磁流變液的流變性能分析

肖林京，王傳萍，朱緒力，孫朝陽

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島266590)

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磁流變液的流變性能分析

肖林京，王傳萍，朱緒力，孫朝陽

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島266590)

制備了以羰基鐵粉為磁性顆粒的硅油基磁流變液，使用Anton Paar Physica MCR 301流變儀測試其流變性能，用Bingham模型對磁流變液的流變性能進行擬合計算。實驗表明，Bingham模型可較好地描述磁流變液的流變行為。隨著磁場的增大，磁流變液的剪切應力和粘度顯著增大。磁場不變時，隨著剪切速率增加，磁流變液剪切應力增加不明顯，符合剪切稀化的Bingham模型。通過對數(shù)擬合的方法，得出磁流變液剪切應力和電流的關系，在電流較小時，剪切應力呈指數(shù)增長，指數(shù)值約為1.42，隨著電流的增大，剪切應力達到穩(wěn)定值。

磁流變液；流變性能；屈服應力；流變模型；磁場

磁流變液是由微米量級的鐵磁性顆粒分布于非磁性液體中形成的懸浮液。在外加磁場作用下，磁流變液由原先的粘性流態(tài)轉化為類固態(tài)[1]，其物理性能(如電磁學、力學、熱學等性能)同時發(fā)生改變[2-4]。磁流變液的這種性能變化稱為磁流變效應，具有可控、快速、能耗低、制備方便等特點[5-6]，廣泛應用于車輛、建筑結構、醫(yī)療器械、運動器材、精密材料拋光和密封等領域[7-9]。

對于磁流變液這類流體，一般采用Bingham模型、Bivisous模型和Herschel-Bulkley模型來描述其流變行為[10]。Bivisous模型在磁流變液的彈性和塑形的過渡階段存在突變，這在一定程度上不能準確描述磁流變液的流變行為，而三參量的Herschel-Bulkley模型計算復雜，因此多采用精度較高且計算比較簡單的Bingham模型來描述磁流變液的流變行為。姚軍等[11]研究了羰基鐵粉的鐵含量對磁流變液剪切屈服強度的影響，發(fā)現(xiàn)磁流變液中鐵的含量越高，其屈服應力越大。朱緒力等[12]對磁流變彈性體中顆粒磁場力進行了分析，得出了顆粒磁場力與磁場強度之間的關系。易成建[10]對磁流變液的性能進行了測試，并觀察了磁流變液的微觀變化； Berli等[13]提出一種磁流變液的結構粘度模型；Alghamdi等[14]對磁流變液在傳動技術中的應用進行了分析。本實驗研究一種磁流變液在磁場作用下的流變行為，分析不同體積比的磁流變液，其剪切屈服應力和磁場強度的依賴關系，為磁流變液的優(yōu)化及工程應用提供技術依據(jù)。

1 磁流變液的流變模型

研究和應用中，一般運用Bingham模型[10,13]表達磁流變液的剪切流動特性。Bingham模型可表示為：

(1)

磁流變液的屈服應力是衡量磁流變液性能的一個重要指標[15]。在屈服應力的計算中，引用最多的是美國Ford公司的Ginder等利用Maxwell應力張量得到的計算屈服應力的公式[15-16]。

(2)

式中：φ為鐵磁性顆粒的體積分數(shù)；μ0為磁流變液的磁導率；Ms為鐵磁性顆粒的飽和磁化強度；H為磁場強度。

2 磁流變液的制備與實驗測試

2.1 磁流變液的制備

制備鐵磁性顆粒體積分數(shù)分別為10%、20%、30%、40%的磁流變液。按計算的配比稱取鐵磁性顆粒和基液，鐵磁性顆粒采用江蘇天一超細金屬粉末有限公司的羰基鐵粉，其平均粒徑為3.3 μm，基液采用二甲基硅油，運動粘度為10-5m2/s，二甲基硅油和表面活性劑來自濟南多維橋化工有限責任公司。磁流變液的制備流程如圖1所示。羰基鐵粉和表面活性劑混合，用攪拌器高速攪拌后，放入真空干燥箱干燥，然后將處理好的鐵粉和二甲基硅油混合，放入球磨機進行高速球磨數(shù)小時，即可得到磁流變液。制備好的磁流變液樣品如圖2所示。

圖1 磁流變液的制備流程Fig.1 Preparation process of MRFs

圖2 磁流變液樣品Fig.2 Sample of MRFs

2.2 磁流變液的微觀觀測

實驗采用Keyence的VHX-600超景深三維數(shù)碼顯微鏡對磁流變液在磁場作用下的微觀變化進行觀察，將制備好的磁流變液滴一滴在載玻片上，蓋上蓋玻片，使液滴鋪展均勻。通過線圈加鐵芯裝置對磁流變液施加磁場，電流大小設置為1 A。磁流變液的微觀變化如圖3所示。

圖3 磁流變液的微觀變化Fig.3 Micro motions of MRFs

由圖3可以看出，無磁場作用下，磁流變液中的鐵磁性顆粒均勻分散在基液中；磁場作用下，磁流變液中的鐵磁性顆粒相互聚集形成鏈柱結構。

2.3 磁流變液實驗測試

使用Anton Paar Physica MCR 301平板測試流變儀測試磁流變液的流變性能。流變儀在工作過程中，通過磁場發(fā)生附件(Physica MRD 180)使磁流變液處于一個相對均勻磁場環(huán)境中，該附件采用電場控制內(nèi)置線圈產(chǎn)生均勻的磁場，再經(jīng)導磁骨架將磁場垂直加到磁流變液上，形成一個閉合的磁路系統(tǒng)。實驗測試時，將磁流變液放入測試區(qū)，然后在不同條件下測量磁流變液的剪切應力。

將體積分數(shù)為30%的磁流變液滴入測試區(qū)，電流分別設置為0.5、1、2、4 A，剪切速率設置在0～1 000 s-1范圍內(nèi)變化，測量磁流變液剪切應力的變化，研究磁場作用下，磁流變液剪切應力和剪切速率的關系。然后將四種不同體積分數(shù)的磁流變液分別放入測試區(qū)，設置剪切速率為300 s-1，電流0～4 A，依次測試不同體積分數(shù)的磁流變液剪切應力的變化，研究不同體積分數(shù)的磁流變液剪切應力和電流的關系及相同磁場下磁流變液剪切應力和顆粒體積分數(shù)的關系。

圖4 磁流變液剪切應力和剪切速率的擬合Fig.4 Fitting of shear stress and shear rate of MRFs

3 實驗結果與分析

3.1 剪切應力和剪切速率的關系分析

用Bingham模型對磁流變液的剪切應力和剪切速率進行擬合，擬合結果如圖4所示。可以看出，磁流變液的剪切應力隨剪切速率的變化不明顯，存在剪切稀化現(xiàn)象。

磁流變液剪切應力和剪切速率的擬合計算結果如表1所示?？梢钥闯?，隨著電流的增大，磁流變液的屈服應力和粘度增大。電流從0.5 A增大到4 A時，磁流變液的屈服應力從4.12 kPa增大到32 kPa，粘度從2.26 Pa·s增加到5.89 Pa·s。

表1 磁流變液剪切應力和剪切速率的擬合計算結果Tab.1 Fitting calculation results of shear stress and shear rate of MRFs

在磁場作用下，鐵磁性顆粒逐漸形成鏈狀結構，宏觀表現(xiàn)為屈服應力。隨著剪切速率的增加，鏈狀結構發(fā)生傾斜，當傾斜達到一定程度后，顆粒鏈發(fā)生斷裂，在磁場作用下，斷裂的顆粒鏈發(fā)生重組形成新的顆粒鏈。由于在剪切過程中，并不是全部的顆粒鏈在同一時刻斷裂，而是部分鏈發(fā)生斷裂，部分鏈依然保持著拉伸傾斜狀態(tài)，因此隨著剪切過程的進行，顆粒鏈的斷裂和重組達到動態(tài)平衡，磁流變液的宏觀剪切應力趨于穩(wěn)定。外加磁場越大，顆粒鏈形成的鏈柱結構越多，鏈的平均長度增加，造成磁流變液剪切應力增大。因此相同剪切速率下，磁流變液的宏觀剪切應力顯著增大。

3.2 剪切應力和外加電流的關系分析

磁流變液剪切應力和電流的關系如圖5所示?？梢钥闯觯娏髟龃髸r，磁流變液剪切應力顯著增大，后逐漸達到穩(wěn)定值，其變化范圍為200 Pa～51 kPa。磁流變液中鐵磁性顆粒的體積分數(shù)越大，剪切應力越大，剪切應力達到穩(wěn)定值時需要的磁場越大。電流0～2 A，磁流變液剪切應力和電流在雙對數(shù)坐標下進行線性擬合，擬合結果如圖6所示?？梢钥闯觯煌w積分數(shù)的磁流變液，其剪切應力和電流呈指數(shù)關系。

圖5 磁流變液剪切應力和電流的關系Fig.5 The relationship between shear stress and current

圖6 磁流變液剪切應力和電流的擬合Fig.6 Fitting of shear stress of MRFs and current表2 磁流變液剪切應力和電流的擬合計算結果Tab.2 Fitting calculation results of shear stress of MRFs and current

Volumefraction/%FittingequationR210y=1.4065x+3.72360.9879520y=1.4589x+3.94530.9941030y=1.4097x+4.02800.9969140y=1.4349x+4.15500.99330

磁流變液剪切應力和電流的擬合計算結果如表2所示?？梢钥闯?，不同體積分數(shù)的磁流變液，其剪切應力和電流呈指數(shù)關系，指數(shù)值約為1.42。磁流變液剪切應力和電流的關系可以用顆粒間磁場力來解釋[12]。當磁場較小時，磁流變液內(nèi)的鐵磁性顆粒遠未達到磁化飽和，在磁場作用下，顆粒相互作用，形成鏈柱結構，宏觀表現(xiàn)為剪切應力增加顯著，呈指數(shù)式增長。隨著磁場的增大，顆粒接近磁化飽和時，宏觀表現(xiàn)為剪切應力達到穩(wěn)定值。由此可以得出，磁流變液剪切應力和外加電流的依賴關系，在電流較小時，剪切應力表現(xiàn)為指數(shù)增長，指數(shù)值約為1.42，隨著外加電流的增大，剪切應力達到穩(wěn)定值。

3.3 剪切應力和顆粒體積分數(shù)的關系分析

不同體積分數(shù)的磁流變液剪切應力變化如圖7所示?？梢钥闯觯帕髯円簝?nèi)鐵磁性顆粒的體積分數(shù)從10%增加到40%時，電流為0.5 A時，剪切應力從2.3 kPa增加到6.5 kPa；電流為4 A時，剪切應力從13.5 kPa增加到50 kPa。由此可以得出，隨著鐵磁性顆粒體積分數(shù)的增加，相同電流下對應的剪切應力增大。并且外加電流越大，剪切應力增加越顯著。鐵磁性顆粒的體積分數(shù)越大，鐵磁性顆粒間形成的鏈狀結構越密集，宏觀表現(xiàn)為剪切應力越大。外加磁場越大，顆粒鏈形成的鏈柱結構越多，鏈的平均長度增加，宏觀表現(xiàn)為剪切應力增大。因此相同的顆粒體積分數(shù)，磁場越大，磁流變液的宏觀剪切應力越大。

圖7 磁流變液剪切應力和顆粒體積分數(shù)的關系Fig.7 The dependence of shear stress on particle volume fraction

4 結論

通過理論及實驗數(shù)據(jù)分析，可得出以下結論：

1) 用Bingham模型對磁流變液剪切應力和剪切速率進行擬合分析，得出電流從0.5 A增大到4 A時，磁流變液的屈服應力從4.12 kPa增大到32 kPa，粘度從2.26 Pa·s增加到5.89 Pa·s。電流不變時，磁流變液的剪切應力隨剪切速率的變化不明顯，符合剪切稀化的Bingham模型。

2) 隨著電流的增大，磁流變液剪切應力增大，后逐漸達到穩(wěn)定值，其變化范圍為200 Pa～51 kPa。電流在0～2 A范圍內(nèi)時，對磁流變液剪切應力和電流擬合結果分析，得出磁流變液剪切應力與電流呈指數(shù)關系，指數(shù)值約為1.42，擬合結果與理論分析結果一致。

3) 隨著磁流變液內(nèi)鐵磁性顆粒體積分數(shù)的增加，相同電流下對應的剪切應力增大，電流越大，剪切應力增加越顯著。

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(責任編輯：呂海亮)

Rheological Performance Analysis of Magnetorheological Fluids

XIAO Linjing,WANG Chuanping,ZHU Xuli,SUN Zhaoyang

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

Silicone-based magnetorheological fluids (MRFs) were prepared with carbonyl iron powder as magnetic particles and its rheological performances were tested with Rheometer Anton Paar Physica MCR 301 and calculated with Bingham model.The experimental results show that Bingham model can well describe the rheological behaviors of MRFs.The shear stress and viscosity of MRFs increase significantly with the increase of magnetic field.However,when the magnetic field keeps the same,there is no apparent increase in shear stress with the increase of shear rate,which conforms to the Bingham model of shear thinning.The relationship between shear stress and electric current of MRFs was obtained by using logarithm fitting.It is found that the shear stress of MRFs firstly increases exponentially with the index value being about 1.42 when the current is small,but it tends to be stable as the current increases.

magnetorheological fluid; rheological performance; yield stress; rheological model; magnetic field

2016-01-08

山東省自然科學基金項目(ZR2011EEM005)

肖林京(1966-)，男，山東臨沂人，教授，博士，研究方向為機電傳動控制.E-mail:1527510435@qq.com 王傳萍(1991-)，女，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向為磁流變材料減振.E-mail:wangchuanping10@163.com

TM271;TF125.8

A

1672-3767(2016)06-0043-06