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1、国家高技术军民两用产业化项目基于磁流变及磁流体的半主动双层多级减振平台可行性研究报告北京国浩传感器技术研究院二一三年二月八日目 录1. 产业化意义11.1 巨大的社会经济效益11.2 国内外技术指标对比31.3 项目产业化的必要性41.3.1 项目已具备坚实的产业化基础41.3.2 项目是国家重点支持的技术领域51.3.3 项目产品是国防军用和民用急需的产品61.3.4 项目产品拥有完全自主知识产权，关键技术处于世界领先水平72. 产业化发展思路82.1 技术路线82.2 技术优势93. 智能器件及应用领域113.1 磁流变及器件在军工领域的应用123.1.1 武器冲击缓冲装置123.1.2
2、磁流变技术在军用运载方面的应用133.1.3 磁流变技术在直升机上的应用133.1.4 磁流变液在军用防护装置中的应用143.1.5 新型磁流变液伺服阀153.2 磁流变及器件在民用领域的应用163.2.1 磁流变阻尼控制系统163.2.2 控制元件203.2.3 研磨抛光223.2.4 磁流变液密封234. 项目优势245. 产业化的投资回报率2511. 产业化意义1.1 巨大的社会经济效益磁流变液(Magnetorheological Fluids即MRF)是一种具有工程应用价值的新型智能流体材料，被誉为二十一世纪最有前途的智能材料之一。它是一种由微米级磁性颗粒分散在载液中形成的稳定悬浮液
3、。主要由载液、磁性粒子和添加剂等组成。磁流变液能够随外加磁场强度的增加由液体逐渐转变为类固体，当外加磁场撤消，磁流变液又能恢复到液体的状态。在该过程中，磁流变液的粘度保持连续、无级变化，整个转化过程极快，且可控，能耗极小，可以实现实时的主动和半主动控制。磁流变液中磁性颗粒的尺寸很小，无磁场作用时其流动特性和工作特性与传统液压油没有多大区别，在制造或使用过程中不易受到化学杂质的影响，多数磁流变液装置不需要特殊加工。因此，磁流变液可代替普通液压油直接应用于现有的液压系统中，只需低电压，利用基本电磁感应回路即可产生激活和控制磁流变液的磁场，只要有磁场作用，就能获得几十个千帕以上的应力场，应用前景为专
4、家学者普遍看好，世界发达国家都投入了巨额资金进行了长时间的应用开发研究。图1-1为磁流变液在磁场下的静态照片。图1-1.磁流变液外加磁场下的状态磁流变液技术可广泛应用于机械工程、汽车工程、控制工程、精密仪器加工及航空航天、生物医药以及国防和军事工程等领域，主要包括磁流变液阻尼技术、传动技术、制动技术、抛光技术、密封技术以及生物医药技术等方面。目前已经有超过一万种的磁流变产品，包括磁流变阻尼器、减振器、离合器、超微型智能多维机器人仿生手指等已投入应用，在未来10年中将会有超过100万个磁流变产品应用于具体工程。对于磁流变液的研究已经有50多年的历史，近十几年来在材料性能、机理及应用均取得了突破性
5、的进展，解决了生产成本、大规模化生产和应用的诸多制约瓶颈，应用前景十分广阔。其相关器件在军工领域的应用，将会大大提高武器装备性能，推动装备现代化建设的飞速发展；在民用领域的大规模推广，每年可创造数百亿元的产值，能有效促进国民经济的发展。然而，对于这种新型智能材料的研究在我国还是刚刚开始，大规模生产还处在空白阶段，在军工和民用领域均拥有巨大潜在市场。美国Lord公司是目前唯一可批量供货的磁流变液产品供应商，其产品标准已事实上成为通用的产品质量参考标准。国浩传感器技术研究院一直致力于磁流变智能器件的研究开发工作，经过长期的努力，在国家多项科研成果的基础上，自主开发了具有我国自主知识产权的新型智能氮
6、化铁磁流变液核心原材料及其相关器件。与国内外同类产品比较，它具有以下优势：1） 新型高性能磁流变液采用氮化铁作为主要磁介质，抗氧化性能全面超越国外铁和铁钴合金磁介质磁流变液，且具有完全的自主知识产权。2） 采用液相两步法制备工艺，氮化铁磁介质具有优异的亲油性能，抗沉降稳定性能优于国内外同类产品，静态沉降三个月无析油，保证了器件长期稳定连续工作的需要。3） 密度达到3.8 g/cm3, 具有高的剪切屈服强度，1T磁场下的剪切屈服强度比国外同类产品高出60，为智能器件的微型化小型化提供了核心原材料的保证。4） 具有能与电子系统匹配的响应速度，瞬态响应为毫秒级（千分之一秒），集成电路可非常容易实现对
7、磁流变装置的实时控制。5） 饱和磁化强度达到323 KA/m，采用高饱和磁化强度磁流变液核心原材料能简化机械结构，降低制造公差要求和加工成本。如在磁流变阀中可以省去传统阀必备的阀芯、操纵杆和密封装置等，实现少移动件甚至无移动件; 制造公差也可以放宽，从而降低制造成本。项目实施至今，已经申请了国防专利，完成了单台日产100公斤规模中试，仅需并联一定数量的相关设备即可实现大规模产业化生产。将这个具有中国自主知识产权的高科技产品产业化并推向市场，不仅能够取代进口，打破国外Lord公司一家垄断的局面，对推进我国产业的技术升级也具有深远的影响和意义。1.2 国内外技术指标对比国浩传感器技术研究院联合钢铁
8、研究院、北京科技大学和清华大学等多所院校的资深专家，投入大量的资金，经过长期的科研公关，历经10年的潜心研发，开发出一种连续规模化生产、高性能的磁流变液制备工艺，研制出具有自主知识产权性能优异的、抗氧化的氮化铁微粒磁流变液，其主要技术指标全面超越了国外Lord公司产品的水平。我院研制的低密度产品最低可达到1.5 g/cm3，首创了磁流变液在低负载高速响应振动控制的新应用领域，扩展了磁流变液的应用范围。表1-1为Lord公司产品与我院产品的性能参数对比。图1-2为我院研制产品与Lord公司产品最主要性能磁场-剪切屈服应力的对比。我院产品最高屈服应力达到100KPa，Lord公司最高性能牌号140
9、产品也仅为60KPa。（数据来源于Lord公司产品网站技术手册，网址： ）表1-1本项目产品与国外同类产品的比较项目美国Lord产品指标我院指标基液成分硅油/合成矿物油硅油/合成矿物油 工作温度 5015050150 材料密度 2.53.7g/cm31.53.8g/cm3常态粘度（剪切速率10s-1） 9.5 Pas9.5 Pas 剪切屈服强度（200KA/m）5060kPa65-100kPa初始沉降速率（起始沉降格/%）0.30.1饱和磁化强度294 KA/m323 KA/m三个月净置析油率2小于1或不析油国浩研究院产品图1-2. 产品数据对比(上图为Lord公司最高产品，下图红线为我院研制
10、产品)1.3 项目产业化的必要性1.3.1 项目已具备坚实的产业化基础我院产业化项目科研团队曾负责过国家863高性能氮化铁磁性液体的制备和应用研究，掌握成熟超细磁性微粒的制备工艺和技术，而且核心技术为世界首创，产品性能优异，突破了在高新技术领域长时间跟跑的窘境。已经解决了大颗粒氮化铁微粒的沉降问题，提高了液相分解磁流变液的综合性能，攻克了大规模批量生产和智能器件仿真、设计、制造等关键技术问题。对于大颗粒氮化铁微粒的沉降问题，采用添加纳米级氮化铁颗粒、多孔亲油气相二氧化硅和多种表面活性剂等手段联合，成功解决了磁流变液沉降稳定性的世界难题；通过引入铁核心的技术方案解决了液相分解制备磁流变液性能不高
11、的技术难点；用羰基铁液体直接通入热油介质制备磁流变液，通过控制炉温调控磁性颗粒的形貌和粒度，可满足包括军用等苛刻环境下对产品性能的要求。目前我院产业化规模生产的磁流变液静置三个月析油少于1%，密度达到3.85g/cm3，最高屈服应力达到100KPa，达到甚至超越了国外最高水平Lord公司产品的标准。我院研究团队所掌握的信息、技术储备和研究经验能够保证产业化项目的顺利完成，为产业化的实施提供充足的技术支撑。在实验室规模生产完成的前提下，研究院组织实施了产业化的准备工作，先后投入设备近两千万元，完成了针对产业化实施的小试和中试生产放大试验。目前已成功实现单炉日产100公斤的规模化生产，后期仅需要在
12、此基础上按比例扩建10台套相关设备即可实现年产量达400吨左右规模的产业化生产，完全具备产业化规模生产的基础条件。基于自主研发的高性能氮化铁磁流变液，设计可应用于装甲车辆智能主动减振、潜艇发动机半主动振动控制降噪、较大口径武器减振缓冲、航空航天着陆缓冲器等领域，具有瞬态响应快、低功耗、大阻尼力特点的军民两用阻尼、减振、密封、缓冲器件，通过对设计的磁流变器件进行的模拟试验和实际使用，验证了其实际应用的优势。开发出了基于磁流变和磁性液体双相高压动密封器件，动态密封可达到30MPa。开发的基于磁流变及磁流体的半主动双层多极减振平台，在多项国家战略和战术级别的军工项目上都予以实际应用。申请了国防专利，
13、为国防事业的现代化作出了贡献。1.3.2 项目是国家重点支持的技术领域本项目是国家高技术研究发展计划(国防863计划)项目，由国浩传感器技术研究院承担开发，同时由清华大学、北京科技大学、中国人民公安大学、中国人民解放军装备指挥学院、中国科学院、航天科工集团等单位协同完成，是我国军民两用新型智能材料与器件重点开发与应用的高技术项目。国家科学技术中长期发展规划纲要(2005-2020年) 把磁流变液材料列为国家重点扶持的“高科技前沿技术项目” 。项目实施至今已经申请了国防专利，完成了一项国防863专项。1.3.3 项目产品是国防军用和民用急需的产品随着世界军事科技的发展，现代战争对武器的自动化水平
14、、射击精确性、机动性要求日益提高。加强对各种武器、车载舰载精密仪器、航空航天精密仪器的智能化主动减振，提高仪器的精密加工和真空密封水平是提升我国国防建设和武器装备自动化程度的基本保障。但鉴于国家安全的考虑，国外在诸多技术方面对我国实行禁运或各种限制。本项目开发的磁流变液及相关器件具有自主知识产权，将现代的自动控制技术和新型智能可控材料相结合，在军工及民用的智能主动减振、精密抛光、高压动密封等方面均有广泛应用，是现代国防军工和民用的急需产品！在军工方面，如在军用车辆和车载武器上使用磁流变阻尼减振器，可随着行驶条件的变化而具有自适应性，不仅能提高舒适度与稳定性，而且能够提高车载武器装备在行进状态射
15、击的精确度，尤其是在野外战场和路面情况恶劣的情况下，有效提高我军的打击精准度、威摄力和机动性。按照我国的探月工程规划，二期工程中要将探测器送到月球上，应用磁流变缓冲控制技术可以保证探测器中的精密仪器，在着陆时免受冲击。磁流变液还是优良的军用防护装置核心材料，将磁流变液填充在防护装置的空隙中，同时将传感器散布于其中，当传感器检测到冲击波或者瞬态冲击时，电源便开启产生相应大小的磁场使磁流变液在毫秒级的时间内成为坚韧的类固体，从而达到抵御冲击波的目的。此外，磁流变液在武器缓冲装置，直升机起落架减振，潜艇振动控制减噪，导弹发射架减振，导弹引信延期保险机构等方面均有巨大的应用潜力，是提升我国武器装备自动化水平和杀伤能力的关键技术之一。磁流变液相关器件在汽车、机器人、医疗、精密加工、建筑等民用领域中也具有广阔的应用空间和市场前景。磁流变液温度稳定性好，受环境影响小，所制成的耗能器可以在-40150 的环境下工作，且抗环境干扰能力强，适合应用于恶劣条件下
