随着外磁场强度的增加,开始时,磁化强度随外磁场成正比地增加,然后增加逐渐变缓,最后达到饱和状态。饱和磁化后,所有分子磁矩均按磁场方向排列,磁场继续增强时,磁性微粒的磁性不再增加。外磁场消失后,磁性微粒立刻退磁,几乎没有磁滞现象。

磁流变流体(MRF)

磁流变流体与磁流体相似，它的特点是：在没有外界磁场时，特性与牛顿流体相似，而在外界磁场作用下，它的表现黏度和屈服应力会随外界磁场强度变化而变化，当外加磁场超过一个临界值的时候，磁流变流体会在几个毫秒内从液体变为接近固体状态，而当外界磁场消失后，又迅速恢复为原来的状态。

磁流变流体的应用

磁流变流体为一种人工合成材料，它内部的磁性粒子的粒径比磁流体来说要大的多，通常为0.1~100微米，所以具有力学传递性能。而磁流体由于粒径太小，为纳米级别，一般进行力学传递，所以液压中的应用都是通过磁流变流体来实现。

由于磁流变流体具有在外加磁场作用下产生磁流变效应的特性，人们称之为‘智能流体’。利用它的这一特性，磁流变流体被广泛应用于制作各种阻尼器、减震器、离合器以及伺服位置控制装置等，取得了很好的应用效果，而且很多应用已经商品化、市场化。此外，利用磁流变流体的特性，可进行各种阀类元件的设计，以实现流体控制系统中的方向、流量及压力控制，由于该类控制元件取消了可动部件，使元件比传统的电液机械装置更简单、更可靠；而且由于磁流变流体可提供快速的响应最小体积以及连续可调的控制，对于实时的伺服控制和计算机控制是非常有利的。利用磁流变流体的装置将是电控和机械元件之间最有效的转换方式之在许多元件设计上具有广阔的发展前景^[1]。

（1）制动装置

磁流变流体可以用于气动制动装置。主要是由安装在气动活塞上的电磁机构以及磁流变流体组成。磁流变流体气动制动装置通过电磁机构在工作气隙中产生磁场，磁流变流体在磁场的作用下发生流变，制动装置产生较大的制动力，使气动活塞停止运动。

（2）磁流变流体溢流阀

磁流变流体溢流的工作原理为：当控制线圈通电时，工作气隙中有磁场作用，此时如果溢流阀进口压力小于调定压力，也就是小于磁流变流体的最大屈服应力所对应的压力，则磁流变流体不流动，溢流阀关闭。而如果溢流阀进口压力大于调定压力，也就是该压力能够克服磁流变流体的屈服应力时，磁流变流体沿流道流回油箱，溢流阀开启。如果控制线圈不通电，则工作气隙中无磁场作用，此时溢流阀相当于一个通道，磁流变流体可通过溢流阌的工作气隙直接流回油箱。上述磁流变流体溢流阌工作原理表明溢流阀的开启和关闭不是通过阀芯的动作来实现的，而是通过控制线圈的通电和断电来实现。因此该阀无动作部件，调定压力可通过调节控制线圈的输人电压来无级调节，与传统溢流阀相比，结构简单、无磨损、使用寿命长、自动化程度高。

        一个阀的阀芯不需要相对动作，就能实现开启和关闭，这相对于目前的控制阀来说可是一个很大的突破，小编首先想到的就是一句广告：“妈妈再也不用担心阀芯的卡滞问题了”。想象一下，你的液压系统所使用的液压油，在没有外界磁性的情况下，它可以表现的和正常系统一样，而当给系统外加一个磁性的时候，它的流动方向或者速度可以直接进行控制，那么未来有一天，对于简单的控制需求，小编猜测是不是就可以连整个阀都省掉了？

磁流变流体还可以应用于很多微型方向阀，日本东京工业大学在这方面有比较多的研究。

 电流变流体(ERF)

电流变流体简称（ERF）与磁流变流体类似，是在绝缘的连续相液体介质中加入精细的固体颗粒而形成的悬浊液。ERF在外加静电场作用下其性质会发生迅速变化。当施加一电压时，液体便固化；当电压取消后，又立即恢复液体状态。它的应用也与磁流变流体类似。 

存在的问题

各种功能流体虽然已在工业生产、日常生活及航空航天等领域得到了广泛的应用，但在各种应用中都还存在着不足之处，有待于进一步的改进和完善。在各种应用中，首先功能流体的应用效果会受到各种功能流体本身的性能影响，例如磁流体的饱和磁化强度低，沉降性等问题会限制功能流体作用的充分发挥。因此只有深入研究各种功能流体的作用机理，不断提高各种功能流体本身的性能，才能更好地发挥各种功能流体的作用。

结语

功能流体材料相对于很多人来说，是一种比较神奇的流体，小编相信未来随着人们对它们的了解的逐渐深入，一定会有更多的突破性的拓展应用。不知道你在了解了到这种材料的特性后，会有什么新应用的想法呢？

[1] 李松晶，阮健，弓永军等. 先进液压传动技术概论 .哈尔滨工业大学出版社，2008年3月.