磁性流體在均勻梯度磁場中的摩擦學(xué)性能測試研究

陳善飛， 顧邦明， 龔 雁， 王正良

（1.浙江萬里學(xué)院應(yīng)用物理研究所，浙江寧波315101；2.寧波第六醫(yī)院，浙江寧波 315400）

磁性流體在均勻梯度磁場中的摩擦學(xué)性能測試研究

陳善飛1， 顧邦明1， 龔 雁2， 王正良1

（1.浙江萬里學(xué)院應(yīng)用物理研究所，浙江寧波315101；2.寧波第六醫(yī)院，浙江寧波 315400）

基于均勻梯度磁場能較準(zhǔn)確反映出磁場影響磁性流體摩擦性能的認(rèn)識，制造了一對產(chǎn)生均勻梯度磁場的線圈安置于改造后的UMT3摩擦試驗機中。選用聚α-烯烴合成油基磁性流體為潤滑油，測試不同均勻梯度磁場大小、不同載荷和不同往復(fù)頻率下的磁性流體摩擦學(xué)性能。結(jié)果顯示：載荷、往復(fù)運動頻率一定時，磁性流體的摩擦系數(shù)隨均勻梯度磁場的增大而減??；載荷、均勻梯度磁場一定時，磁性流體的摩擦系數(shù)隨隨往復(fù)運動頻率的增大而減??；磁性流體在均勻梯度磁場中比無磁場中具有更高的承載能力和更長的耐磨壽命。

計量學(xué)；磁性流體；均勻梯度磁場；摩擦學(xué)性能

1 引 言

隨著機器設(shè)備日益向高速、重載和高精度方向發(fā)展，由磨損導(dǎo)致表面損壞、零件失效和材料損耗等諸多問題日益突出，對高檔、特種潤滑油的需求量與日俱增。研制生產(chǎn)性能卓越的潤滑油添加劑，提高潤滑油行業(yè)整體技術(shù)水平［1，2］，已成為當(dāng)今材料、表面工程和摩擦學(xué)等領(lǐng)域急需解決的技術(shù)難題。

納米微粒由于具有尺寸小、比表面積大、表面活性強等獨特的物理化學(xué)性質(zhì)［3～5］，在摩擦學(xué)領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景，成為具有巨大潛力的潤滑油添加劑。磁性流體是將納米鐵磁性顆粒通過表面活性劑均勻地分散于基礎(chǔ)液（潤滑油）中形成的特殊納米流體，是一種由表面活性劑修飾納米級顆粒作添加劑的潤滑油，具有普通潤滑油所沒有的磁化特性，可利用外加磁場使磁性流體保持在潤滑部位，可用于高精度、高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動軸的軸承潤滑、計算機硬盤驅(qū)動器軸的潤滑、機器人和精密儀器等機器設(shè)備中的潤滑［6，7］，能大幅度地提高設(shè)備或部件的使用壽命。因此，利用磁性流體在外加磁場作用下呈現(xiàn)的特殊流動性和潤滑特性，研究其在外磁場作用下的潤滑能力，對磁性流體潤滑理論和工程應(yīng)用都有著重要的實用價值和科學(xué)意義。

目前，在工業(yè)發(fā)達國家，磁性流體已廣泛用于運動結(jié)構(gòu)，其在磁場作用下能準(zhǔn)確地充滿潤滑表面，實現(xiàn)連續(xù)潤滑并避免出現(xiàn)潤滑劑貧乏的問題［8～12］。在國內(nèi)，磁性流體潤滑性能的方面雖然做了一些工作，取得了一些成果［13～16］，但是關(guān)于磁場作用下納米磁性流體潤滑機理的研究還處于起步階段，再加上應(yīng)用磁性流體作為潤滑劑涉及納米摩擦學(xué)、潤滑學(xué)、納米材料學(xué)、現(xiàn)代表面學(xué)等學(xué)科，所以其潤滑機理方面遠沒有形成完整的理論體系，而關(guān)于均勻梯度磁場作用下磁性流體的摩擦磨損性能研究還未見報道。

磁性流體具有磁化特性，磁場力的作用直接影響磁性流體在摩擦副中的潤滑性能。一般情況下磁場都是非均勻梯度磁場，油膜各層面的作用力不一樣，且很難計算和測量，因此，為了研究分析磁場對磁性流體減摩抗磨的影響，必須建立一個均勻梯度磁場，使油膜各層面受磁場作用力一樣。為實現(xiàn)摩擦副始終在均勻梯度磁場內(nèi)運行，本文對已有的UMT3摩擦試驗機進行改造，并設(shè)計制造了一對產(chǎn)生均勻梯度磁場的線圈，選用聚α-烯烴合成油為基液的磁性流體，實驗測試均勻梯度磁場對納米磁性流體摩擦學(xué)性能的影響。

2 實驗測試裝置

2.1 UM T3摩擦試驗機夾具的改進

選擇在UMT3摩擦試驗機上進行往復(fù)運動實驗。為了消除磁場對試驗機傳感器的影響，采用無磁性的304不銹鋼0Cr18Ni9材料改制了試驗機上用于固定上試樣的夾具及傳力桿。

2.2 均勻梯度磁場的設(shè)計

設(shè)計并定制了一個產(chǎn)生均勻梯度磁場的線圈，如圖1所示，用兩個半徑和匝數(shù)完全相同的線圈，將其同軸繞制在無磁性的鋁合金框架上，線圈半徑和兩線圈間距為R＝h＝90 mm，漆包線的直徑φ＝0.44 mm，線圈匝數(shù)ω＝3 500匝，上下線圈的電流方向相反，電流強度I＝0.5～2.5 A可調(diào)，建立了一個均勻梯度磁場［17］：

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率；ω為線圈匝數(shù)；I為電流強度，A；R為線圈半徑，mm；h為兩個線圈間距，mm。

圖1 產(chǎn)生均勻梯度磁場的線圈示意圖

測試時上夾具下端可伸入線圈框架內(nèi)，使得摩擦副始終在均勻梯度磁場范圍內(nèi)運行。

2.3 磁性流體的選用

磁性流體在磁場中的潤滑性能主要取決于它的磁化性能、粘滯特性和穩(wěn)定性，因此著力于表面活性劑和潤滑油載液的配伍為技術(shù)關(guān)鍵。選擇以油酸為表面活性劑修飾納米Fe3O4顆粒，用超聲波將其充分分散于聚α-烯烴合成油中，制備出納米顆粒在潤滑油中保持長期分散穩(wěn)定的磁性流體。將其在高速離心機H1650R上進行穩(wěn)定性檢驗，轉(zhuǎn)速設(shè)定為10 000 r／min，相對離心力為16 350 kg，時間為8 h，未發(fā)現(xiàn)沉淀分離現(xiàn)象。

實驗測試選用顆粒直徑為30 nm左右的Fe3O4的聚α-烯烴合成油基磁性流體為潤滑油，其在20℃時的飽和磁化強度為48 kA／m，粘度為68 mPa·s，密度為1.388 g／cm3。

3 摩擦性能的測試方法

如圖2所示，將設(shè)計制造的線圈及試驗?zāi)Σ粮敝糜诟倪M后的UMT3摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，使摩擦副運動在均勻梯度磁場的磁場作用范圍內(nèi)。摩擦副的上試樣選用φ＝8 mm的WC鋼球，硬度為HRA85.1。下試樣選用45＃鋼塊，經(jīng)表面研磨拋光至表面粗糙度Ra約0.1μm，硬度為HRC25.4。摩擦副運動方式為上試樣固定在上夾具上，下試樣固定在下夾具中并隨著下夾具做往復(fù)運動。

圖2 改造的UMT3摩擦磨損試驗機工作示意圖

UMT3摩擦磨損試驗機試驗條件：選擇往復(fù)運動行程為5 mm，運動頻率不超過10 Hz，最大載荷不超過1 000 N，試驗載荷、摩擦系數(shù)大小均由壓力傳感器通過軟件自動計算存儲。所有試驗都在18℃溫度條件下進行，每組試驗均加入磁性流體0.3m l，均先在較低載荷5 N、頻率1 Hz下磨合1 min，然后設(shè)置到試驗所需載荷、運動頻率，再通過調(diào)整電流大小以改變磁場梯度大小，進行摩擦試驗并存儲數(shù)據(jù)，考察磁性流體在不同均勻梯度磁場條件下的減摩抗磨性能。

4 實驗測試結(jié)果與分析

4.1 均勻梯度磁場對磁性流體摩擦系數(shù)的影響

圖3是載荷為100 N、運動頻率為5 Hz、不同磁場條件（至上而下dB／dh分別為0.835、0、1.357、1.879、2.401 T·m－1）時摩擦系數(shù)的變化曲線。由圖中可以看出：梯度磁場較小時，摩擦系數(shù)較無磁場時大，但隨著梯度磁場增加，摩擦系數(shù)呈減小趨勢。這主要是因為：無磁場時，磁性流體呈現(xiàn)基液潤滑油特性，又因磁性顆粒細(xì)微及其在摩擦表面鋪展成膜，使得磁性流體對物體的磨損較小。當(dāng)施加梯度磁場時，磁性流體的粘滯特性增大，即在磁場作用下懸浮的納米磁性顆粒會沿著磁力線方向，增大了流動阻力，進而增大了摩擦系數(shù)。但隨著梯度磁場逐步增大，使吸附有分散劑的納米磁性顆粒起到近似微型滾珠的作用［18］，這種微型滾珠的作用大于粘滯特性增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降明顯，且這種差別隨著磁場梯度的增大而增大。

圖3 100 N、5 Hz不同磁場條件下摩擦系數(shù)變化曲線

4.2 運動頻率對磁性流體摩擦系數(shù)的影響

圖4是載荷為100 N、均勻梯度磁場大小為dB／dh＝1.357 T·m－1、不同運動頻率（至上而下分別為2、5、8 Hz）時摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線?？梢姶判粤黧w摩擦系數(shù)隨著摩擦副表面間滑動速度增加而減小，這也與一般潤滑油的特性相似。緣于在梯度磁場作用下，磁性流體黏度增大，使?jié)櫥湍ぴ龊?，在低速時，由于接觸面間相對滑行速度不夠，油膜層中的切應(yīng)力增大，難以形成充分的流體動壓潤滑膜將兩表面分離，導(dǎo)致摩擦系數(shù)較高。隨著轉(zhuǎn)速的提高，形成充分的流體動壓潤滑膜，大幅度降低了摩擦系數(shù)。

圖4 100 N、dB／dh＝1.357 T·m－1、不同運動頻率時摩擦系數(shù)變化曲線

4.3 載荷對磁性流體摩擦系數(shù)的影響

圖5所示是保持梯度磁場大小與運動頻率不變、載荷（至上而下分別為15、30、100 N）時對磁性流體摩擦系數(shù)的影響曲線。顯示出在載荷越大時摩擦系數(shù)越小，載荷越小摩擦系數(shù)反而相對較大。表明磁性流體在均勻梯度磁場作用下具有較高的承載能力，載荷越大，承載能力越強。出現(xiàn)這一結(jié)果的主要原因是隨著梯度磁場增加，摩擦副增加了對磁性流體的吸附力，更易形成油膜，油膜強度也隨之增大，抗壓能力增大，承載能力增強。

圖5 dB／dh＝1.357 T·m－1、8 Hz、不同載荷時摩擦系數(shù)變化曲線

4.4 磁場對磁性流體磨損壽命的影響

圖6和圖7是載荷為100 N、運動頻率為5 Hz、無磁場和梯度磁場為dB／dh＝2.401 T·m－1條件下摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線。從圖6、圖7中可以看出：在均勻梯度磁場作用下磁性流體的耐磨壽命遠大于無磁場，無磁場時運行至1 600 s潤滑已明顯失效，而對潤滑油施以磁場時其耐磨壽命則可以運行至23 264 s，約為無磁場時的14.5倍。

圖6 100 N、0磁場、5 Hz時摩擦系數(shù)變化曲線

其摩擦機制在于：

（1）摩擦過程中，一般邊界潤滑膜的形成主要依靠物理吸附、化學(xué)吸收和摩擦化學(xué)反應(yīng)形成［19］。所以，當(dāng)對磁性流體施以均勻梯度磁場后，提高了磁性流體在摩擦副表面形成納米油膜的作用力，避免干摩擦發(fā)生，降低了磨損。

圖7 100 N、dB／dh＝2.401 T·m－1、5 Hz時摩擦系數(shù)變化曲線

（2）納米磁性顆粒被磁場緊緊吸附在摩擦副表面，像滾珠一樣自由滾動，在這種類似“滾珠”的作用機制下，提供更為有效的潤滑，表現(xiàn)出較強的耐磨壽命。

（3）在重載和高溫條件下，激發(fā)和促進了摩擦表面間納米微粒物理化學(xué)作用的進行，增強了修復(fù)磨損表面的能力，從而使磨損表面摩擦系數(shù)降低，減小磨損。

5 結(jié) 論

經(jīng)測試研究發(fā)現(xiàn)：（1）載荷、往復(fù)運動頻率一定時，磁性流體的摩擦系數(shù)隨均勻梯度磁場增大而減??；（2）載荷、均勻梯度磁場一定時，磁性流體的摩擦系數(shù)隨往復(fù)運動頻率增大而減小。（3）磁性流體在均勻梯度磁場中比無磁場中具有更高的承載能力和更長的耐磨壽命。

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Experimental Investigation on the Tribological Performance of the Ferrofluids in Uniform GradientMagnetic Field

CHEN Shan-fei1， Gu Bang-ming1， Gong Yan2， Wang Zheng-liang1
（1.Institute of Applied Physics ZhejiangWanliUniversity，Ningbo，Zhejiang 315101，China；2.Ningbo No.6 Hospital，Ningbo，Zhejiang 315400，China）

Uniform gradientmagnetic field can，more accurately，reflects the friction performance of ferrofluids in the magnetic field.Based on this，two coils，which could produce uniform gradientmagnetic field，were constructed and placed on the commercial UMT3 tribo-meter.Using the poly-α-olefin synthetic oil（PAO）-based magnetic fluids as the lubricant，the tribological propertieswere tested with different loads，different reciprocating frequency and variousmagnetic field.The results show that：when the load and reciprocating frequency are constant，the friction coefficient decreased with the increase of themagnetic field；when the load，a uniform gradientmagnetic field，the friction coefficient also decreased with the increase of the reciprocating frequency.Comparing with nomagnetic field，the ferrofluids has higher bearing capacity and a longer wear life in the uniform gradientmagnetic field.

Metrology；Ferrofluids；Uniform gradientmagnetic field；Tribological behavior

TB972

A

1000-1158（2014）04-0373-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．04．15

2013-02-18；

2013-05-11

浙江省自然科學(xué)基金（LY12E05005）；浙江省公益項目（2012C21084）；寧波自然科學(xué)基金（2011A610147）；寧波社會發(fā)展項目（2010C50005）

陳善飛（1968－），女，浙江寧波人，浙江萬里學(xué)院教授，從事磁性流體的物理特性研究和開發(fā)應(yīng)用。wzlcsf＠21cn.com