磁流變液的制備及其剪切屈服應(yīng)力研究

肖林京，公緒波，朱緒力，赤玉榮

(山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

磁流變液的制備及其剪切屈服應(yīng)力研究

肖林京，公緒波，朱緒力，赤玉榮

(山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

摘要：為研究磁流變液成鏈過程及剪切應(yīng)力影響因素，以羰基鐵粉為鐵磁性顆粒、二甲基硅油為基載液制備磁流變液，并對其成鏈過程進行顯微觀察，采用流變儀對制備磁流變液進行剪切應(yīng)力測試。結(jié)果表明：磁流變液的剪切應(yīng)力隨著剪切速率、體積比、磁場強度的增大而增大，且當(dāng)剪切速率增大200倍時，剪切應(yīng)力僅增加12.6%；剪切應(yīng)力與體積比趨于線性關(guān)系；當(dāng)磁場強度增加到一定值時，剪切屈服應(yīng)力將趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：磁流變液；剪切應(yīng)力；剪切速率；體積比；磁場強度

磁流變液是由微米量級的鐵磁性顆粒分布于載液中形成的懸浮液，可控性好、響應(yīng)速度快。鐵磁性顆粒能在毫秒級內(nèi)迅速集結(jié)成鏈，使液體的表觀粘度產(chǎn)生多個數(shù)量級的增加。與磁流變液(magnetic-rheological fluid，MRF)結(jié)構(gòu)相似的納米磁流體也是一種具有隨外加磁場而有可控流變特性的特殊智能材料，因其具有不沉淀、不凝聚的特點，使得納米磁流體在機械、醫(yī)療、密封等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1]。與納米磁流體相比，MRF具有制備簡單、成本低、剪切應(yīng)力大的優(yōu)點，以MRF為介質(zhì)的傳動及制動產(chǎn)品已應(yīng)用到汽車、機械、航空航天、建筑等行業(yè)中，作為一種新型智能材料，磁流變液及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)將對現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響[2-3]。

1MRF的組成及制備

1.1組成及作用

磁流變液由微米級鐵磁性顆粒、基載液和防止顆粒沉降的添加劑組成，鐵磁性顆粒一般為磁導(dǎo)率較高的導(dǎo)磁材料，其材質(zhì)是剪切屈服應(yīng)力的決定性因素，常用的鐵磁性顆粒有鐵、鈷、鎳的氧/氮化物和各種導(dǎo)磁的合金材料，其選取應(yīng)綜合考慮性能、價格、制備難易程度等因素，本研究選取最常用的羰基鐵粉作為實驗用鐵磁性顆粒[4]?；d液是鐵磁性顆粒載體，分為磁性基載液和非磁性基載液，基載液除應(yīng)具有良好的氧化和溫度穩(wěn)定性外，還應(yīng)具有密度高、無污染、價格低、粘度適宜、非易燃等特點[5]，常用的基載液有硅油、合成油、水等。添加劑為附著在鐵磁性顆粒表面的分子層，添加劑可有效阻止磁流變液的沉降，確保鐵磁性顆粒的懸浮穩(wěn)定性并提高磁流變液的流變性能。

圖1　MRF制備工藝流程圖

1.2制備工藝

與納米磁流體相比，MRF的制備工藝簡單，材料成本低，但其具有沉降性，且沉淀與再分散能力是評價MRF的一個重要指標(biāo)。選用傳統(tǒng)分散制備法對MRF進行制備[6]，制備工藝流程圖如圖1所示。采用自然沉降觀察方法對制備后的磁流變液樣品穩(wěn)定性進行測試[7]，經(jīng)過15天的靜置觀察與測量，發(fā)現(xiàn)所配置的磁流變液沉降率為10%，且無板結(jié)現(xiàn)象，實驗樣品合格，滿足實驗要求。

1.3MRF磁流變效應(yīng)的宏觀與微觀觀察

MRF可表現(xiàn)出良好的磁流變效應(yīng)，即在無外加磁場時表現(xiàn)自由流動狀態(tài)，具有牛頓流體特性；施加磁場后，鐵磁性顆粒被磁化，瞬間由自由流動狀態(tài)變?yōu)轭惞腆w狀態(tài)。如圖2所示，在外加磁場強度等于0時，軟磁性顆粒均勻分布于基載液中；當(dāng)施加中等強度磁場時，磁流變液迅速聚集成鏈；繼續(xù)增大磁場強度，顆粒鏈繼續(xù)聚集，形成高于液面的錐狀凸起，此時的MRF呈現(xiàn)半固態(tài)狀，具有較大剪切屈服應(yīng)力，該變化過程可逆可控[8]。

為觀察MRF磁流變效應(yīng)的微觀表現(xiàn)形式，應(yīng)用圖3所示的超景深三維高速顯微鏡觀察配置好的MRF，其顆粒在外加磁場下的運動成鏈過程如圖4所示。在無外加磁場時，羰基鐵粉顆粒呈現(xiàn)不規(guī)則分布，分散于基載液中并緩慢流動如圖4(a)所示；施加磁場15 s后，顆粒迅速沿磁場方向聚集成鏈，顆粒鏈排序規(guī)則且呈現(xiàn)靜止不動的狀態(tài)，如圖4(b)所示；撤除磁場15 s后，顆粒在剩磁的作用下相互吸引并隨基載液流動，如圖4(c)所示。

圖2　MRF流變效應(yīng)宏觀表現(xiàn)形式

圖3　超景深三維高速顯微系統(tǒng)圖

圖4　MRF運動成鏈過程電鏡圖(放大500倍)

2MRF顆粒受力分析

磁流變液在外加磁場作用下迅速集結(jié)成鏈，是因為鐵磁性顆粒受力相互吸引，磁流變液的鐵磁性顆粒為微米級，被磁化后可看成是一個個很小的磁偶極子，在無外加磁場時，磁偶極子的磁矩方向是雜亂無章、相互抵消的。此時，磁流變液的磁矩表現(xiàn)為零，施加一定的磁場強度后，偶極子被磁化，沿外加磁場方向排列，基于參考文獻[9]所述的強化偶極子模型，當(dāng)顆粒受到剪切方向的單位矢量力i時，則顆粒在此方向上的力Ti為：

(1)

其中:Fi，rij分別為兩偶極子間的吸引力和相對距離；μ0為真空磁導(dǎo)率；H為磁場強度；χ，R分別表示顆粒的磁化率和直徑；θ為顆粒間的球心連線與外磁場方向的夾角。從式(1)可看出，MRF的剪切屈服應(yīng)力與顆粒的直徑、磁導(dǎo)率、外加磁場強度、顆粒間距等因素有關(guān)。

圖5　MCR301流變儀

圖6　剪切速率-剪切應(yīng)力曲線

3分析與討論

MRF在外加磁場的作用下將沿磁場方向集結(jié)成鏈狀結(jié)構(gòu)，在顆粒鏈上施加一定的垂直于磁場方向的力，顆粒鏈將被切斷，這種由于顆粒鏈斷裂而產(chǎn)生的力稱為磁流變液的剪切屈服應(yīng)力。剪切屈服應(yīng)力是MRF重要的性能評價指標(biāo)之一，研制高剪切應(yīng)力的磁流變液已成為眾多研究者的努力方向。

由顆粒受力分析可知，MRF剪切屈服應(yīng)力與顆粒直徑、磁導(dǎo)率、外加磁場強度、顆粒間距等因素有關(guān)，從剪切速率、磁場強度、體積比三個方面應(yīng)用圖5所示的Rheometer Physica MCR 301流變儀對磁流變液剪切屈服應(yīng)力的影響進行了實驗研究。

1)對試樣A(MRF的體積比為30%，粘度為10 mm2/s)施加3 A的勵磁電流，進行不同剪切速率下MRF剪切應(yīng)力實驗，測量結(jié)果如圖6所示。剪切速率為0時，MRF的剪切屈服應(yīng)力值為10.41 KPa，要使磁流變液產(chǎn)生剪切流動，剪切應(yīng)力必須大于該值；剪切速率由0增加5 s-1時，MRF剪切應(yīng)力隨剪切速率的增大而增大，迅速增加到36.3 kPa；當(dāng)剪切速率繼續(xù)增大時，MRF的剪切屈服應(yīng)力繼續(xù)隨剪切速率的增大而增大，但增速緩慢，發(fā)生剪切變稀現(xiàn)象，當(dāng)剪切速率從5 s-1增加為1 000 s-1時，剪切屈服應(yīng)力值僅增大12.6%。

2)由于勵磁電流的大小決定外加磁場大小，故通過勵磁電流與剪切應(yīng)力關(guān)系即可看出外加磁場強度與剪切屈服應(yīng)力的關(guān)系。圖7為試樣B(體積比為30%，粘度為10 mm2/s)在剪切速率為500 s-1時的勵磁電流與剪切屈服應(yīng)力關(guān)系曲線，可以看出，電流從0增加到2 A時，剪切應(yīng)力迅速增加，但當(dāng)電流繼續(xù)增加到4 A過程中，曲線趨近平緩，表明剪切屈服應(yīng)力增速放緩。因為隨著電流增加，外加磁場強度增大，鐵磁性顆粒逐漸被磁化，顆粒相互吸引聚集成鏈，液體剪切屈服應(yīng)力增大，但當(dāng)磁場強度進一步增大時，顆粒磁化逐漸趨于飽和，顆粒間的吸引力不再隨著磁場強度增大而增大，剪切屈服應(yīng)力曲線趨于平緩，最終穩(wěn)定于某一定值。

3)圖8表示了剪切速率為1 000 s-1，通電電流為3 A時，磁流變液體積比與剪切屈服應(yīng)力關(guān)系。由圖可看出，體積比對磁流變液剪切屈服應(yīng)力影響明顯，隨著體積比的增大，剪切應(yīng)力也相應(yīng)增大，且趨于線性關(guān)系，因為隨著MRF體積比增大，分散于基載液的磁性顆粒數(shù)目增加，顆粒間距減小，鐵磁性顆粒間的吸引力增大，磁流變液的粘度和阻力增加，磁流變液的剪切屈服應(yīng)力隨之增大。

圖7　外加電流-剪切應(yīng)力曲線

圖8　體積比-剪切應(yīng)力曲線

4結(jié)論

1)通過MRF磁流變效應(yīng)的宏觀和微觀觀察發(fā)現(xiàn)，施加磁場后，MRF顆粒沿磁場方向迅速聚集成鏈，繼續(xù)增大磁場強度，MRF由自由流動狀態(tài)變成類固態(tài)，剪切屈服應(yīng)力也迅速增加。

2)MRF的剪切應(yīng)力隨著剪切速率、體積比、磁場強度的增大而增大。當(dāng)開始剪切時，MRF剪切應(yīng)力迅速增加；繼續(xù)增大剪切速率時，剪切應(yīng)力增速放緩，此時當(dāng)剪切速率增大200倍時，剪切應(yīng)力僅增加12.6%。MRF的剪切應(yīng)力正比于其體積比，且當(dāng)勵磁電流增加到一定值時，剪切屈服應(yīng)力將趨于穩(wěn)定。

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(責(zé)任編輯：李磊)

Preparation of Magnetic-rheological Fluid and Its Shear Yield Stress

XIAO Linjing, GONG Xubo, ZHU Xuli, CHI Yurong

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

Abstract:In order to study the chain-forming process of magnetic-rheological fluid (MRF) and the influence factors of its shear stress, microscopic observations were made to the magnetic-rheological fluid prepared with carbonyl iron powders as ferromagnetic particles and dimethyl silicon oil as carrier fluid and shear stress tests were carried out by using Rheometer Physica MCR 301. The results indicate that the shear stress increases significantly with the increase of shear rate, volume ratio and magnetic field strength. When the shear rate increases by 200 times, the shear stress only rises 12.6%, and shear stress and volume ratio tends to be linear. When the excitation current increases to a certain value, the shear yield stress tends to be stable.

Key words:magnetic-rheological fluid; shear stress; shear rate; volume ratio; magnetic field intensity

收稿日期：2015-12-05

基金項目：山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2011EEM005)；山東科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項目(YC150321)

作者簡介：肖林京(1966—),山東沂水人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機電一體化系統(tǒng)設(shè)計等方面的研究. E-mail:skdjdgxb@163.com

中圖分類號：TB383.3

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)02-0101-04