[发明专利]单晶磁粉及其磁流变流体和方法

说明书

本发明涉及单晶磁粉及其磁流变流体和方法。具体而言，本发明提供了一种含单晶磁粉的磁流变流体，包括：单晶磁粉；和用作载液的流体，其中，所述单晶磁粉弥散分布在所述流体中。与传统的磁流变流体相比，根据本发明制备的含单晶磁粉的磁流变流体具有巨大的不可替代的优势，例如，比磁饱和强度高、在相同磁场强度下可以获得更高的工作剪切应力、响应更加快速、不易沉降、粘度低、对构件磨损率低、使用寿命长、可靠性高、响应更加快速等性能优势。

技术领域

本发明涉及磁流变流体领域。具体而言，本发明涉及单晶(monocrystalline)磁粉及由其制备的磁流变流体。本发明还涉及制备含单晶磁粉的磁流变流体的方法。

背景技术

磁流变流体是一种随着磁场的施加其粘度发生变化的液体。由高磁导率、低剩磁的软磁性颗粒通过表面活性剂的作用均匀分散于非导磁性载液中而构成的稳定悬浮液体系。磁流变流体的工作原理是：在外加磁场的作用下，每一颗粒都极化成磁偶极子,各个偶极子相互吸引，在两磁极板间形成的链束状结构像桥一样横架在极板之间,阻碍了流体的正常流动,使其产生类固体的特征。当去掉外加磁场时，流体又恢复到原来的状态，即磁流变流体在液态和固态之间进行快速可逆的转换。固态化程度与电流强度成稳定可逆的关系，即控制电流强度就可以精确控制固态化磁流变流体的剪切屈服强度。

磁流变流体多年来研究者甚多，目前也已被逐渐应用于各种器件中控制阻尼力，如减震器、震动吸收器、人体假肢和弹性座椅等。磁流变流体在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，非常容易实现智能控制。因此，磁流变流体是一种用途广泛、性能优良的智能材料，磁流变流体的应用领域正在迅速扩大。

现有磁流变流体存在的一个本质缺陷在于，无论是现有市场销售的磁流变流体产品，还是本申请人之前发明的单晶磁流变流体产品，流体中的磁粉都是多晶体类型的。多晶体是整块晶体由大量晶粒组成，不能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体，具有磁晶各向同性的基本特征。现有技术的磁流变流体中这种具有磁晶各向同性的多晶磁粉与磁晶各向异性的磁性颗粒相比，其对磁场的响应速度更慢且磁饱和度更低，这种现有技术的缺陷使得本发明在此方面能够提供显著优于现有技术的改进。

现有磁流变流体的另一缺陷在于，市面上现有的产品的剪切屈服强度并不太令人满意，需要更大的工作电流和可能两个以上的励磁线圈，从而使得对设备的控制更复杂，而且成本更高。

传统的磁流变流体采用多晶磁粉，其比磁饱和强度低，在磁场下磁力低，磁流变流体剪切力低。为了增加磁流变流体的工作剪切力，传统的磁流变流体的磁性颗粒的粒度大于0.1μm，优选粒度大于1μm，(见美国专利US6203717B1等)，这就带来了另一个突出问题，即，磁性颗粒在磁流变流体中易沉降。

颗粒趋于沉降的原因之一是油的密度(0.7-0.95g/cm3) 与金属颗粒的密度(铁颗粒约为7.86g/cm3)差别很大，原因之二是传统的磁流变流体中的可磁化颗粒粒度较大(其优选粒度大于1μm，即 1000纳米，如美国专利US6203717B1等)，例如，现有技术的磁粉粒度可见大部分为大约2-5微米左右(参见附图)，形状为球形，类球形，链球形。微细固体颗粒在流体介质中的自由沉降末速度与其粒度的平方成正比。过大粒度的颗粒材料沉降速度更快，更易沉降，造成颗粒的非均匀分布，干扰了磁流变流体的活性。一些早期的磁流变流体(参见美国专利2575360、2661825、2886151、US6203717B1等)主要成分是铁粉末和低粘度油、这些磁流变流体均易于沉降，且沉降的速率随着温度的上升而加快。所以通常需要添加各种增稠剂和悬浮剂。由于这些防沉降组分的大量加入，大幅提高了磁流变流体的粘度，但是，这同时增加了材料在无磁场状态的流动阻力(粘度)。

磁性颗粒的沉降直接导致磁流变流体的使用寿命短、可靠性低和最终导致磁流变流体失效。

磁流变流体的初始粘度大、流动阻力大，这直接导致部分设备在未加磁场时的例如运动部分或器件的性能低下。