磁流变液法向力研究

根据磁流变液器件设计的需要，目前对磁流变液特性的研究主要集中在流动模式和剪切模式，特别是对剪切模式下磁流变液特性的研究更为透彻。前期研究大多数致力于垂直于磁场的剪切屈服应力，对平行于磁场方向的法向力研究较少，而研究法向力对配置性能更为优良的磁流变液、优化磁流变液器件、研究磁流变液抛光技术及拓宽磁流变液技术的应用等都有着重要的学术意义和工程应用价值。为此，近年来，磁流变液法向力的流变特性受到越来越多研究者的青睐。

理论方面，Shulman 首次计算得到稳态剪切模式下磁流变液的法向力差，随后，Shkel 和Klingenberg 通过各向异性作用下的连续介质模型，计算得到磁流变液静态法向力与磁场强度的关系为σ33=。此后，众多学者对法向力的实验研究做出了巨大贡献，并取得了可喜的研究成果。

De Vicente 首次利用平板型流变仪实验研究了磁流变液沿着磁场方向的法向力，发现法向力的产生必须同时满足两个条件：①磁流变液处于剪切状态；②外加磁场强度达到某一临界值。然而，See 和Tanner 实验研究却发现：在外加磁场作用下，即使剪切率为零，磁流变液仍然能够产生排斥两极板的法向力，而且法向力与磁感应强度的关系满足Fn=kB2.6，并且，当施加恒定剪切速率时，磁流变液的法向力随着剪切应变的增加反而减少，最终达到某一稳定值。法向力研究结果的不一致性促使越来越多的学者对此进行探索。德国科学家Laun 分别利用锥形和平板两种附件更为系统地研究了磁流变液的法向力，发现第一法向力差远大于其第二法向力差，静态法向力小于稳态法向力，并且法向力与磁感应强度之间服从幂指数关系Fn ∝B2.4。显然，与前述实验结果对比，磁流变液的法向力与磁场的关系，以及磁流变液的法向力产生的条件、机理等还没有一致性的结论。最近，越来越多的学者通过实验结果进一步从微观层面对法向力的产生机理进行阐述。西班牙学者Lopez-Lopez 得到剪切率将稳态法向力分为3 个区域：①沿着磁场方向充满整个间隙；②磁流变液剪切倾斜某一角度但仍填满间隙；③磁流变液散布于两极。

由于磁流变液法向力的产生机理非常复杂，除了受到磁流变液材料、磁场强度、剪切率、温度及振幅和频率的影响外，还与其他因素有关。清华大学田煜教授通过研究磁流变液的剪切稠化现象，得出稳态剪切法向力与磁感应强度的平方成正比，但与剪切率成反比。Liu 通过研究平行于磁场方向的法向力，发现当外加磁场强度超过13 mT 时候，磁流变液的表面将不再保持水平，而是沿着磁场方向上升、伸长成椭圆状。在此基础上，香港城市大学Patrick 团队利用自行设计的装置，得到法向力与磁感应强度近似为平方关系。中国科技大学龚兴龙团队采用恒定磁场和扫描磁场两种方法对磁流变液法向力分别从理论、实验和模拟仿真等方面做了更为系统的研究，不仅研究了静态法向力、稳态及振荡剪切状态3 种情况下的法向力，还对挤压状态下的法向力进行了详细研究和讨论。表4.1 是对前述关于法向力研究的磁流变液进行的归纳。(https://www.xing528.com)

表4.1　不同参考文献中的磁流变液配置

综上所述，磁流变液的法向力不仅取决于磁流变液特性，还与实验装置、测试方法和测试环境等密切相关。而对于磁流变液法向力的研究，目前还处于初始研究阶段，得到的结果也不尽一致，甚至有些相互矛盾的结论。同时，研究磁流变液法向力也是利用多孔材料存储和释放磁流变液的重要理论基础，对进一步拓展、优化磁流变液的应用具有极其重要的理论指导意义。