日本研发高稳定性MR流体，或将用于机械控制领域

MR流体是将铁等磁性颗粒分散到油等分散介质中的流体，在车辆的制动器和减震器以及机器人的致动器等机械控制领域备受期待。不过，以往的MR流体存在由于分散在介质中的磁性颗粒容易沉淀，长时间使用的话，会造成装置损坏或工作不稳定等问题。日前，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）与早稻田大学和日本立邦控股公司共同开发出了长期储藏也不会沉淀的高稳定性磁流变液（MR流体），即使静置半年也不会分离，而且可以对外部磁场发挥高应力。

据介绍，此次开发的MR流体，通过将具有抑制磁性颗粒沉淀的侧链聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物应用于分散介质，同时添加直径为20——300nm的纳米颗粒。

图1：新开发的MR流体（左）和以往的MR流体（右）的沉淀分离状态比较（180天后）

MR流体是什么？

磁流变液（Magnetorheological Fluid ， 简称MR流体）属可控流体，是智能材料中研究较为活跃的一支。MR流体是将铁等磁性颗粒分散到油等分散介质中的流体，具有从外部施加磁场后粘度会发生变化的特性（图2）。

图2：MR流体的工作原理。通过施加外部磁场，可控制磁性颗粒的排列，改变流体的粘度

由于磁流变液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，因此是一种用途广泛、性能优良的智能材料。目前，磁流变液已经开始应用于研磨（抛光）工艺、阀门和密封、家庭健身器、机械手的抓持机构、装配车间不规则形体的依托架、以及自动化仪表、机器人的传感器和采矿、印刷等行业。在其众多应用领域当中，研究最多、发展最快的应用领域是汽车座位减振器、刹车器、主动驱动器以及土模机构减振器。

以往的MR流体存在的课题是，磁性颗粒尺寸相对较大，达到数十μm，储存几个月后，磁性颗粒就会在分散介质中沉淀，由此会造成装置损坏和工作不稳定等。另一方面，为抑制沉淀，也开发了采用尺寸仅数十——数百nm的小磁性颗粒的MR流体，但由于磁性颗粒尺寸较小，输出也变小，而且微颗粒本身的材料成本较高，就费用而言很难用于普通的工业用途。

此次开发的MR流体以能发挥大应力的数μ——50μm直径大磁性颗粒为主要成分，并将具有可抑制磁性颗粒沉淀的侧链聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物应用于分散介质，同时添加直径为20——300nm的纳米颗粒，由此即使静置半年也不会沉淀，而且能对外部磁场发挥高应力。

创新：开发出高稳定性磁流变液此次开发的MR流体的特征是，将具有抑制大磁性颗粒沉淀的侧链聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物（图3）应用于分散介质的同时，又在其中添加并分散了一定数量的尺寸比磁性颗粒小（20——300nm）的纳米颗粒（图4）。利用聚二甲苯脂肪酸酰胺衍生物和微纳米颗粒，可抑制大磁性颗粒的沉淀。

一般来说，MR流体对应外部磁场产生的应力与分散的磁性颗粒浓度成正比。但磁性颗粒的浓度达到一定程度以上后，颗粒容易聚集，流体的分散性会显著降低。相反，要想实现平稳的输出，需要降低磁性颗粒的浓度，但浓度低的话又容易沉淀。此次开发的MR流体解决了这些课题，不但实现大输出范围，还具有高稳定性（图5）。

图5：输出范围—稳定性（抑制沉淀分离）

另外，对于外部磁场（磁通密度），可在与以往的产品一样成比例发挥应力的同时，产生较高的最大输出（图6）。

图6：MR流体的磁粘弹性变化（以往产品与新开发品的比较 30mT——1.5T）

未来展望

NEDO、早稻田大学和日本立邦控股将利用开发的MR流体，继续共同开发机器人用柔性致动器。

另外，日本立邦控股将利用此前在涂料领域积累的颜料等微颗粒的分散方法和稳定化技术，推进面向工业机械优化的新MR流体的商品化开发，进一步开拓应用领域（图7）。

图7：MR流体的用途示例。

通过控制外部磁场，可对MR流体进行各种运动控制，比如剪切应力、流动和压缩力等，因此正研究应用于旋转、制动、减速器、水压液压致动器及隔震减震器等。

责任编辑：gt