带有附加组分的磁流变流体的制作方法

专利名称：带有附加组分的磁流变流体的制作方法
技术领域：
本发明涉及暴露于合适的磁场时显示出极大增加的抗流变性的流体材料。这种流体有时也因为磁场对流体流变性的惊人影响而称为磁流变流体。
背景技术：
磁流变(MR)流体是在施加磁场的影响下显示出改变几个数量级并在毫秒级的流动特性的能力的物质。一种可类比的流体是电流变(ER)流体，其在施加电场的影响下显示出相似的能力来改变其流动性或流变性。在这两种情况下，这些诱导的流变性变化是完全可逆的。这些材料的效用在于，使用磁流变或电流变流体的合理配置的电机驱动器能够作为基于计算机的传感或控制器与希望的机械输出之间快速响应的活性界面。有关汽车方面的应用，这样的材料可用作减震器中的有用工作介质，用于可控制的悬挂系统、可控制动力系和发动机架中的阻尼振荡器以及许多电控力/扭力转移(离合器)设备中。
MR流体是磨碎的(典型地为1到100微米直径)、低矫顽磁性的可磁化固体的非胶体悬浮液，例如铁、镍、钴以及它们的分散于诸如矿物油、合成烃、水、硅油、酯化脂肪酸或者其它合适的有机液体基本载体中的磁合金。MR流体在没有磁场时具有可接受的低粘度，但是当它们处于例如大约一特斯拉的磁场时将显示动态屈服应力的极大增加。在目前的进展状态下，MR流体似乎比ER流体呈现了更明显的优势，特别是用于汽车应用，因为MR流体对这种环境中出现的普通污染物不太敏感，而且它们在存在适度施加的磁场时将显示流变性的更大差别。
由于MR流体包含的非胶体固体微粒经常比其所悬浮的液体相密度大七到八倍，因此必须使微粒在液体相中合适分散，以使微粒不会固定地一点不动，也不会反过来凝结形成聚集体。合适的磁流变流体的例子举例，例如1990年9月18日公开的美国专利No.4,957,644，题目是“包含铁磁流体的可磁控联结器”；1991年2月12日公开的美国专利No.4,992,190，题目是“流体对磁场的响应”；1992年12月1日公开的美国专利No.5,167,850，题目是“流体对磁场的响应”；1994年10月11日公开的美国专利No.5,354,488，题目是“流体对磁场的响应”；以及1995年1月17日公开的美国专利No.5,382,373，题目是“基于合金微粒的磁流变微粒”。
如上述的专利和其它地方所建议的，典型的MR流体在缺少磁场时具有容易测定的粘度，它是流体载体和微粒成分、微粒粒度、微粒负荷、温度及相关参数的函数。然而，在施加的磁场存在时，悬浮微粒似乎调整或者聚集了，流体剧烈变浓或者胶化。然后其有效粘度就很高了，需要更大的力量——称为屈服应力——来推动流体的流动。
发明概述现有技术的某些方面，例如上述专利中记载的那些MR流体阐明了本发明的好处和优势。在表征MR流体中首先观察到的是，对于任何施加的磁场(或者等价的任何特定的磁通量密度)，磁诱导的屈服应力随固体微粒体积百分数而增加。这是最明显的和最广泛使用的用来增加MR效果的组成变量。这一点示于

图1，它是一张记录分散于聚α-烯烃液体载体中的纯铁微球悬浮液在增加的体积百分数下的屈服应力的图，单位为磅每平方英寸。施加的磁场强度为1.0特斯拉。可见屈服应力从0.1的铁微球体积百分数时的大约5psi开始逐渐增加到0.55体积百分数时的大约18psi的值。为了使在0.1体积百分数时的屈服应力从5psi翻倍，必须将微球体积百分数增加到大约0.45。然而，由于固体体积百分数在接通状态时会增加，因此处于关闭状态时的粘度也会急剧增加并且快得多。这一点示于图2。图2是以厘泊为单位的粘度对同样的铁微球悬浮液的体积百分数的半对数图。可见在关闭状态时微球体积百分数的很小增加也导致了流体粘度的急剧增加。因此，当体积百分数从0.1增加到0.45使得屈服应力可能翻倍的同时，粘度从大约15厘泊增加到了超过200厘泊。这意味着在1.0特斯拉出现了实际降低超过10倍的反转比率(turn-up ratio)(“接通”剪切应力除以“关闭”剪切应力)。
就基本的流变学性质来说，反转比率定义为给定通量密度的剪切应力与零通量密度的剪切应力之比。在可感知的通量密度下，例如1.0特斯拉级，“接通”剪切应力是由屈服应力给予的，而在关闭状态，剪切应力基本上是粘度乘以剪切速率。参考图1，在0.55体积百分数、1.0特斯拉，屈服应力是18psi。该流体具有2000cP的粘度，如果接受1000秒¨的剪切速率(例如在流变仪中)，其将给出大约0.3psi的关闭状态剪切应力(其中1cP＝1.45×10-7lbf s/m2)。因此，在1.0特斯拉的反转比率是(18/0.3)，或者60。然而，在剪切速率更高的设备中，例如30000秒-1，那么反转比率仅仅是2.0。
将MR流体在接通和关闭状态时的观察结果联系起来，让人觉得试图通过增加固体体积百分数来最大化接通状态屈服应力的任何努力都将带来对反转比率的不利后果，因为在关闭状态的粘度将同时增加，如上面的例子所证明的。这一点在现有技术中已经被普遍认识到了，并且明确地描述于例如美国专利No.5,382,373第3栏。对于一种给定类型的可磁化固体，经验证明其它的变量例如流体类型、固体表面处理、抗沉淀剂或其类似物对MR流体的屈服应力没有任何类似于体积百分数的效果。因此，有必要找到一种方法来使接通状态的屈服应力与关闭状态的粘度及其对固体体积百分数的相互依赖性不相关联。
根据本发明，该不相关联的实现是通过使用带有“双峰”分布而不是单峰分布粒度的固体来最小化固定体积百分数时的粘度。“双峰”意味着流体中使用的固体铁磁微粒群具有两种截然不同的粒度或粒径最大值，该最大值区别如下。
优选地，微粒是球形的或者基本是球形的，例如通过分解五羰基铁或者微粒化熔融金属或可以被还原为球形金属微粒形式的金属的熔融金属前体来生产。根据本发明的实践，选择这样两种不同大小的微粒群——小直径粒度的和大直径粒度的。大直径微粒组具有的平均直径大小的标准偏差不超过所述平均粒度的大约三分之二。同样地，较小的微粒组具有的小平均直径大小的标准偏差不超过所述平均直径值的大约三分之二。优选地，小微粒至少直径1微米以使它们悬浮并作为磁流变微粒起作用。实际的粒度上限是大约100微米，因为更大粒度的微粒通常不再是球状外形而倾向于其它外形的聚集体。然而，对于本发明的应用，大微粒组的平均直径或者最普遍的粒度优选是小微粒组平均直径或最普遍的微粒粒度的五到十倍。这两个组的重量比应该在0.1到0.9的范围。大微粒组和小微粒组的成分可以是相同的或者不同的。羰基铁微粒是便宜的。它们典型地具有球状外形，并且对于小微粒组和大微粒组两组都可以很好地起作用。
已经发现，具有恒定MR微粒体积百分数的给定MR流体配方的关闭状态粘度取决于小微粒在双峰分布中的份数。然而，MR流体的磁特性(例如渗透性)并不依赖于微粒粒度分布，而仅仅依赖于体积百分数。因此，要获得希望的MR流体屈服应力是可能的，其基于双峰微粒群的体积百分数，但是关闭状态粘度可通过采用合适的小微粒份数而被降低。
对于广范围的MR流体组合物来说，反转比率可以通过选择在流体中使用双峰粒度材料的比例和相对大小来控制。只要流体确实是MR流体，这些性质是独立于液体或载体相的成分的，也就是说，固体本质上是非胶体的，仅仅是悬浮在载体中而已。微粒的粘度分布和屈服应力分布可以控制在很广的范围，其通过控制小微粒和大微粒在双峰粒度分布系中相应的比例。例如，在纯的铁微球情况下，反转比率的明显改善可通过使用75％体积的大微粒-25％体积的小微粒双峰配方而实现，其中大微粒的算术平均直径是小微粒平均直径的七到八倍大。
本发明的一个具体实施方式
包括一种改善耐受性的MR流体。MR流体特别适用于流体在其中遭受了巨大离心力的设备，例如大型旋转式离合器。一个特定的具体实施方式
包括磁流变流体，其包括10到14wt％的烃基液体、86到90wt％的双峰可磁化微粒、以及0.05到0.5wt％的火成二氧化硅。
在本发明的另一个具体实施方式
中，双峰可磁化微粒基本上包括第一组微粒，其具有第一直径大小范围，其中第一平均直径的标准偏差不超过平均直径值的大约2/3，以及第二组微粒，其具有第二直径大小范围，并且第二平均直径的标准偏差不超过所述第二平均直径的大约2/3，这样微粒的主要部分都落入1到100微米的范围，并且第一组与第二组的重量比在大约0.1到0.9范围内，并且所述的第一平均直径与所述的第二平均直径的比是5到10。
在本发明的另一个具体实施方式
中，微粒包括至少铁、镍和钴之一。
在本发明的另一个具体实施方式
中，微粒包括羰基铁微粒，其具有1到10微米范围的平均直径。
在本发明的另一个具体实施方式
中，第一和第二组微粒是同样的成分。
在本发明的另一个具体实施方式
中，烃基液体包括聚α-烯烃。
在本发明的另一个具体实施方式
中，烃基液体包括氢化的1-癸烯的均聚物。
本发明的另一个具体实施方式
包括一种磁流变流体，其包括10到14wt％的聚α-烯烃液体、86到90wt％的可磁化微粒、以及0.05到0.5wt％的火成二氧化硅。可磁化微粒包括至少铁、镍和钴基材料之一。微粒可以包括羰基铁，其基本上包括第一组微粒，其具有第一直径大小范围，其中第一平均直径的标准偏差不超过平均直径值的大约2/3，以及第二组微粒，其具有第二直径大小范围，并且第二平均直径的标准偏差不超过所述第二平均直径的大约2/3，这样微粒的主要部分都落入1到100微米的范围，并且第一组与第二组的重量比在大约0.1到0.9范围内，并且所述的第一平均直径与所述的第二平均直径的比是5到10。
附图的简要说明图1是屈服应力(psi)对单峰粒度分布的羰基铁微粒与带有1特斯拉磁通量密度的MR流体混合物的体积百分数的图；图2是粘度对羰基铁微球体积百分数的图，该微球用于同样的MR流体系，其屈服应力显示于图1；图3是根据本发明MR流体的粘度对温度的图；以及图4是各种MR流体包括根据本发明的MR流体的低温试验室平滑转子(smooth rotor)阻尼速度图，标绘为旋转速度对输入速度。
优选
具体实施例方式
的描述本发明是披露于Foister的美国专利No.5,667,715、公开于1997年9月16日的磁流变流体(MRF)的改进，该文披露的内容在此引入作为参考。本发明是一种由合成烃基油，特别是微米级范围的双峰分布微粒以及火成二氧化硅悬浮试剂组成的MRF。当该流体暴露于磁场时，MRF的屈服应力增加了几个数量级。这种屈服应力的增加可用于控制两个旋转部件之间的流体耦合，例如在离合器中。这种屈服应力的改变是迅速的(发生在毫秒时间内)和可逆的。由于可以通过施加电流到场线圈中迅速控制磁场，流体屈服应力以及随之的离合器扭力都可同样迅速地被改变。
该MRF在几个方面是独特的。首先，它使用了从大约280到300的很低分子量(MW＜300)的合成烃基流体，这就允许使用它的设备在低环境温度下也可满意地操作(例如在汽车中低至-40℃)。第二，MRF是由使用了不同微粒粒度比例的铁微粒的特定组合制成的。这种双峰分布提供了接通状态屈服应力与低粘度的优化组合。第三，通过使用火成二氧化硅解决了微粒沉淀的内在问题。使用火成二氧化硅，MRF就形成了一种胶体样结构，其延迟了基流体和铁微粒的分离，既是由于容器中的重力，也是由于离合器设备中的重力加速。这种解决微粒沉淀问题的方法与其它MRF中使用的方法是相反的，后者明显依赖于不可避免的沉淀发生后的微粒重新分布。此外，所需使用的仅仅是极低浓度的火成二氧化硅来获得希望的效果。
此处所述的MRF设计工作于下列环境温度范围＝-40℃到+300℃(内部设备温度)；磁通量密度＝0到1.6特斯拉；重力场＝1到1300g。优选的例子典型的工作环境(例如汽车风机传动装置)包括65℃的环境温度(150°F)、0.6特斯拉的磁通量密度以及500g的重力场。MRF不但必须耐受环境温度，也必须耐受操作离合器过程中产生的瞬间温度，其可能达到内部规定的范围。重要的是MRF在规定的温度范围低端要具有低粘度，以便诸如风机传动装置的设备在不需要冷却发动机时就可以最低速度操作。流体必须为设备提供合适范围的屈服应力以提供例如驱动冷却风扇的足够扭力。施加在流体上的重力场是设备旋转运动的结果，它试图将铁微粒从悬浮液中分离出去。悬浮液必须足够坚固以不必分离就可以抵御这些人工重力。
一般地，本发明的实践可广泛应用于MR流体组分。例如，适用于流体的固体是可磁化的，低矫顽磁性的(即磁场去除时少有或没有残留的磁性)铁、镍、钴、铁-镍合金、铁-钴合金、铁-硅合金及类似物的磨碎微粒，其具有球状或近乎球状的外形并具有大约1到100微米范围的直径。由于微粒是用于非胶体悬浮液中，优选微粒在合适范围的低端，优选标称直径或粒度为1到10微米的范围。MR流体中使用的微粒比“铁磁流体”中使用的微粒要大，组成也不同，后者是例如具有10到100纳米范围直径的极细铁氧化物微粒的胶体悬浮液。铁磁流体在操作机制上不同于MR流体。MR流体是固体微粒的悬浮液，在磁场中易调整或聚集，并急剧增加了流体的有效粘度或流动性。
本发明也适用于利用任何合适的液体载体的MR流体。液体或流体载体相可以是能够用于悬浮微粒但是并不与MR微粒反应的任何材料。这样的流体包括但不限于水、烃油、其它矿物油、脂肪酸酯、其它有机液体、聚二甲基硅氧烷及类似物。如下面所要证实的，特别合适的而且不贵的流体是相对低分子量的烃聚合物液体以及合适的脂肪酸酯，其在预期MR设备的操作温度是液态的并具有关闭条件下的合适粘度以及可悬浮MR微粒。
一种合适的MRF载体(液相)是氢化的聚α-烯烃(PAO)基流体，称为SHF21，由Mobil Chemical Company制造。该材料是氢化的1-癸烯的均聚物。它是一种石蜡型烃，在15.6℃具有0.82的比重。它是无色无味的液体，具有375℃到505℃的沸点，以及-57℃的倾点。该液体相可以在MRF中占10到14wt％。
合适的可磁化固体相包括CM羰基铁粉和HS羰基铁粉，两者都由BASF Corporation制造。羰基铁粉是由纯金属铁制备的灰色的、磨碎的粉末。羰基铁粉由热分解五羰基铁制备，后者是一种通过蒸馏高度纯化的液体。球形微粒包括碳、氮和氧。这些元素给予微粒高机械硬度的核心/外壳结构。CM羰基铁粉包括高于99.5wt％的铁、少于0.05wt％的碳、大约0.2wt％的氧、以及少于0.01wt％的氮，其微粒粒度分布为4.0μm的少于10％、9.0μm的少于50％、以及22.0μm的少于90％，实际密度＞7.8g/m3。HS羰基铁粉包括最低97.3wt％的铁、最高1.0wt％的碳、最高0.5wt％的氧、最高1.0wt％的氮，其微粒粒度分布为1.5μm的少于10％、2.5μm的少于50％、以及3.5μm的少于90％。按照需要，CM与HS羰基铁粉的重量比可以在3∶1到1∶1的范围，但是优选大约1∶1。全部固相(羰基铁)可以占MRF的86到90wt％。
在本发明的优选实施方式中，火成二氧化硅加入大约占MRF的0.05到0.5重量百分比，优选0.05到0.1，以及最优选0.05到0.06。火成二氧化硅是高温分解制备的高纯二氧化硅，具有每克100到300平方米范围的表面积。
实施例1本发明优选的具体实施方式
包括11.2wt％SFH21(α-烯烃)(Mobil Chemical)44.4wt％CM羰基铁粉(BASF Corporation)
44.4wt％HS羰基铁粉(BASF Corporation)0.06wt％火成二氧化硅(Cabot Corporation)实施例1的MR流体在具有大约100mm直径的离合器中提供了改善的性能。
图3是实施例1的MRF的粘度对温度的图。如所评价的，实施例1的MRF用于汽车用途的工作流体时，具有-40℃下可接受的粘度。
图4是各种MRF配方包括实施例1的MRF的平滑转子阻尼速度图(示于线11 MAG 115)。如从图2可评价的，实施例1的MRF在关闭状态(无磁场)中比其它流体产生了更低的阻尼，因而具有更少的相关功的丢失。
耐受性测试上面实施例1描述的MR流体进行了耐受性测试。耐受性测试使用MRF旋转式离合器进行。耐受性测试程序将离合器接受预定的输入速度和希望的风扇速度分布。电动机驱动旋转式离合器沿着输入速度方向的输入。希望的旋转速度是对前馈+P1控制器的参考输入，其调节施加到离合器的电流。施加的电流使MR流体的屈服应力改变，从而允许控制旋转速度。使用恒定的150°F测试箱温度来模拟汽车旋转式离合器所典型经历的下式(underhood)温度。电流以一种将电流从低变到高再变回低的方式通过旋转式离合器。测量相应的旋转速度。最大输入电流设为5安培。测定了获得希望的、特别是最大旋转速度所需的电流量。电流的增加表明控制器要求更高的电流水平来补偿MR流动性的下降。如果电流信号达到5安培，控制器的输出饱和了，控制器不再能够补偿MR流动性的下降。20分钟的耐受性循环重复250次，共500小时。
性能测试流体通过耐受性测试的标准是性能测试。性能测试包括在固定输入速度下指令一系列旋转速度并测定实际的冷却旋转速度和达到所需旋转速度必要的输入电流。基本要求是达到所有的指令旋转速度，特别是最高旋转速度，而旋转速度下降不超过10％。性能测试一般在耐受性测试开始之前(在零小时)、完成耐受性测试的接近半途(大约250小时)以及在耐受性测试结束时(500小时后)进行。在性能测试过程中，所需的电流水平如预期随时间而增加，但是在所有情况下所需的最大电流都低于4安培。在所有三次性能测试中获得的旋转速度也都在为该测试所建立的10％标准范围内，因此实施例1的MR流体通过了耐受性测试。
本发明优选的具体实施方式
包括附加组分，其包含有石蜡油和2，4，6-双(1，1-二甲基乙基)苯酚以及二-叔丁基三硫化物。优选地，石蜡油包括带有20到60个碳原子的碳链的分子。据信酚可以减少MRF中铁微粒的氧化，硫化物据信延长了MRF的耐受性。附加组分可以总液体质量的0.5％到5％范围的浓度使用。具有实施例1的成分以及石蜡油、酚和硫化物附加组分的MR流体在具有大约113mm直径的更大旋转式离合器中提供了改善的结果。
权利要求
1.一种磁流变流体，包括10到14重量百分比的烃基液体；86到90重量百分比的双峰可磁化微粒；0.05到0.5重量百分比的火成二氧化硅；以及包含有石蜡油、酚和硫化物的附加组分。
2.如权利要求1所述的磁流变流体，其中双峰可磁化微粒基本上包含第一组微粒，其具有第一直径大小范围，其中第一平均直径的标准偏差不超过所述平均直径值的大约三分之二，以及第二组微粒，其具有第二直径大小范围，并且第二平均直径的标准偏差不超过所述第二平均直径的大约三分之二，这样所有微粒粒度的主要部分都落入1到100微米的范围，所述的第一组与所述的第二组的重量比在大约0.1到0.9范围内，并且所述的第一平均直径与所述的第二平均直径的比是5到10。
3.如权利要求1所述的流体，其中所述的微粒包括至少铁、镍和钴之一。
4.如权利要求1所述的流体，其中所述的微粒包含具有一到十微米范围的平均直径的羰基铁微粒。
5.如权利要求2所述的流体，其中第一组和第二组微粒是相同的成分。
6.如权利要求1所述的流体，其中烃基液体包含聚α-烯烃。
7.如权利要求1所述的流体，其中烃基液体包含氢化的1-癸烯的均聚物。
8.如权利要求1所述的流体，其中石蜡油包含带有20-60个碳原子的碳链的分子。
9.如权利要求1所述的流体，其中酚包含2，4，6-双(1，1-二甲基乙基)苯酚。
10.如权利要求1所述的流体，其中硫化物包含二-叔丁基三硫化物。
11.如权利要求1所述的流体，其中附加组分存在的浓度范围是流体总液体质量的0.5到5％。
全文摘要
本发明的一个具体实施方式
包括提高耐受性的MR流体。MR流体特别适用于流体在其中遭受了巨大离心力的设备，例如大型旋转式离合器。一个特定的具体实施方式
包括磁流变流体，其包含10到14wt％的烃基液体、86到90wt％的双峰可磁化微粒、0.05到0.5wt％的火成二氧化硅，以及包含有石蜡油、酚和硫化物的附加组分。
文档编号F16D37/00GK1582482SQ02822024
公开日2005年2月16日 申请日期2002年9月3日 优先权日2001年9月4日
发明者J·C·乌利克尼, A·L·史密斯, M·A·戈登, B·L·麦克德尔莫特, T·J·查帕顿 申请人:通用汽车公司, 贝尔美国公司