專利名稱：低粘度磁流變材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及其流體材料，在其處于磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)顯現(xiàn)出流動(dòng)阻力的明顯增加，特別是，本發(fā)明涉及低粘度磁流變材料，其實(shí)質(zhì)上減小了在給定溫度范圍內(nèi)磁流變裝置所需的力的變化。
在有磁場(chǎng)的情況下，可經(jīng)受視在粘度的變化的流體混合物通?？煞Q作Bingham磁流體或磁流變材料。磁流變材料通常是由鐵磁或順磁顆粒組成的，其粒經(jīng)通常大于0.1微米，它分散于載流體內(nèi)，在有磁場(chǎng)的情況下，其顆粒極化，并由此在流體內(nèi)組成粒子鏈。粒子鏈增加了整個(gè)材料的視在粘度或流動(dòng)阻力，并且在有磁場(chǎng)的情況下，顆粒會(huì)恢復(fù)到無組織狀態(tài)或自由態(tài)，并且整個(gè)材料的視在粘度或流動(dòng)阻力也就相應(yīng)地降低了。這些Bingham磁流體混合物顯示出可控制的特性，該特性類似于相應(yīng)地用電場(chǎng)來代替磁場(chǎng)，而對(duì)電流變材料所觀察到的情況。
電流變和磁流變材料二者在裝置內(nèi)提供變化的阻尼力方面是有用的，其裝置如阻尼器、沖擊吸收器和彈性裝置，以及在各種離合器、制動(dòng)器和閥門裝置中控制轉(zhuǎn)矩和/或壓力參數(shù)方面也是有用的。在這些應(yīng)用中，磁流變材料本身提供了一些優(yōu)于電流變材料的優(yōu)點(diǎn)。磁流變流體顯示出比電流變材料高的屈服強(qiáng)度，因此，它可以產(chǎn)生較大的阻尼力。另外，磁流變材料是通過磁場(chǎng)來激活的，而與提供給用以有效地使電流變材料工作所需的昂貴的高壓電力相比，該磁場(chǎng)可以很容易地由簡(jiǎn)單的低壓電磁線圈來產(chǎn)生。在1992年6月18日申請(qǐng)的二個(gè)后續(xù)未決美國專利申請(qǐng)系列號(hào)07/900，571，和07/900，567，其名稱分別為“磁流變流體阻尼器”和“磁流變流體裝置”中，提供了將磁流變流體加以有效利用的裝置類型更為詳細(xì)的描述，其全文在此可以結(jié)合作為參考。
磁流變流體或Bingham磁流體不同于膠質(zhì)磁流體或鐵磁流體。在膠質(zhì)磁流體中，顆粒的粒徑通常為5-10毫微米，在磁場(chǎng)的作用下，膠質(zhì)鐵磁流體不會(huì)顯現(xiàn)出構(gòu)成或出現(xiàn)阻止流動(dòng)的粒子，相反，膠質(zhì)磁流體在整個(gè)材料上會(huì)經(jīng)受一與磁場(chǎng)梯度成正比的體積力，該力會(huì)使整個(gè)膠質(zhì)鐵磁流體被吸引到高磁場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域。
在各種專利及出版物中已經(jīng)討論了磁流變流體及其相應(yīng)的裝置。例如，美國專利2，575，360提供了一機(jī)電控制施加轉(zhuǎn)矩的裝置的說明書，它采用了一種磁流變材料以提供在兩個(gè)單獨(dú)旋轉(zhuǎn)部件之間的傳動(dòng)連接，如可以在離合器和制動(dòng)器中所看到的，所述的適用于該場(chǎng)合的流體混合物包括50%體積的軟鐵粉末，通常稱作“羰基鐵粉末”，其分散在適當(dāng)?shù)囊后w介質(zhì)中，如輕潤滑油。
在美國專利2，661，825中公開了另一種設(shè)備，它可以通過使用磁場(chǎng)或電場(chǎng)來控制移動(dòng)部件之間的滑動(dòng)。在可移動(dòng)部件之間的空間可填充場(chǎng)敏感介質(zhì)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)或電場(chǎng)通量通過該介質(zhì)便可以控制最終的滑動(dòng)量。所述的隨磁場(chǎng)作用變化的流體包含羰基鐵粉末和少量礦物油。
美國專利號(hào)2，886，151描述了力傳遞裝置，如離合器和制動(dòng)器，它使用與相應(yīng)的電場(chǎng)或磁場(chǎng)耦合的流體薄膜。其公開了磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)于流體的一個(gè)例子，其流體包含減小的氧化鐵粉末，和在25℃下粘度為2至20厘泊的潤滑級(jí)油。
在美國專利2，670，749和3，010，471中，描述了用來控制磁流變流體流動(dòng)的閥門結(jié)構(gòu)，在所公開的閥門設(shè)計(jì)中可以使用的磁流體包括鐵磁、順磁和抗磁材料。在美國專利3，010，471中所述特殊的磁流體混合物是由少量的烴油中含羰基鐵的懸浮物組成的。在美國專利2，670，749中描述了可以使用的磁流體混合物，它是由羰基鐵粉末分散于硅油中，或分散于氯化或氟化懸浮流體中所組成的。
在美國專利2，667，237中公開了各種磁流變材料混合物。該混合物規(guī)定了將小順磁或鐵磁顆粒分散于一種液態(tài)冷卻抗氧化氣體中，或鐵磁顆粒分散于一種液態(tài)冷卻抗氧化氣體中，或是一種半固態(tài)潤滑酯中。而對(duì)于磁流變材料的最好的混合物是由鐵粉末和少量機(jī)油組成的。特別要提及的最好的磁粉末是平均粒徑為8微米的羰基鐵粉末，其它可能的載體成分包括煤油、潤滑脂和硅油。
美國專利4，992，190公開了一種對(duì)應(yīng)于磁場(chǎng)的可流變材料。所公開的該材料組成是將可磁化顆粒和硅膠分散于液態(tài)載體中?？纱呕念w粒可以是粉末狀磁鐵礦或羰基鐵粉末，其具有隔離的減小的羧基鐵粉末，如由GAF公司制造的粉末是特別優(yōu)選的。所述的液態(tài)載體在100F下具有粘度在1至1000厘泊范圍內(nèi)，適用載體的特別實(shí)例包括ConocoLVT油，煤油，輕石臘油，礦物油和硅油，最好的載體是硅油，它在100F下粘度在約10至1000厘泊范圍內(nèi)。
最好是，磁流變材料的連續(xù)成分或載流體能夠表現(xiàn)出一些基本特性，這些特性包括(a)流體顆粒成分與裝置材料二者是化學(xué)相容的;(b)相對(duì)低的成體;(c)低熱膨脹;和(d)高密度。磁流變材料還應(yīng)該是一種對(duì)周圍環(huán)境無危害的材料，并且更重要的是，它能夠在一個(gè)寬擴(kuò)的溫度范圍內(nèi)一直起作用。
如上所述，慣用于磁流變材料中的許多載流體成分不能充分滿足所有這些基本要求。例如，許多上述的磁流變材料象使用該材料的磁流變裝置所顯示的那樣，在較寬的溫度范圍內(nèi)會(huì)引起力的很大變化。因此，許多采用傳統(tǒng)載流體制備的磁流變材料不能有效地用于自動(dòng)和航空航天阻尼裝置中，以及類似的需要在較寬變化溫度內(nèi)一直使用精確的控制力的裝置中。
相對(duì)于操作溫度變化的磁流變材料的性能特征對(duì)于許多磁流變裝置商業(yè)上的成功是極為重要的，其中裝置如離合器，制動(dòng)器，阻尼器，振動(dòng)吸收器和發(fā)動(dòng)機(jī)部分。所有這些裝置在其使用過程中本身經(jīng)歷了操作溫度的變化。例如，自動(dòng)和航空航天應(yīng)用的技術(shù)規(guī)范通常需要裝置處于或保持在約-40℃至150℃溫度范圍內(nèi)仍可工作。
因此，需要這樣的磁流變材料，其在較寬溫度范圍內(nèi)仍可表現(xiàn)出特性上的有限變化。
本發(fā)明就是關(guān)于一種磁流變材料，它相對(duì)于溫度的變化表現(xiàn)出顯著的磁流變效應(yīng)，而機(jī)械性能只有極小的變化。特別是，本發(fā)明包括一種載流體和一種顆粒成分，其中載流體在25℃至-40℃溫度內(nèi)每度溫度(T)只具有小于或等于約9.0厘泊/℃的粘度(η)變化(Δη/ΔΤ比)。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以使用在25至-40℃溫度范圍內(nèi)具有Δη/ΔΤ比值小于或等于約9.0厘泊/℃的載流體來制軒磁流變材料，該材料在較寬溫度范圍內(nèi)具有不尋常的低機(jī)械特性變化。通常的載流體，如礦物油和石臘油，具有的Δη/ΔΤ的比大于上述限定，因此，不適用于較寬的溫度范圍。聚硅氧烷和全氟聚醚在25℃下具有的粘度在約3和200厘泊之間，它們可以用來制備極佳的磁流變材料，它們?cè)谳^寬溫度范圍內(nèi)具有非常低的機(jī)械性能變化。特別是，本發(fā)明的磁流變材料，在用于某一裝置中時(shí)，如阻尼器，設(shè)備或離合器，與使用傳統(tǒng)載流體制備磁流變材料的裝置相比，在約-40°至150℃溫度范圍內(nèi)，表現(xiàn)出極低的力輸出變化。


圖1表示線性磁流變阻尼器力的輸出隨溫度的函數(shù)。對(duì)于該阻尼器使用本發(fā)明的低粘度磁流變材料在約1000奧斯特磁場(chǎng)下所獲得的力的數(shù)據(jù)(例1)，與該阻尼器使用高粘度對(duì)比磁流變材料在類似條件下所獲得的數(shù)據(jù)(例2)進(jìn)行了對(duì)比。
本發(fā)明的磁流變材料是由載流體和顆粒成分組成的，其中載流體在25℃至-40℃溫度范圍內(nèi)，每度溫度的粘度變化(Δη/ΔΤ比值)小于或等于約9.0厘泊/℃，最好小于或等于約7.0厘泊/℃。
具有適當(dāng)(Δη/ΔΤ)比值的載流體的實(shí)例包括丙二醇、醋酸酐、異硫氰酸烯丙酯、乙酸芐酯、雙(2-丁氧基乙基)醚、雙(2-氯乙基)醚、雙(2-乙氧基乙基)醚、雙(2-乙基已基)鄰苯二甲酸酯、雙(2-巰乙基)硫化物、雙(2-甲氧乙基)醚、1-溴庚烷、1-溴已烷、1-溴辛烷、1，3-丁二醇、2-(2-丁氧基乙氧基)乙醇、丁苯、丁基環(huán)已烷、N-丁二羥乙基胺、丁酸酐、1-氯-2-乙基苯、1-氯-4-乙基苯、1-氯庚烷、1-氯辛烷、3-氯丙腈、3-氯甲苯、環(huán)已酮、乙酸環(huán)已酯、環(huán)辛胺、癸甲基四硅氧烷、1-癸烯、1，2-二溴丁烷、1，2-二溴-1，1-二氯乙烷、1，2-二丁氧基乙烷、二丁二硫、丙二酸二丁脂、二丁硫、2-二乙氨基乙醇、1，4-二乙基苯、二乙基溴代丙二酸、二乙硫、二-(2-乙基已基)鄰苯二甲酸酯、二乙基丙二酸酯、2，4-二甲基吡啶、二丙二硫、2-(2-乙氧乙氧基)乙醇、2-乙氧基乙基乙酸酯、2-(乙胺基)乙醇、N-乙基苯胺、N-乙基二乙醇胺、2，2′-(亞乙二氧基)雙乙醇、乙基庚酸酯、乙基已酸酯、2-乙基已酸、2-乙基-1-已醇、2-乙基已基乙酸酯、乙基辛酸酯、S-乙硫基乙醇、乙基甲苯、4-氟-1-甲氧基苯、三丁酸甘油酯、二十七氟三丁胺、庚醛、庚硫醇、六氟-2-苯基-2-丙醇、順六氫(-1，2-二氫化茚、2，5-已二醇、已腈、1-已三醇、1-已醇、乙酸已酯、2-羧基乙肼、4-羧基-4-甲基-2-戊酮、3-羥基丙腈、茚、1-碘庚烷、1-碘戊烷、異丁基苯、異丙基苯、異丙基環(huán)已烷、異丙基-1-甲基苯、苧烯、3-甲氧基-1-丁醇、2-(2-甲氧基乙氧基)乙醇、甲基乙酰乙酸酯、N-甲基苯胺、甲基環(huán)戊二烯二聚物、甲基庚酸酯、甲基已酸酯，1-甲基咪唑、4-甲基戊腈、2-甲基戊酸、2-甲基丙酸、1-硝基丁烷、2-硝基乙醇、壬烷、壬酰氯化物、辛腈、1-辛硫醇、辛酰氯化物、1，5-戊二胺、乙酸戊酯、1-苯已烷、蒎烷、蒎烯、1，2，3-丙三醇三乙酸酯、順丙烯基苯、丙酸酐、丙基環(huán)已烷、苯甲酸丙酯、角鯊烯、四乙鍺、四乙基錫、四氫吡喃-2-甲醇、2，6，10，14-四甲基十五烷、三丁胺、三丁基硼酸酯、三丁基磷酸酯、1，3，5-三甲基苯、2，6，8-三甲基-4-壬酮、三甲基磷酸酯、1，2，4-三甲基哌嗪、三丙胺、1-十一碳烯、和其混合物、以及乙二醇和丙二醇與水的混合物，其中亞烷基二醇與水的比是在60∶40至95∶5之間。
本發(fā)明最佳的載流體是聚硅氧烷和全氟聚醚，它們?cè)?5℃下的粘度是在約3和200厘泊之間，最好是在約5和100厘泊之間。
本發(fā)明的聚硅氧烷可以是任何硅氧烷均聚物或共聚物，它是由硅氧烷聚合物主鏈由羥基作為側(cè)和端基所取代的材料組成。羥基可以是直鏈、支鏈或環(huán)狀的，以及碳原子數(shù)在1至約8范圍內(nèi)的脂類或芳香類。另外，羥基可以象氟化聚硅氧烷情況一樣包含H、N、O、S、Cl、Br或F官能團(tuán)。通常市售的聚硅氧烷實(shí)例包括聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚(甲基-3，3，3-三氟丙基)硅氧烷、聚氯苯甲基硅氧烷、二甲基(四氯苯基)硅氧烷共聚物、二甲基(苯甲基)硅氧烷共聚物、二甲基(二苯基)硅氧烷共聚物和甲基-3，3，3-三氟丙基(二甲基)硅氧烷共聚物、其中聚二甲基硅氧烷是最好的。
全氟聚醚可以是任何線性氟化聚合物，其包含的聚醚的主鏈?zhǔn)怯商己脱踉硬в蠧F3或F官能團(tuán)所組成的。本發(fā)明全氟聚醚對(duì)應(yīng)于下列通式
其中A可以是F或CF3，并且v/w的比是在約30和50之間，最好是在約35和45之間。一般市售的全氟聚醚的實(shí)例包括GALDEN和FOMBLIN二種氟化液，其可以由Montediso美國股份有限公司得到。
本發(fā)明的聚硅氧烷類和全氟聚醚類可以通過本技術(shù)領(lǐng)域公知的方法制備，并且許多還可以通過上述市售的方式得到。如果需要的話，市售得到的聚硅氧烷和全氟聚醚的粘度可以通過硅氧烷和有機(jī)硅化合物制造領(lǐng)域的普通專業(yè)人員公知的技術(shù)來降低。該技術(shù)包括在高溫和減壓下的熱解聚，以及在有適當(dāng)?shù)亩嘶忾]劑情況下的酸和堿二者的解聚，如六甲基二硅氧烷。
由于它們表現(xiàn)出一些低溫與粘度的依賴性能，因而在本發(fā)明的使用中，聚硅氧烷要優(yōu)于全氟聚醚，聚二甲基硅氧烷尤其優(yōu)選。
本發(fā)明的載流體也可以是一種上述任何兩種或多種載流體的混合物。
本發(fā)明的載流體通?？梢哉即帕髯儾牧峡傮w積的約50至95%，最好約60至85%數(shù)量范圍來使用。當(dāng)磁流變材料的載流體和顆粒分別具有約0.95和7.86的比重時(shí)，則對(duì)應(yīng)于約11至70%重量，最好約15至41%重量范圍。
本發(fā)明的載流體在25℃至-40℃溫度范圍內(nèi)，具有的(Δη/ΔΤ比值)小于或等于約9.0厘泊/℃是必要的，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)，具有在該溫度范圍內(nèi)的Δη/ΔΤ比值的載流體會(huì)對(duì)相應(yīng)的磁流變材料穩(wěn)定性給予意外的過高溫度。特別是，本發(fā)明低粘度磁流變材料，比采用較高粘度的聚硅氧烷，較高粘度的全氟聚醚或通常載體成分，如石臘或礦物油，所制成的磁流變材料相比，可以在約-40至150℃溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出非常小的機(jī)械特性變化。因此，使用本發(fā)明的磁流變材料的裝置(即阻尼器，固定件，離合器等)，與使用傳統(tǒng)載體成分制備的磁流變材料的裝置相比，在較寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出極恒定的力的輸出。
相對(duì)于本發(fā)明磁流變材料溫度的變化而在機(jī)械特性上只有極小改變，這一點(diǎn)是十分有益的，它使得在許多場(chǎng)合下使裝置的設(shè)計(jì)愈小愈有效。另外，本發(fā)明低粘度磁流變材料使設(shè)計(jì)人員在裝置的最后幾何尺寸或形狀方面，以及在控制裝置電力消耗的方式方面具有更大的余地。
本發(fā)明磁流變材料的顆粒成分實(shí)質(zhì)上可以由表現(xiàn)出磁流變活動(dòng)特性的任何公知固體所組成，用于本發(fā)明的典型顆粒成分可以由，例如順磁、超順磁或鐵磁混合物所組成?？捎糜诒景l(fā)明的顆粒成分的特別實(shí)例包括由下列材料組成的顆粒，如鐵、氧化鐵、氮化鐵、碳化鐵、羰基鐵、二氧化鉻、低碳鋼、硅鋼、鎳、鈷、及其混合物。氧化鐵包括所有公知的純鐵氧化物，如Fe2O3和Fe3O4，以及含有少量其它元素的氧化鐵，如鎂，鋅或欽。氧化鐵的特別實(shí)例包括鐵氧體和磁鐵礦。另外，顆粒成分可以由任何公知的鐵合金所組成，如它們可以包含鋁、硅、鈷、鎳、釩、鉬、鉻、鎢、鎂和/或銅。顆粒成分還可以由特定的鐵-鈷和鐵-鎳合金所組成，其描述在申請(qǐng)人J.D.Carlson和K.D.Weiss同時(shí)申請(qǐng)的題為“基于合金顆粒的磁流變材料”的美國專利申請(qǐng)中，并且它已轉(zhuǎn)讓給本受讓人，其整個(gè)公開內(nèi)容在此可以結(jié)合作參考。
顆粒成分一般是以金屬粉末的形式，它是通過本技術(shù)領(lǐng)域普通專業(yè)人員公知的方法制備的，用以制備金屬粉末的通常方法包括，金屬氧化物的粉碎，研磨或磨碎，電解，金屬羰基分解，迅速固化或熔化方法。市場(chǎng)上得到的各種金屬粉末包括純鐵粉末，粉碎的鐵粉末，絕緣的(insulated)粉碎鐵粉末、和鈷粉末。這里所用顆粒的直徑是在約0.1至500μm范圍內(nèi)，最好是在約1.0至50μm范圍內(nèi)。
本發(fā)明優(yōu)選的顆粒是純鐵粉末，粉碎鐵粉末，氧化鐵粉末/純鐵粉末混合物和氧化鐵粉末/粉碎鐵粉末混合物。氧化鐵粉末/鐵粉末混合物是有利的，其中可以相信，氧化鐵粉末在與鐵粉末混合情況下可以從鐵粉末表面除去任何腐蝕性產(chǎn)物，由此增強(qiáng)了整個(gè)材料磁流變活性。氧化鐵粉末/鐵粉末混合物進(jìn)一步描述在申請(qǐng)人K.D.Weiss，J.D.Carlson和D.A.Nixon同時(shí)申請(qǐng)的題為“使用表面改善顆粒的磁流變材料”的美國專利申請(qǐng)中，并且它也轉(zhuǎn)讓給本受讓人了，其整個(gè)公開內(nèi)容在此可結(jié)合作參考。
顆粒成分通常根據(jù)整個(gè)材料所要求的磁活性和粘度而占總成分體積的約5至50%，最好約15至40%，當(dāng)磁流變材料的載流體和顆粒分別具有約0.95和7.86的比重時(shí)，其對(duì)應(yīng)于約30至89%重量，最好約59至85%重量。
在本發(fā)明中還可以選用用以分散顆粒成分的表面活性劑，該表面活性劑包括公知的表面活性劑或分散劑，如油酸亞鐵和環(huán)烷酸亞鐵、金屬脂肪酸鹽(如，三硬脂酸和二硬脂酸鋁)、堿性脂肪酸鹽(如，硬脂酸鋰和鈉)、磺酸鹽、磷酸酯、硬酯酸、單油酸甘油酯、月桂酸酯、硬脂酸鹽、脫水山梨糖醇倍半油酸酯、脂肪酸、脂肪醇、和其綜表面活性劑，它們?cè)诿绹鴮＠?hào)3，047，507中進(jìn)行了討論(在此可以結(jié)合作參考)。另外，可選擇的表面活性劑可以由空間穩(wěn)定的分子來組成，包括氟脂族聚酯類，如FC-430(3M公司)，和鈉酸酯，鋁酸酯或鋯酸酯偶聯(lián)劑，如KEN-REACT(Denrich石油化學(xué)制品股份有限公司)偶聯(lián)劑?？蛇x擇的表面活性劑還可以是憎水的金屬氧化物粉末，如AEROSILR972，R974，EPR976，R805和R812(Degussa公司)和CABOSILTS-530和TS-610(Cabot公司)表面處理憎水發(fā)煙硅石。最后，用以擴(kuò)散顆粒成分還可采用沉淀的硅膠，如在美國專利號(hào)4，992，190中所公開的內(nèi)容(其在此可結(jié)合作參考)。為了減少磁流變材料中水分的存在，如果使用沉淀的硅膠分散劑，可以選擇在約110℃至150℃溫度下，在對(duì)流爐中進(jìn)行約3小時(shí)至24小時(shí)時(shí)間周期的干燥。
如果使用表面活性劑，其最好是憎水發(fā)煙硅石，“干燥的”沉淀硅膠、磷酸酯、氟酯族聚酯、或偶聯(lián)劑。可選擇的表面活性劑可以使用的量相對(duì)于顆粒成分的重量為約0.1至20%重量范圍。
在本發(fā)明的磁流變材料中，可以通過形成觸變網(wǎng)絡(luò)而使顆粒凝結(jié)盡可能小。觸變網(wǎng)絡(luò)可定義為顆粒的懸浮物，即在低剪切速率下，其形成一種松散網(wǎng)絡(luò)或結(jié)構(gòu)，有時(shí)稱作群集體或絮凝體。該三維結(jié)構(gòu)的存在使磁流變材料的具有較小的剛度，由此可減小顆粒的凝固。然而，當(dāng)通過輕度攪拌而提供剪切力時(shí)，該結(jié)構(gòu)會(huì)很容易地被分裂或分散。當(dāng)去掉剪切力時(shí)，該松散網(wǎng)絡(luò)會(huì)在一定時(shí)間周期內(nèi)重新形成。
通過氫鍵連觸變劑和/或聚合改良的金屬氧化物的使用而形成了一種觸變網(wǎng)絡(luò)或結(jié)構(gòu)。還可以使用膠體添加劑以輔助觸變網(wǎng)絡(luò)的形成。在申請(qǐng)人K.D.Weiss，D.A.Nixon，J.D.Carlsin和A.J.Margida同時(shí)申請(qǐng)的題為“觸變磁流變材料”的美國專利申請(qǐng)中進(jìn)一步描述了使用氫鍵連觸變劑，聚合物改良的金屬氧化物和膠體添加劑的觸變網(wǎng)絡(luò)的形成，該申請(qǐng)也轉(zhuǎn)讓給了本受讓人，其整個(gè)公開內(nèi)容在此可結(jié)合作參考。
本發(fā)明的磁流變材料可以通過手拿刮刀或類似物(低剪切)而將各成份一起進(jìn)行最初的混合，然后接著采用均化器，機(jī)械混合器或振動(dòng)器，或采用適當(dāng)研磨裝置來分散，如球磨機(jī)，沙磨機(jī)，磨碎機(jī)，涂料碾盤，膠磨機(jī)或類似裝置更完全地混合(高剪切)以制成更穩(wěn)定的懸浮物來制成。
本發(fā)明的磁流變材料以及其它磁流變材料的機(jī)械性能和特性的測(cè)定可以通過使用平行板和/或同心圓筒庫愛特流變儀來獲得。提供該技術(shù)的基礎(chǔ)理論已通過S.Oka在流變學(xué)，理論和應(yīng)用(volume3，F(xiàn).R.Eirich，ed.，科學(xué)出版社紐約，1960)而完全描述了，其整個(gè)內(nèi)容在此可結(jié)合作參考。通過流變儀所獲得的信息包括關(guān)于機(jī)械剪切應(yīng)力作為剪切應(yīng)變速率的函數(shù)的數(shù)據(jù)。對(duì)于磁流變材料，為了確定動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和粘度，剪切應(yīng)力作為剪切應(yīng)變速率的數(shù)據(jù)可以按照Bingham塑料來制作。在該型式的范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)于線性回歸曲線零值截距的磁流變材料運(yùn)態(tài)屈服應(yīng)力合乎所測(cè)數(shù)據(jù)。在特定磁場(chǎng)下的磁流變效應(yīng)進(jìn)一步地由在該磁場(chǎng)下的所測(cè)動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力與無磁場(chǎng)下所測(cè)動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力之間的差來限定。
同心圓筒形電池構(gòu)造中，是將磁變流材料放置在半徑R1的內(nèi)圓筒和半徑R2的外圓筒之間形成的環(huán)形間隙中，而在簡(jiǎn)單的平行板構(gòu)造中是將材料放置在半徑R3的上下兩平板之間形成的平面間隙中，在該技術(shù)中，是將板或圓筒的某一個(gè)以一定角速度W旋轉(zhuǎn)，而另一板或圓筒保持不動(dòng)，徑向地對(duì)同心圓筒結(jié)構(gòu)或軸向地對(duì)平行板結(jié)構(gòu)通過流體填充間隙而對(duì)這些電池結(jié)構(gòu)施加磁場(chǎng)。然后由提供的保持或阻止的角速度和轉(zhuǎn)矩T來導(dǎo)出剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間的關(guān)系。
或使用本發(fā)明的磁流變材料或使用其它磁流變材料的各種應(yīng)用特殊裝置的試驗(yàn)，如阻尼器，固定裝置和離合器，這是測(cè)定這些材料機(jī)械性能的第二種方法。含磁流變材料的裝置是按一定機(jī)械傳動(dòng)來簡(jiǎn)單放置的，并按特定的平移幅度和頻度動(dòng)作，對(duì)裝置施加適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)，并且通過按時(shí)間函數(shù)繪制的最后伸長/壓縮波形來確定力的輸出，用以試驗(yàn)阻尼器，固定器和離合器的方法對(duì)于振動(dòng)控制領(lǐng)域的普通專業(yè)人員來說是公知的。
下列實(shí)例是用來解釋說明發(fā)明的，但它不應(yīng)構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制，在實(shí)施例中，所述所有粘度是在25℃下測(cè)定的，并且是以厘泊為單位的。
例1磁流變材料是通過將1257.6g純羰基鐵粉(MICROPOWDER-S-1640，其類似于老的E1鐵粉標(biāo)志，來自GAF化學(xué)制品公司)，25.0gMn/Zn鐵酸鹽(＃73302-0，D.M.Steward制造公司)，17.3g硅氧烷低聚物改良的二氧化硅(CABOSILTS-720，Cobot公司)作為聚合物改良的金屬氧化物，和磷酸酯分散劑(EMPHOSCS-141，Witco化學(xué)公司)，同294.7g的聚二甲基硅氧烷油(L-45，10厘沲，聯(lián)合碳化物化學(xué)制品和塑料股份有限公司)的總量加在一起來制備。聚二甲基硅氧烷的粘度，可通過同心圓筒流變儀來測(cè)定，其約為16厘泊。將磁流變材料采用研磨機(jī)經(jīng)16小時(shí)時(shí)間制成一種均勻混合物。將材料儲(chǔ)存在聚乙烯容器中直至使用。
比較例2按照例1所述步驟來制備磁流變材料，然而，在該例中，是用較高粘度硅油(PS042，500厘沲，Huls美國公司)來代替16厘泊的聚二甲基硅氧烷油，該硅油的粘度可通過同心圓筒流變儀來測(cè)定，其約660厘泊。將磁流變材料儲(chǔ)存在聚乙烯容器中直到使用。
例1和2的機(jī)械特性例1和2中制備的磁流變材料機(jī)械性能可以在-40至150℃溫度范圍內(nèi)以線性磁流變阻尼器來測(cè)得，特別是，該阻尼器包含有大約25ml的磁流變材料，它們是通過活塞的運(yùn)動(dòng)而被迫流動(dòng)的，通過對(duì)包含在活塞內(nèi)的電磁線圈提供電流的產(chǎn)生磁場(chǎng)，并通過裝置內(nèi)的間隙來控制磁場(chǎng)，通過該間隙而使流體流動(dòng)的間隙寬度約為1.5mm。在試驗(yàn)過程中，阻尼器是在1.0Hz的頻率下工作并伴以±0.5英寸的位移幅度，給裝置提供適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)，并通過按時(shí)間函數(shù)繪制的最后伸長/壓縮波形來確定力的輸出。
使用本發(fā)明低粘度磁流變材料的該線性阻尼器的力的輸出(例1)在圖1中與使用高粘度比較磁流變材料的該同樣阻尼器的力的輸出(例2)進(jìn)行了比較，在該圖中，在約1000奧斯特磁場(chǎng)下測(cè)得的力的數(shù)據(jù)是為溫度的函數(shù)而繪制的。可以看到，使用本發(fā)明磁流變材料的阻尼器在-40至150℃溫度范圍內(nèi)可提供相對(duì)恒定(小于約15%變化)的力的輸出，而當(dāng)使用例2的比較磁流變材料時(shí)，該同樣阻尼器在該溫度范圍內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)大于約70%變化的力的輸出。
氧化聚硅氧烷的粘度降低將500ml的聚(甲基-3，3，3-三氟丙基)硅氧烷(PS181，300厘沲，Huls美國公司)，108g的濃硫酸(Aldrich化學(xué)制品有限公司)和51.0g的六甲基二硅氧烷(99.95%，Aldrich化學(xué)制品有限公司)加入到配備有磁攪拌棒的反應(yīng)燒瓶中，然后，給反應(yīng)燒瓶配備一個(gè)干燥管，反應(yīng)混合物在室溫下經(jīng)5天的攪拌，將總共100ml的蒸餾去離子水加到反應(yīng)混合物中，經(jīng)過兩個(gè)小時(shí)的攪拌以后，去掉有機(jī)層，并用100ml的蒸餾去離子水分三次沖洗，用40ml的10%的碳酸氫鈉溶液沖洗四次，并用100ml的蒸餾去離子水沖洗七次。在60℃減壓下去掉任何多余的六甲基二硅氧烷。通過紅外分光器和13C核磁共振分光器表征出保留有聚(甲基-3，3，3-三氟丙基)硅氧烷，并使用同心圓筒流變儀測(cè)量粘度，其約為83厘泊(66厘沲)，將該低粘度氟化聚硅氧烷儲(chǔ)存在聚乙烯瓶中直到使用。
例3-5
通過將總共117.9g的羰基鐵粉(MICROPOWDER-S-1640，GAF化學(xué)制品有限公司)加入按表1特定的相應(yīng)載流體中來制備磁流變材料，通過低剪切和高剪切分散技術(shù)的結(jié)合使用，將磁流變材料制成一種均勻混合物，特別是，最初是用手將顆粒與載流體加以混合，然后使用配有16齒的旋轉(zhuǎn)頭的高速分散器來更徹底地分散。在每種磁流變材料中所含鐵顆粒的重量相當(dāng)于0.30體積比。將磁流變材料儲(chǔ)存在聚慚愧烯容器中。
表1
例3-5的機(jī)械特性。
例3-5中制備的磁流變材料的機(jī)械特性可以通過平行板流變儀的使用來測(cè)得，可以看到，所有磁流變材料在25℃下和2000和3000奧斯特的磁場(chǎng)下表現(xiàn)出有效的動(dòng)力屈服應(yīng)力。這些屈服應(yīng)力值在下面的表2中示出了，它是定義為符合由流變使所獲得的剪切應(yīng)力作為應(yīng)變率函數(shù)的數(shù)據(jù)的線性回歸曲線的Y截距。
表2
如上述實(shí)例所看到的，本發(fā)明磁流變材料表現(xiàn)出明顯的電流變活性，并且在-40至150℃溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能，鑒于在類似不同溫度條件下傳統(tǒng)磁流變材料性能有較大變化，因而在上述不同溫度下本發(fā)明材料取得一致的性能是意想不到的。
可以理解，前述是本發(fā)明最佳實(shí)施例的描述，本發(fā)明范圍不限于上述的特定術(shù)語和條件，而其是通過后續(xù)權(quán)利要求來確定的。
權(quán)利要求
1.一種磁流變材料，它包括載流體和顆粒成分，其中載流體在25℃至-40℃溫度內(nèi)具有的Δη/ΔT比值小于或等于約9.0厘泊/℃。
2.按照權(quán)利要求1的磁流變材料，其中在25℃至-40℃溫度范圍內(nèi)Δη/ΔΤ比值是小于或等于約7.0厘泊/℃。
3.按照權(quán)利要求1的磁流變材料，其中載流體可選自下列一組成分，即丙二醇、乙酸酐、異硫氰酸烯丙酯、乙酸芐酯、雙(2-丁氧基乙基)醚、雙(2-乙基已基)鄰苯二甲酸酯、雙(2-巰乙基)硫化物、雙(2-甲氧乙基)醚、1-溴庚烷、1-溴已烷、1-溴辛烷、1，3-丁二醇、2-(2-丁氧基乙氧基)乙醇、丁苯、丁基環(huán)已烷、N-丁二羥乙基胺、丁酸酐、1-氯-2-乙基苯、1-氯-4-乙基苯、1-氯庚烷、1-氯辛烷、3-氯丙腈，3-氯甲苯、環(huán)已酮、乙酸環(huán)已酯、環(huán)辛烷、癸甲基四硅氧烷、1-癸烯、1，2-二溴丁烷、1，2-二溴-1，1-二氯乙烷、1，2-二丁氧基乙烷、二丁二硫、丙二酸二丁酯、二丁硫、2-二乙氨基乙醇、1，4-二乙基苯、二乙基溴代丙二酸、二乙硫、二一(2-乙基已基)鄰苯二甲酸酯、二乙基丙二酸酯、2，4-二甲基吡啶、二丙二硫、2-(2-乙氧乙氧基)乙醇、2-乙氧基乙基乙酸酯、2-(乙胺基)乙醇、N-乙基苯胺、N-乙基二乙醇胺、2，2′-(亞乙二氧基)雙乙醇、乙基庚酸酯，乙基已酸酯、2-乙基已酸、2-乙基-1-已醇、2-乙基已基乙酸酯、乙基辛酸酯、S-乙硫基乙醇、乙基甲苯、4-氟-1-甲氧基苯、三丁酸某油酯，二十七氟三丁胺、庚醛、庚硫醇、六氟-2-苯基-2-丙醇、順六氫-1，2-二氫化茚、2，5-已二醇，已腈、1-已三醇、1-已醇、乙酸已酯、2-羥基乙肼、4-羧基-4-甲基-2-戊酮、3-羥基丙腈，茚、1-碘庚烷、1-碘戊烷、異丁基苯、異丙基苯、異丙基環(huán)已烷、異丙基-1-甲基苯、苧烯、3-甲氧基-1-丁醇、2-(甲氧基乙氧基)乙醇、甲基乙酰乙酸酯、N-甲基苯胺、甲基環(huán)戊二烯二聚物、甲基庚酸酯、甲基已酸酯、1-甲基咪唑、4-甲基戊腈、2-甲基戊酸、2-甲基丙酸、1-硝基丁烷、2-硝基乙醇、壬烷、壬酰氯化物、辛腈、1-辛硫醇、辛酰氯化物、1，5-戊二胺、乙酸戊酯、1-苯乙烷、蒎烷、蒎烯、1，2，3-丙三醇三乙酸酯、順丙烯基苯、丙酸酐、丙基環(huán)已烷、苯甲酸丙酯、角鯊烯、四乙鍺、四乙基錫、四氫吡喃-2-甲醇、2，6，10，14-四甲基十五烷、三丁胺，三丁基硼酸酯、三丁基磷酸酯、1，3，5-三甲基苯、2，6，8-三甲基-4-壬酮、三甲基磷酸酯、1，2，4-三甲基哌嗪、三丙胺、1-十一碳烯、和其混合物、以及乙二醇和丙二醇與水的混合物，其中亞烷基二醇與水的比是在60∶40至95∶5之間。
4.按照權(quán)利要求1的磁流變材料，其中載流體是聚硅氧烷或全氟聚醚，該載流體在25℃下具有的粘度是在約3和200厘泊之間。
5.按照權(quán)利要求4的磁流變材料，其中載流體在25℃下具有的粘度是在約5和100厘泊之間。
6.按照權(quán)利要求4的磁流變材料，其中聚硅氧烷是一種硅氧烷的均聚物或共聚物，它是由硅氧烷聚合物主鏈由羧基作為側(cè)和端基所取代的材料組成，其中羧基可以是直鏈、支鏈或環(huán)狀的，以及碳原子數(shù)在1至約8范圍內(nèi)的脂類或芳香類，其中羧基可以包含H、N、O、S、Cl、Br或F官能團(tuán)。
7.按照權(quán)利要求6的磁流彎材料，其中聚硅氧烷是選自下列一組材料，即聚二甲基硅氧烷、聚甲基苯基硅氧烷、聚(甲基-3，3，3-三氟丙基)硅氧烷、聚氯苯甲基硅氧烷、二甲基(四氯苯基)硅氧烷共聚物、二甲基(苯甲基)硅氧烷共聚物、二甲基(二苯基)硅氧烷共聚物和甲基-3，3，3-三氟丙基(二甲基)硅氧烷共聚物。
8.按照權(quán)利要求7的磁流變材料，其中聚硅氧烷是聚二甲基硅氧烷。
9.按照權(quán)利要求4的磁流變材料，其中全氟聚醚是一種線性氟化聚合物，它包含的聚醚主鏈?zhǔn)怯商己脱踉硬в蠧F3或F官能團(tuán)所組成的。
10.按照權(quán)利要求9的磁流變材料，其中全氟聚醚對(duì)應(yīng)于下列通式
其中A可以是F或CF3，并且v/w的比是在約30和50之間。
11.按照權(quán)利要求10的磁流變材料，其中v/w的比是在約35和45之間。
12.按照權(quán)利要求1的磁流變材料，其中顆粒成分是由順磁、超順磁或鐵磁化合物組成。
13.按照權(quán)利要求12的磁流變材料，其中顆粒成分是由選自下列一組材料所組成的，即鐵、鐵合金、氧化鐵、氮化鐵、碳化鐵、羰基鐵、二氧化鉻、低碳鋼、硅鋼、鎳、鈷、及其混合物。
14.按照權(quán)利要求1的磁流變材料，其中顆粒成分是一種選自下列一組中的金屬粉末，即純鐵粉末，粉碎鐵粉末、絕緣的粉碎鐵粉末和鈷粉末。
15.按照權(quán)利要求1的磁流變材料，其中顆粒是純鐵粉末、粉碎鐵粉末、氧化鐵粉末/純鐵粉末混合物或氧化鐵粉末/粉末鐵粉末混合物。
16.按照權(quán)利要求1的磁流變材料，其還包括表面活性劑。
17.按照權(quán)利要求16的磁流變材料，其中表面活性劑是選自下列一組材料，即油酸和環(huán)烷酸亞鐵、硬脂酸鋁、堿性硬脂酸鹽、磺酸鹽、磷酸酯、硬酯酸、單油酸甘油酯、脫水山梨糖醇倍半油酸酯、脂肪酸、硬脂酸鹽、月桂酸酯、脂肪醇、氟脂族聚酯、憎水發(fā)煙硅石、沉淀的硅膠、和鈦酸、鋁酸或鋯酸偶聯(lián)劑。
18.按照權(quán)利要求17的磁流變材料，其中表面活性劑是憎水發(fā)煙硅石、沉淀的硅膠、磷酸酯、氟脂族聚酯或偶聯(lián)劑。
19.按照權(quán)利要求18的磁流變材料，其中沉淀的硅膠是在對(duì)流爐中在約110℃至150℃溫度下進(jìn)行約3至24小時(shí)時(shí)間周期的干燥。
20.按照權(quán)利要求1的磁流變材料，其中顆粒凝結(jié)是通過觸變網(wǎng)絡(luò)的形成而減到極小。
21.按照權(quán)利要求1的磁流變材料，其中載流體是占磁流變材料總體積的約50至95%體積數(shù)量范圍，而顆粒成分則為約5至50%體積數(shù)量范圍。
22.按照權(quán)利要求21的磁流變材料，其中載流體是在約60至85%體積的數(shù)量范圍，而顆粒成分是在約15至40%體積的數(shù)量范圍。
全文摘要
一種磁流變材料，其包含顆粒和載流體，而載流體所具有的每度溫度的粘度變化(Δη/ΔT比值)在25℃至-40℃溫度范圍內(nèi)小于或等于約9.0厘泊/℃。磁流變材料相對(duì)于溫度的變化表現(xiàn)出機(jī)械特性極小變化的基本磁流變效應(yīng)。磁流變材料的優(yōu)點(diǎn)就在于它使裝置的設(shè)計(jì)可以更小，更有效和消耗更小的能量。
文檔編號(hào)C10M107/38GK1088019SQ9312070
公開日1994年6月15日 申請(qǐng)日期1993年10月30日 優(yōu)先權(quán)日1992年10月30日
發(fā)明者K·D·韋斯, J·D·卡爾森, T·G·達(dá)克勞斯 申請(qǐng)人:洛德公司