一種油酸包覆磁性顆粒類磁流變液的制備和性能研究*

王四棋,李德才,居本祥

(1. 北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院, 北京 100044；2. 重慶材料研究院 國(guó)家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400707)

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一種油酸包覆磁性顆粒類磁流變液的制備和性能研究*

王四棋1,李德才1,居本祥2

(1. 北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院, 北京 100044；2. 重慶材料研究院 國(guó)家儀表功能材料工程技術(shù)研究中心，重慶 400707)

摘要：采用油酸包覆軟磁顆粒的方法，分別制備出蓖麻油基含純微米級(jí)和微納米混合級(jí)軟磁顆粒的磁流變液。純微米級(jí)軟磁顆粒質(zhì)量含量83%的磁流變液具有沉降穩(wěn)定性好、屈服應(yīng)力高等優(yōu)點(diǎn)，適用于減振和制動(dòng)領(lǐng)域。納米級(jí)軟磁顆粒在微納米級(jí)混合軟磁顆粒中的含量越高，相應(yīng)磁流變液的屈服應(yīng)力越小，存儲(chǔ)模量越低，該種磁流變液適用于密封，能夠有效降低動(dòng)密封過程中所伴隨的溫升及磨損。

關(guān)鍵詞：磁流變液；屈服應(yīng)力；油酸；蓖麻油；軟磁顆粒

0引言

磁流變液通常由一定組分的微米級(jí)軟磁顆粒、基載液和添加劑組成，是一種在外加磁場(chǎng)作用下，能夠瞬間從自由流動(dòng)的液體轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w甚至固體，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的可控流變特性的智能材料，在磁場(chǎng)去除后又能瞬間逆變?yōu)樽杂闪鲃?dòng)的牛頓流體，此過程連續(xù)可逆[1]。磁流變液兼具液體的流動(dòng)性和固體磁性材料的磁性，有著廣泛的應(yīng)用和很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，近年來得到國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視。基于這種流變效應(yīng)，多種磁流變執(zhí)行器件相繼被開發(fā)出來，如阻尼減振器[2]、拋光裝置[3]、密封裝置[4]等。然而，目前磁流變液本身性能方面還存在一些不足，如靜置過程中存在沉降問題，致使其在減振、制動(dòng)方面應(yīng)用的穩(wěn)定性較差，從而在一定程度上制約了其廣泛應(yīng)用；如在磁流變液密封方面，相比磁性液體密封，磁流變液密封具有耐壓高、密封間隙大等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效解決磁性液體在密封過程中耐壓能力低，及密封裝置中極靴與軸的密封間隙較小等問題，然而，由于磁流變液屈服應(yīng)力較大，導(dǎo)致動(dòng)密封過程中轉(zhuǎn)軸扭矩較大，使得轉(zhuǎn)軸發(fā)熱量大、易磨損[5]。

隨著應(yīng)用研究的不斷深入，不同工藝多種類的高性能磁流變液被研制[6]。為了提高磁流變液的沉降穩(wěn)定性，降低微米級(jí)磁性顆粒與基載液之間的密度差，通常采用聚合物包覆磁性顆粒的方法[7-8]；或通過增加添加劑的方法，選用的添加劑如表面活性劑[9]、觸變劑[10]、磁性納米顆粒[11]等。另外，通過選用不同懸浮相，如桿狀鐵微絲[12]、納米纖維[13]、球狀羰基鐵和鐵納米絲混合物[14]，來改善磁流變液的屈服應(yīng)力。本文采用油酸包覆軟磁顆粒的方法，分別制備出蓖麻油基含純微米級(jí)和微納米混合級(jí)軟磁顆粒的兩種磁流變液，并研究其相關(guān)性能。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試樣的制備

該種磁流變液主要采用微米級(jí)軟磁顆粒、納米級(jí)軟磁顆粒、表面活性劑和基載液組成，其中微米級(jí)軟磁顆粒選用德國(guó)BASF公司的SQ型羰基鐵粉，其平均粒徑為6.5 μm，純度為99.5%，納米級(jí)軟磁顆粒采用化學(xué)共沉法制備[15]，表面活性劑選用油酸，基載液為蓖麻油。制備過程中，首先將微納米級(jí)軟磁顆粒按照一定比例配置出46.4 g混合體，溶于80 ℃去離子水中，并用攪拌器以300 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌；再加入0.8 mL油酸于混合液中，攪拌持續(xù)4 h。通過磁沉法將表面包覆有油酸的微納米軟磁顆粒用去離子水清洗，直至溶液呈中性，隨后將其放入真空干燥箱中， 60 ℃條件下真空干燥12 h，待其充分干燥后將其研磨成粉狀。按照不同質(zhì)量比與蓖麻油混合，并采用球磨機(jī)進(jìn)行高速分散研磨數(shù)小時(shí)，即制得油酸包覆軟磁顆粒的磁流變液樣品。微納米級(jí)軟磁顆粒的不同配比量對(duì)應(yīng)著不同的磁流變液樣品，具體如表1所示。

表1　磁流變液樣品中磁性顆粒的含量

1.2實(shí)驗(yàn)分析

采用靜置法來分析磁流變液的沉降穩(wěn)定性，即將不同質(zhì)量比同體積量的磁流變液分別裝入清潔的試管中，室溫條件下，靜置一段時(shí)間，視覺觀察磁流變液的分層情況，具體可測(cè)量計(jì)算出清液層在整個(gè)磁流變液中的析出比例。采用Anton Paar公司的MCR301型流變儀測(cè)量不同磁流變液樣品的流變性能[16]:(1) 對(duì)各試樣剪切應(yīng)力與剪切速率間的關(guān)系進(jìn)行測(cè)試，剪切速率在0.01～100 s-1變化范圍內(nèi)線性增長(zhǎng)，共測(cè)試11個(gè)點(diǎn)；(2) 測(cè)量試樣在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度，其中外加磁場(chǎng)線圈的電流在0～4 A范圍內(nèi)線性變化；(3) 測(cè)量不同剪切速率條件下試樣的粘度，及加載有試樣的流變儀平板轉(zhuǎn)子其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩間的變化關(guān)系。

2結(jié)果及討論

2.1微米級(jí)軟磁顆粒含量對(duì)磁流變液的性能影響

磁流變液的沉降穩(wěn)定性是其能否滿足工程應(yīng)用的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，磁流變液沉降的直接原因在于基載液與微米級(jí)軟磁顆粒間存在的密度差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，選取4種不同微米級(jí)鐵磁顆粒含量的磁流變液進(jìn)行沉降性分析。圖1為試樣的靜置沉降圖，將制備好的同體積磁流變液放置于試管中，包覆了油酸的微米級(jí)軟磁顆粒表面呈非極性，在蓖麻油中均勻分散。

圖1含有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)微米級(jí)鐵磁顆粒磁流變液的靜置沉降圖

Fig 1 Sedimentation images of magnetorheological(MR) fluids with different mass fractions of pure micrometer carbonyl iron particles

靜置20 d后，發(fā)現(xiàn)含60%和70%微米級(jí)軟磁顆粒的磁流變液有明顯沉降，靜置3個(gè)月后，含80%微米級(jí)軟磁顆粒的磁流變液也出現(xiàn)沉降，但含83%微米級(jí)軟磁顆粒的磁流變液仍未出現(xiàn)沉降，表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性，可以看出，83%微米級(jí)軟磁顆粒含量為該種磁流變液不產(chǎn)生沉降的一個(gè)臨界值。圖2為不同磁場(chǎng)作用下含83%微米級(jí)軟磁顆粒磁流變液對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力和表觀粘度分別隨剪切率變化的關(guān)系圖。無外磁場(chǎng)作用下，磁流變液常表現(xiàn)為牛頓粘性流體，而在磁場(chǎng)作用下，為非牛頓流體，其展現(xiàn)出一定的屈服應(yīng)力，該屈服應(yīng)力隨外磁場(chǎng)的增加而增大，直至磁場(chǎng)達(dá)到飽和，通常用Bingham模型來分析其流變行為[17]，即

(1)

圖2不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下含83%微米級(jí)軟磁顆粒的磁流變液對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力

Fig 2 Shear stress and apparent viscosity changing with shear rate of MR fluidsample D under different magnetic fields

圖3為不同磁通密度下，不同微米級(jí)鐵磁顆粒含量磁流變液對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力。磁流變液的屈服應(yīng)力隨著鐵磁顆粒含量的增加明顯增強(qiáng)，在磁通密度為993 mT時(shí)，含83%微米級(jí)軟磁顆粒磁流變液對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力達(dá)62 kPa。高屈服應(yīng)力為磁流變液在減振、制動(dòng)方面應(yīng)用的一個(gè)重要技術(shù)目標(biāo)[18]，是相關(guān)器件輕量化設(shè)計(jì)的重要技術(shù)參數(shù)。

圖3不同微米級(jí)鐵磁顆粒含量磁流變液的屈服應(yīng)力與磁通密度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

Fig 3 Yield stresses of MR fluids with different mass fraction of pure micrometer carbonyl iron particles under different magnetic fields

2.2納米級(jí)軟磁顆粒含量對(duì)磁流變液性能的影響

制備的微納米級(jí)混合軟磁顆粒的磁流變液，軟磁顆粒的質(zhì)量百分比為83%。相比試樣D采用的微米級(jí)軟磁顆粒，試樣E和F相當(dāng)于分別將試樣D中2/3和1/2質(zhì)量比的微米級(jí)軟磁顆粒置換為納米級(jí)軟磁顆粒。圖4為試樣對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能模量與磁場(chǎng)密度變化關(guān)系圖。

圖4不同含量納米級(jí)軟磁顆粒磁流變液的存儲(chǔ)模量與磁場(chǎng)密度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

Fig 4 Storage modulus of MR fluids with different mass fraction of micro-nanometer carbonyl iron particles under different magnetic fields

由圖4可知，納米級(jí)軟磁顆粒含量越高，對(duì)應(yīng)磁流變液試樣的儲(chǔ)能模量越小，由于顆粒沿外磁場(chǎng)的方向呈鏈狀分布，對(duì)磁流變液儲(chǔ)能模量有影響的主要就是鏈狀方向分布的磁場(chǎng)。在此借助Ansoft的分析工具對(duì)顆粒之間的磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，分析顆粒間沿鏈狀方向的磁場(chǎng)分布。首先假設(shè): (1) 羰基鐵粉顆粒在原始狀態(tài)下為不帶磁性的軟磁顆粒，當(dāng)受到外加磁場(chǎng)作用時(shí)，軟磁顆粒被磁化，將每個(gè)軟磁顆粒等效為充磁的永磁體看待；(2) 假設(shè)微米級(jí)軟磁顆粒與納米級(jí)軟磁顆粒直徑之比為1 000∶1，顆粒之間間距設(shè)為顆粒的半徑；(3) 顆粒沿外磁場(chǎng)方向按照鏈狀結(jié)構(gòu)排列。所計(jì)算相鄰顆粒沿鏈狀方向的磁場(chǎng)分布如圖5所示，從磁場(chǎng)的分布可以看出，微米級(jí)的顆粒之間的磁感應(yīng)強(qiáng)度在鏈狀排列方向明顯比納米級(jí)顆粒大，因此顆粒之間能產(chǎn)生更強(qiáng)的相互作用力，即表現(xiàn)為在相同的磁場(chǎng)作用下?lián)碛懈蟮膬?chǔ)能模量，相應(yīng)的抗變形能力較強(qiáng)。

圖5微米級(jí)軟磁顆粒和納米級(jí)軟磁顆粒沿鏈狀方向分布的磁場(chǎng)

Fig 5 Magnetic flux density distributions of micrometer magnetic particles and nonometer magnetic particles in the direction of the magnetic chains

含不同質(zhì)量百分比微納米軟磁顆粒磁流變液的屈服應(yīng)力與磁通密度對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。

圖6含不同質(zhì)量百分比微納米軟磁顆粒磁流變液的屈服應(yīng)力與磁通密度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

Fig 6 Yield stresses of MR fluids with different mass fraction of micro-nanometer carbonyl iron particles under different magnetic fields

由圖6可知，微米級(jí)軟磁顆粒含量越多的磁流變液對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)力越大，試樣D的屈服應(yīng)力為試樣F屈服應(yīng)力的2.7倍，這主要由于微米級(jí)軟磁顆粒較微納米級(jí)軟磁顆粒間的磁鏈作用力大，且該磁鏈作用力隨微米級(jí)軟磁顆粒含量的增大而增強(qiáng)?？梢娂{米級(jí)軟磁顆粒的加入減弱了磁流變液的屈服應(yīng)力，相應(yīng)的磁流變液不利于減振、制動(dòng)方面的應(yīng)用，然而，該磁流變液適用于密封。由于磁流變液中含有微米級(jí)軟磁顆粒，相比含有納米級(jí)軟磁顆粒的磁性液體具有較高的磁化強(qiáng)度，密封應(yīng)用過程中對(duì)應(yīng)的耐壓能力較高，但由于磁流變液的高屈服應(yīng)力使得其在動(dòng)密封應(yīng)用過程中易帶來高溫、磨損等問題[19-21]。圖7為流變儀測(cè)試的3種試樣對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系曲線，由圖可知，在外磁場(chǎng)強(qiáng)度為750 mT作用下，含1/2質(zhì)量比納米級(jí)軟磁顆粒的磁流變液(試樣F)對(duì)應(yīng)流變儀轉(zhuǎn)矩為含純微米級(jí)軟磁顆粒磁流變液(試樣D)對(duì)應(yīng)流變儀轉(zhuǎn)矩的2/5倍，在動(dòng)密封應(yīng)用過程中，能夠有效降低密封器件的發(fā)熱量，且減少器件接觸面的磨損。

圖7在750 mT磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下流變儀測(cè)試的不同試樣對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖

Fig 7 Measured torque of rheometer with different rotate speeds for three samples under the magnetic field 750 mT

3結(jié)論

采用油酸包覆微納米級(jí)軟磁顆粒法制備磁流變液，含質(zhì)量比83%微米級(jí)軟磁顆粒的磁流變液具有較好的沉淀穩(wěn)定性，且在993 mT 磁場(chǎng)強(qiáng)度作用下其屈服應(yīng)力可達(dá)62 kPa，在減振、制動(dòng)方面具有一定的應(yīng)用前景。微納米級(jí)軟磁顆?；旌闲痛帕髯円弘S納米級(jí)軟磁顆粒含量的增加屈服應(yīng)力減小，儲(chǔ)能模量降低。在750 mT外磁場(chǎng)作用下，含微納米級(jí)軟磁顆粒1∶1質(zhì)量比的磁流變液對(duì)應(yīng)流變儀轉(zhuǎn)矩為純微米級(jí)軟磁顆粒的磁流變液對(duì)應(yīng)流變儀轉(zhuǎn)矩的2/5倍。由此可見，含微納米級(jí)軟磁顆粒的磁流變液能夠有效降低密封過程中所帶來的溫升及磨損，其在密封方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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文章編號(hào)：1001-9731(2016)07-07153-04

基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(4142046)；北京交通大學(xué)人才基金資助項(xiàng)目(2016RC010)

作者簡(jiǎn)介：王四棋(1980-)，男，河南靈寶人，講師，博士，主要從事智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研究。

中圖分類號(hào)：O631

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.029

Preparation and properties of a magnetorheological fluid with oleic acid-coated magnetic particles

WANG Siqi1， LI Decai1, JU Benxiang2

(1. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University,Beijing 100044, China;2. Chongqing Materials Research Institute，National Instrument Functional Materials Engineering Technology Research Center, Chongqing 400707, China)

Abstract:In this paper, the magnetic micron/nano particles were coated by oleic acid to prepare castor oil-based magnetorheological(MR) fluids. MR fluids with mass fraction of pure micrometer carbonyl iron particles 83% show good sedimentary stability and high yield stress. These MR fluids are suit for vibration and brake applications. The yield stress and storage modulus of the MR fluids with micro-nanometer carbonyl iron particles reduce with the nanometer carbonyl iron particle increasing. And these MR fluids are suit for seal application, which can decrease the temperature rise and wear of the seal devices.

Key words：magnetorheological fluid; yield stress; oleic acid; castor oil; soft magnetic particle

收到初稿日期：2015-07-06 收到修改稿日期：2015-10-26 通訊作者：李德才，E-mail: dcli@bjtu.edu.cn