專利名稱：高耐久性磁流變流體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及耐久性提高的磁流變流體組合物。更具體地，本發(fā)明涉及其中含有相對較硬顆粒和相對較軟顆粒的混合物的磁流變流體組合物，所述硬顆粒和軟顆粒優(yōu)選為鐵顆粒。
背景技術(shù)：
磁流變流體為磁場響應(yīng)性流體，其包含磁場可極化的顆粒組分和液體載體組分。磁流變流體在用于控制振動和/或噪音的設(shè)備或系統(tǒng)中是有用的。已經(jīng)有人提出將磁流變流體用于控制各種設(shè)備的阻尼，所述設(shè)備例如為阻尼器、減震器和彈性體支座 (elastomeric mount)。還提出將其用于控制制動器、離合器和閥門的壓力和/或扭矩。磁流變流體被認(rèn)為在很多應(yīng)用中都優(yōu)于電流變流體，因?yàn)槠浔憩F(xiàn)出更高的屈服強(qiáng)度，并且能夠產(chǎn)生更大的阻尼力。顆粒組分組合物通常包含微米級磁響應(yīng)顆粒。在存在磁場的情況下，磁響應(yīng)顆粒被極化，從而組織成顆粒鏈或者顆粒細(xì)纖維。顆粒鏈增加流體的表觀粘度(流動阻力)，這會導(dǎo)致形成具有一定的屈服應(yīng)力的固體塊，必須超過該屈服應(yīng)力才能使磁流變流體開始流動。當(dāng)消除磁場時，顆粒返回?zé)o組織狀態(tài)，這會使流體的粘度降低。磁流變(MR)流體由分散在載體液中的小球狀鐵磁性或順磁性顆粒組成。小尺寸的磁性顆粒容易懸浮，并且允許將設(shè)備設(shè)計成具有小縫隙。標(biāo)準(zhǔn)的羰基鐵(Cl)(通常所用的鐵)是由五羰基鐵蒸汽通過氣相分解過程而產(chǎn)生的，其形成碳含量相對高的球狀顆粒。 也可以使用經(jīng)還原的Cl，其通過還原標(biāo)準(zhǔn)CI而制備，并且碳含量非常低。然而，與其它類型的鐵相比，標(biāo)準(zhǔn)CI和經(jīng)還原的CI多少有些昂貴。此外，使用羰基鐵限制了可以采用的冶金術(shù)的范圍，這歸因于制備這種CI顆粒所采用的工藝。近年來，人們致力于開發(fā)主要用于汽車懸架阻尼器的低成本MR流體。主要的關(guān)注點(diǎn)是使用低成本水霧化鐵(WAI)顆粒替代現(xiàn)有技術(shù)流體中所使用的高成本羰基鐵(Cl)。 WAI顆粒的制備在本領(lǐng)域以及文獻(xiàn)中是已知的，通常涉及熔融鐵或鐵合金，使其從小孔流出以形成細(xì)流，并且對該熔融流進(jìn)行高壓噴水以形成金屬顆粒。為了確定較大的水霧化鐵 (WAI)粉末能否滿足耐久性的要求，人們已經(jīng)付出了很多努力，但是到目前為止收效甚微。 在為獲得良好耐久性而特別配制的MR流體中，簡單地用較大的WAI替代CI僅得到了耐久性不合格的流體。試圖用較大的WAI來優(yōu)化MR流體的配方尚未取得成功。含有較大WAI的流體的耐久性失效的根本原因在于，鐵粉末經(jīng)過機(jī)械作業(yè)，尺寸降低(degradation)，以至于產(chǎn)生了大量的細(xì)顆粒(直徑小于1微米)。因此，希望提供這樣一種使用水霧化顆粒的磁流變(MR)流體，其滿足耐久性標(biāo)準(zhǔn)
4并且在機(jī)械作業(yè)之后產(chǎn)生較少的尺寸降低的細(xì)顆粒。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，提供一種磁流變流體，其包含載體液、以及由相對較軟的水霧化鐵顆?；蚍勰┡c少量相對較硬的顆?；蚍勰┬纬傻墓不煳铩Ｔ诒景l(fā)明的另一個實(shí)施方案中，MR流體配制物還包含作為載體液的烴油和任選的增稠劑以及MR流體常用的其他添加劑。雖然本發(fā)明在使用水霧化鐵替代羰基鐵時具有獨(dú)特的實(shí)用性，但其中一類或兩類鐵顆粒含有羰基鐵也在本發(fā)明的實(shí)施方案的范圍之內(nèi)。在本發(fā)明的另一個實(shí)施方案中，MR流體包含疏水性載體油、懸浮助劑、以及由較軟的水霧化鐵粉與少量或微量明顯較硬的金屬粉末(例如鐵)形成的混合物。還可以添加本領(lǐng)域以及文獻(xiàn)中已知的包括表面活性劑和其它添加劑在內(nèi)的其它添加劑，以減少磨損和摩擦，并且提高抗氧化性。包含由硬度不同的顆粒或粉末形成的混合物的MR流體出乎意料地提供了優(yōu)于僅使用水霧化軟鐵粉的MR流體的耐久性和設(shè)備磨損特性。使用多種添加劑也提高了耐久性。本發(fā)明一方面公開了一種包含兩類磁響應(yīng)顆粒的共混物的磁流變流體，其中一類顆粒相對較硬，并且平均粒徑范圍為大約1微米至大約150微米；另一類顆粒相對較軟，并且平均粒徑范圍為大約1微米至大約100微米，并且所述流體不含氟碳化合物。本發(fā)明的另一個方面提供了一種制備磁流變流體的方法，其包括以下步驟將磁響應(yīng)性的硬顆粒和磁響應(yīng)性的軟顆粒與載體液混合，所述磁流變流體不含氟碳化合物，其中所述硬顆粒的平均粒徑范圍為1微米至150微米，所述軟顆粒的平均粒徑范圍為1微米至100微米。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所使用的磁響應(yīng)顆?；蚍勰┛梢詾槿魏我阎憩F(xiàn)出磁流變行為的固體。對本發(fā)明有用的典型的顆粒組分包括(例如)順磁性化合物，超順磁性化合物或鐵磁性化合物?？梢允褂玫拇彭憫?yīng)顆粒的具體例子包括由以下材料構(gòu)成的顆粒，這些材料例如為鐵、 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、以及它們的混合物。氧化鐵包括所有已知的純氧化鐵，例如I^e2O3和狗304，以及那些含有少量其他元素(例如錳、鋅或者鋇)的氧化鐵。氧化鐵的具體的例子包括鐵氧體和磁鐵。此外，磁響應(yīng)顆粒組分可以包括任何已知的鐵合金，例如，那些含有鋁、硅、鈷、鎳、釩、鉬、鉻、鎢、和/或銅的鐵合金。然而，不優(yōu)選羰基鐵，因此可以將其排除在本發(fā)明之外(即不含羰基鐵)。也就是說，在本發(fā)明的組合物中，相對于全部鐵顆粒的總重量，羰基鐵的量小于10重量％，理想的為小于5重量％或小于2重量％，或者為零?？梢杂米鞅景l(fā)明的磁響應(yīng)顆粒的鐵合金包括鐵鈷合金和鐵鎳合金。優(yōu)選用于磁流變組合物的鐵鈷合金的鐵鈷重量比為大約30 70至大約95 5，優(yōu)選為大約50 50 至大約85 15，而鐵鎳合金的鐵鎳重量比為大約90 10至大約99 1，優(yōu)選為大約 94 6至大約97 3。為了提高合金的延展性和機(jī)械性能，鐵合金可以包含少量的其它元素，例如釩、鉻等。這些其它元素通常以小于約3.0重量％的量存在。
在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案中，所使用的磁響應(yīng)軟顆粒的鐵含量為大約97.0重量％至大約99. 9重量％，理想的為大約98重量％至約99. 5重量％，并且優(yōu)選為大約98. 5 重量％至大約99. 5重量％。其中碳的量通常小于0. 05重量％，優(yōu)選小于約0. 02重量％。 本發(fā)明優(yōu)選的軟鐵顆粒還包含少量的鉻和硼。例如，鉻的量通常為大約0到大約2重量％， 優(yōu)選為大約0. 1重量％至大約1. 5重量％。硼的量通常為大約0至大約2重量％，優(yōu)選為大約0. 1重量％至大約0.9重量％。從SEM照片判斷，軟鐵顆粒的形態(tài)基本上為表面相對光滑的球形。軟鐵粉的平均直徑可以在通常的MR流體所用鐵粉的范圍內(nèi)，S卩，大約1微米或大約5微米至大約100 微米，優(yōu)選為大約2微米至大約8微米。通過微壓痕試驗(yàn)測量，軟粉末的硬度通常小于約 400HV(維氏硬度)，優(yōu)選為大約50HV至大約300HV。本發(fā)明的硬鐵顆粒也具有高的鐵含量，通常為大約85重量％至大約95重量％，理想的為大約88重量％至大約96重量％。其中碳的量通常為大約0至大約1. 0重量％，優(yōu)選為大約0. 01重量％至大約0. 8重量％。硬鐵顆粒通常包含大約0至大約3重量％，優(yōu)選為大約0或0. 1重量％至大約2. 5重量％的鉻。其中硼的量通常為大約0至大約4. 0重量％， 優(yōu)選為大約2. 0重量％至大約3. 5重量％。硅的量為大約0. 5重量％至約7. 0重量％，優(yōu)選為大約1.0重量％至大約4.0重量(％。硬顆粒或粉末的形態(tài)應(yīng)當(dāng)為表面光滑的近似球形。為達(dá)到最佳效果，硬顆粒的平均粒徑等于或者略大于(即1. 0至大約1. 3倍)軟鐵顆粒的平均粒徑。合適的粒度通常為大約1微米或大約3微米或大約5微米至大約150微米，理想的為大約1微米或大約2微米至大約10微米。硬顆粒的硬度應(yīng)當(dāng)與使用它的設(shè)備的金屬的硬度相當(dāng)。硬顆粒的合適的維氏硬度為大約550HV至大約IlOOHv,理想的為大約600HV至大約1050HV。在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，硬鐵顆粒的量應(yīng)當(dāng)小于鐵顆粒總含量(即硬顆粒和軟顆粒的總重量)的約20重量％并且大于約5重量％，該范圍取決于使用該流體的設(shè)備的具體機(jī)械性質(zhì)。相對于MR流體中所使用的一種或多種硬鐵顆粒和一種或多種軟鐵顆粒的總重量，硬鐵顆粒的量的通常的范圍是大約5重量％至大約50重量％，理想的為大約5 重量％或8重量％至大約30重量％或大約40重量％，優(yōu)選為大約10重量％至大約20重量％。這就是說，相對于一種或多種硬鐵顆粒和一種或多種軟鐵顆粒的總重量，軟鐵顆粒的量為大約50重量％至大約95重量％，理想的為大約60重量％或大約70重量％至大約92 重量％或大約95重量％，優(yōu)選為大約80重量％至大約90重量％。含有超過約20 %的硬鐵顆粒的混合物可能對設(shè)備有過度的磨損，含有小于約5%的硬鐵顆粒的混合物可能無法顯示出所希望的耐久性改善。經(jīng)水霧化工藝制備的鐵顆粒對于軟鐵顆粒和硬鐵顆粒而言都是優(yōu)選的。由于本發(fā)明的鐵顆粒易于分散在MR流體中，因此其未經(jīng)包覆，即沒有任何覆蓋物，例如聚電解質(zhì)、親水性表面活性劑等。也就是說，如果使用了任何聚電解質(zhì)或親水性表面活性劑，也只是少量的，例如，對100重量份的MR流體而言，通常使用大約0. 5重量份或更少、理想的為大約0. 3重量份或更少、優(yōu)選為不使用親水性表面活性劑。用于形成本發(fā)明的磁流變流體的載體液通常可以為本領(lǐng)域以及文獻(xiàn)中已知的任何載體液。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，載體液為有機(jī)液體或油基液體，即疏水性液體?？梢允褂玫暮线m的載體液包括天然脂肪油、礦物油、聚苯醚、二元酸酯、新戊基多元醇酯、磷酸酯、合成環(huán)烷烴和合成石蠟、合成不飽和烴油、一元酸酯、二醇酯和二醇醚、硅酸酯、硅油、有機(jī)硅共聚物、合成烴、以及它們的混合物或共混物。其它合適液體的例子包括硅油、有機(jī)硅共聚物、白油、液壓油、和變壓器油。烴類是優(yōu)選的載體液，所述烴類例如為礦物油、石蠟、環(huán)烷烴 (又稱環(huán)烷油)、和合成烴類。合成烴油包括那些通過齊聚反應(yīng)而衍生自烯烴的油(例如聚丁烯)，以及通過酸催化的二聚作用和通過三烷基鋁催化的齊聚反應(yīng)而衍生自具有8至20 個碳原子的高級α-烯烴的油。本發(fā)明所使用的載體液可以通過本領(lǐng)域中公知的方法制備，并且很多是市售可得的，例如Durasyn PAO和Chevron Synfluid PAO0避免使用各種凝膠如硅膠，因?yàn)樗鼈儠υO(shè)備造成過度磨損。相對于100總重量份的載體液，所使用的一種或多種軟鐵顆粒和一種或多種硬鐵顆粒的總量為大約50重量份至大約90重量份，優(yōu)選為大約60重量份至大約89重量份。本發(fā)明的MR流體可以包含本領(lǐng)域以及文獻(xiàn)中已知的各種添加劑，例如減摩劑、抗磨劑、極壓添加劑、抗氧化劑、各種表面活性劑、觸變劑、粘度調(diào)節(jié)劑等。根據(jù)所希望的最終用途，相對于100總重量份的MR流體，每種添加劑的量可以在大約0. 1重量份至大約3重量份的范圍內(nèi)變化。相對于每100總重量份的MR流體，所有這些添加劑的總量理想的為大約1重量份至大約5重量份，優(yōu)選為大約2重量份至大約4重量份。然而，由于上述發(fā)明不存在抗沉降的問題，因此使用氟碳潤滑脂來使MR流體具有抗沉降性能不是本發(fā)明的內(nèi)容。因此，本發(fā)明不含任何氟碳潤滑脂，也就是說，每100重量份的MR流體包含小于約0. 01重量份、理想的為少于0. 005重量份、并且優(yōu)選零重量份的氟碳潤滑脂。在各種添加劑中，特別合適的添加劑為有機(jī)鉬添加劑、有機(jī)硫磷添加劑 (organothiophosphorus additive)、或者這兩種添加劑的組合。合適的有機(jī)鉬添加劑可以為結(jié)構(gòu)中包含至少一個鉬原子的化合物或絡(luò)合物，所述鉬原子與至少一個有機(jī)部分結(jié)合或配位。所述有機(jī)部分可以(例如)衍生自飽和或不飽和烴類，例如烷烴或環(huán)烷烴；芳烴， 例如酚或苯硫酚；含氧化合物，例如羧酸或酸酐、酯、醚、酮或醇；含氮化合物，例如脒、胺或亞胺；或者含有多于一個官能團(tuán)的化合物，例如硫代羧酸、亞氨酸、硫醇、酰胺、酰亞胺、烷氧基或羥基胺、以及氨基-巰基-醇。所述有機(jī)部分的前體可以為單體化合物、低聚物或聚合物。除上述有機(jī)部分以外，雜原子如=0、-S、E N也可以與鉬原子結(jié)合或配位。特別優(yōu)選的有機(jī)鉬在美國專利No. 4889647和No. 5412130中進(jìn)行了描述，后者描述了雜環(huán)有機(jī)鉬酸鹽，其通過使二醇、二氨基-巰基-醇和氨基醇化合物與鉬源在存在相轉(zhuǎn)移劑的情況下反應(yīng)而制得。美國專利No. 4889647描述了一種使脂肪油、二乙醇胺與鉬源反應(yīng)而制得的有機(jī)鉬絡(luò)合物。按照美國專利No. 4889647和No. 5412130制備的有機(jī)鉬可以從 R. T. Vanderbilt公司購得，商業(yè)名稱為Molyvan 855?？捎玫挠袡C(jī)鉬在美國專利No. 5137647,No. 4990271、No. 4164473 以及 No. 2805997 中進(jìn)行了描述，其中，美國專利No. 5137647描述了一種使胺-酰胺與鉬源反應(yīng)而制得的有機(jī)鉬，美國專利No. 4990271描述了己羰基二黃原酸鉬，美國專利No. 4164473描述了一種通過使烴基取代的羥基烷基化胺與鉬源反應(yīng)而制得的有機(jī)鉬，美國專利No. 2805997描述了鉬酸的烷基酯。上述所有與有機(jī)鉬化合物相關(guān)的專利的全文均以引用的方式并入本文。
加入磁流變流體的有機(jī)鉬添加劑優(yōu)選在室溫下為液態(tài)，并且不包含任何超過分子尺寸的顆粒。可以使用的各種有機(jī)硫磷添加劑可以具有通式
權(quán)利要求
1.一種磁流變流體，其包含兩類磁響應(yīng)顆粒的共混物，其中一類顆粒相對較硬，并且平均粒徑范圍為大約1微米至大約150微米，另一類顆粒相對較軟，并且平均粒徑范圍為大約1微米至大約100微米， 并且所述流體不含氟碳化合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流變流體，其中所述硬顆粒包括鐵合金顆粒，并且所述硬顆粒的量占所述兩類磁響應(yīng)顆粒的總重量的約50重量％或更少。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁流變流體，其中所述軟顆粒的維氏硬度小于400HV，所述硬顆粒的維氏硬度至少為550HV。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁流變流體，其中所述磁流變流體還包含烴載體液和任選的懸浮助劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁流變流體，其中相對于所述硬顆粒和所述軟顆粒的總重量，所述硬顆粒的量為大約5重量％至大約30重量％，所述軟顆粒的量為大約70重量％至大約95重量％。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁流變流體，其中相對于所述硬顆粒和所述軟顆粒的總重量，所述硬顆粒的量為大約10重量％至大約20重量％，所述軟顆粒的量為大約80重量％ 至大約90重量并且其中，相對于每100總重量份的所述載體液，所述硬鐵顆粒和所述軟鐵顆粒的總量為大約50重量份至大約90重量份。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁流變流體，其中，相對于每100重量份的所述載體液，所述硬鐵顆粒和軟鐵顆粒的總量為大約60重量份至大約89重量份；其中所述硬顆粒的平均直徑為大約2微米至大約10微米，并且所述軟顆粒的平均直徑為大約2微米至大約8微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流變流體，其中所述組合物還包含有機(jī)鉬添加劑、或有機(jī)硫磷添加劑、或者它們的組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁流變流體，其中所述組合物還包含有機(jī)鉬添加劑、或有機(jī)硫磷添加劑、或者它們的組合；并且其中所述磁流變流體在汽車線性阻尼器中的耐久性為至少200萬次循環(huán)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁流變流體，其中所述軟顆粒的維氏硬度為大約50HV至大約300HV，所述硬顆粒的維氏硬度為大約600HV至大約1050HV。
11.一種制備磁流變流體的方法，其包括以下步驟將磁響應(yīng)性的硬顆粒和磁響應(yīng)性的軟顆粒與載體液混合，所述磁流變流體不含氟碳化合物，其中所述硬顆粒的平均粒徑范圍為1微米至150微米，所述軟顆粒的平均粒徑范圍為 1微米至100微米。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述軟顆粒的維氏硬度小于400HV，所述硬顆粒的維氏硬度為至少550HV。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中相對于所述硬顆粒和所述軟顆粒的總重量，所述硬顆粒的量為大約5重量％至大約30重量％，所述軟顆粒的量為大約70重量％至大約95重量％。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中相對于所述硬顆粒和所述軟顆粒的總重量，所述硬顆粒的量為大約10重量％至大約20重量％，所述軟顆粒的量為大約80重量％至大約 90重量％ ；并且其中，相對于每100總重量份的所述載體液，所述硬鐵顆粒和所述軟鐵顆粒的量為大約50重量份至大約90重量份。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述軟顆粒的維氏硬度為大約50HV至大約 300HV，所述硬顆粒的維氏硬度為大約600HV至大約1050HV。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，相對于每100重量份的所述載體液，所述硬鐵顆粒和所述軟鐵顆粒的量為大約60重量份至大約89重量份；其中所述硬顆粒的平均直徑為大約2微米至大約10微米，所述軟顆粒的平均直徑為大約2微米至大約8微米。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述組合物還包含有機(jī)鉬添加劑、或有機(jī)硫磷添加劑、或者它們的組合。
全文摘要
一種磁流變流體，其包含軟鐵顆粒和硬鐵顆粒的混合物、有機(jī)基載體液以及任選的添加劑，所述添加劑例如為減摩劑、抗磨劑或表面活性劑。該磁流變流體在用于振動和/或噪音控制設(shè)備中時，出乎意料地具有提高的耐久性，所述設(shè)備例如為減震器、彈性體支座、阻尼器等。
文檔編號H01F1/44GK102428524SQ201080021891
公開日2012年4月25日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月1日
發(fā)明者特蕾莎·L·福漢德, 達(dá)內(nèi)爾·E·巴伯 申請人:洛德公司