離子液體基低粘高屈服應(yīng)力磁流變液*

李小光，佟 昱，趙鵬慧，張 鑫，董旭峰

(1. 大連理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116024; 2. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京100080)

0 引言

磁流變液(Magnetorheological fluids，MRF)是由軟磁顆粒、非磁性基液和微量添加劑組成的懸浮液體系。在磁場作用下，磁流變液可從液態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞虘B(tài)，而當撤去磁場后，又可以在幾毫秒內(nèi)恢復(fù)到初始的液體狀態(tài)。在此過程中，磁流變液的流變學參數(shù)發(fā)生實時、可逆、迅速的變化[1-3]，即所謂磁流變效應(yīng)。該效應(yīng)產(chǎn)生的機理是：在不施加磁場時，磁性顆粒呈均勻分布于基液中，表觀流變行為呈Newton流體；當施加磁場時，磁性顆粒形成沿磁場方向排列的鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予其一定的抵抗剪切破壞的能力(即剪切屈服應(yīng)力)，表觀流變行為呈Bingham流體[4-5]。磁場作用時磁流變液的剪切屈服應(yīng)力是評價磁流變液的重要性能指標之一。現(xiàn)有的磁流變液雖具有優(yōu)異的磁流變性能，已在橋梁、汽車、船舶等結(jié)構(gòu)的智能減振中獲得應(yīng)用，但其剪切屈服應(yīng)力仍然有待提高，以滿足重型車輛減振、建筑結(jié)構(gòu)減震等對高剪切屈服應(yīng)力磁流變液的需求[6]。

理論及試驗研究表明，磁流變液的剪切屈服應(yīng)力的主要受顆粒磁性能、顆粒粒徑及顆粒體積分數(shù)等因素的影響。已有研究主要采用提高軟磁顆粒的體積分數(shù)、改變軟磁顆粒的粒徑等方法來提高磁流變液的剪切屈服應(yīng)力[7-10]。然而，這些方法在提高剪切屈服應(yīng)力的同時，通常會導(dǎo)致磁流變液零場粘度的增大，甚至在零場下亦表現(xiàn)為Bingham流體行為，這一方面導(dǎo)致磁流變阻尼器的注液困難，另一方面又降低了磁流變液的剪切屈服應(yīng)力的相對調(diào)節(jié)范圍[11]。

基液是磁流變液的重要組成相，已有研究主要關(guān)注其粘度、密度、揮發(fā)性等，認為其主要影響磁流變液體系的穩(wěn)定性，而鮮有研究分析基液成分對磁流變液剪切屈服應(yīng)力的影響[12-15]。粘度為500cSt的二甲基硅油由于粘度、密度及揮發(fā)性適宜，是目前應(yīng)用最為普遍的磁流變液基液。基于此，本研究以粘度、密度、揮發(fā)性與二甲基硅油接近的離子液體(1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽)為基液制備磁流變液，從實驗角度研究基液成分對磁流變液剪切屈服應(yīng)力的影響，并獲得一種兼具較低零場粘度及較高剪切屈服應(yīng)力的磁流變液。

1 實驗

1.1 原材料

原料及主要實驗儀器包括：CN型羰基鐵粉(分析純，平均粒徑為5μm，德國BASF公司)、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體(分析純，林州市科能材料科技有限公司)、二甲基硅油(分析純，天津市博迪化工有限公司)。兩種基液的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 兩種基液主要性能參數(shù)

1.2 磁流變液制備及流變性能測試

將羰基鐵粉以20%的體積分數(shù)與兩種基液分別混合，充分攪拌得到均一的懸浮體系制得離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液，分別標記為IL-MRF和SO-MRF。

使用MCR301旋轉(zhuǎn)流變儀(奧地利AntonPaar公司)對兩種磁流變液的流變性能進行測試。具體測試過程如下：首先將制備好的磁流變液樣品均勻倒入樣品臺的中心。測試過程中，流變儀會在轉(zhuǎn)子和樣品臺之間施加均勻磁場，隨后由流變儀內(nèi)部的精密傳感器測定磁流變液樣品所反饋的剪切應(yīng)力、粘度等數(shù)據(jù)。本實驗控制剪切速率在0～100 s-1之間線性增加，測試磁流變液在不同磁場強度下(0、92、187、280、365、436 kA/m)剪切應(yīng)力和粘度隨剪切速率變化的曲線，并采用Bingham模型對剪切應(yīng)力與剪切速率曲線進行擬合，得到不同磁場強度下的剪切屈服應(yīng)力，進而得到兩種磁流變液的剪切屈服應(yīng)力隨磁場強度變化的曲線。

2 結(jié)果與討論

圖1為離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液在不同磁場下粘度隨剪切速率變化的曲線圖。磁流變液內(nèi)部磁性顆粒相互作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變化，從而直接影響磁流變液的粘度[16]。磁性顆粒的相互作用在零場下和有外加磁場時是有差異的，如圖2所示。由圖1可知，離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液的粘度均隨剪切速率的增大而逐漸降低最終趨于穩(wěn)定，都表現(xiàn)出典型的剪切變稀現(xiàn)象。零場下，磁流變液的粘度主要取決于磁性顆粒的體積分數(shù)和基液粘度，由于磁性顆粒為相同的羰基鐵粉，而所選擇的離子液體粘度略低于二甲基硅油，從而離子液體基磁流變液的粘度也略低于硅油基磁流變液。與零場時的結(jié)果不同，在外加磁場的作用下，離子液體基磁流變液的粘度大于硅油基磁流變液?？紤]到所使用的磁性顆粒均為相同的羰基鐵粉，所施加的外加磁場也相同，因此排除顆粒和磁場對粘度的影響。對于磁流變液來說，其粘度的變化主要是由其內(nèi)部顆粒間相互作用力所決定，顆粒間相互作用力越強，其粘度越高。因此可以說明，在磁場作用下，離子液體基磁流變液中的磁性顆粒所形成的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。離子液體是由游離在其中的小的離子片段組成，這種離子片段可能會吸附在磁性顆粒表面。在零場時，磁性顆粒相距較遠，其相互作用較弱，對粘度的影響不明顯；隨著外加磁場的施加，磁性顆粒彼此靠近，由于離子片段吸附在磁性顆粒的表面上，磁性顆粒之間除了磁性相互作用力增強外，還有表面離子片段之間的范德華力與庫侖力也增強，具有較強的非鍵相互作用，從而提高顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并提高磁流變液的粘度。

圖1 兩種磁流變液在不同磁場下粘度隨剪切速率變化的曲線圖

圖2 磁流變液在零場下和施加磁場下的剪切變稀示意圖

圖3所示為離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液在不同磁場強度下剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化的曲線圖。由圖可知，兩種磁流變液在不同磁場強度下的剪切應(yīng)力均隨剪切速率的增加而增大。在同一剪切速率下，兩種磁流變液的剪切應(yīng)力均隨磁場強度的增大而增大。另外，對比兩種磁流變液發(fā)現(xiàn)，低場下離子液體基磁流變液的剪切應(yīng)力與硅油基磁流變液接近，高場下離子液體基磁流變液的剪切應(yīng)力大于硅油基磁流變液。其原因是在磁場的作用下，羰基鐵顆粒間的相互作用在離子液體的輔助作用下有所增強，形成了更為穩(wěn)定的鏈狀結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出較大的剪切應(yīng)力。采用Bingham模型(式(1))對剪切應(yīng)力與剪切速率曲線擬合可得到不同磁場下的剪切屈服應(yīng)力。

(1)

圖3 兩種磁流變液剪切應(yīng)力隨剪切速率變化

離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液剪切屈服應(yīng)力隨磁場強度變化的關(guān)系曲線如圖4所示。在外加磁場的作用下，磁性顆粒被極化并相互吸引，沿著磁場方向形成鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu)，在施加垂直于磁場的剪切力后，這種結(jié)構(gòu)會阻礙液體的流動，從而表現(xiàn)出一定的剪切屈服現(xiàn)象，對應(yīng)的剪切屈服應(yīng)力與所形成的鏈柱狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性成正比關(guān)系[17]。由圖可知，離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力均隨磁場強度的增大而增大。在較高的磁場強度條件下，離子液體基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力大于硅油基磁流變液。在436 kA/m的磁場強度下最高屈服應(yīng)力提高了29%，即離子液體基磁流變液具有更為顯著的磁流變效應(yīng)。

圖4 離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液的屈服應(yīng)力隨磁場強度變化

3 結(jié)論

羰基鐵粉為分散相顆粒，以1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體與二甲基硅油為基液，制備出了體積分數(shù)為20%的兩種磁流變液并測試了其流變性能。具體結(jié)論如下：

(1)離子液體基磁流變液具有較低的零場粘度，而在外加磁場的作用下，離子液體基磁流變液的粘度高于硅油基磁流變液。

(2)離子液體基磁流變液在436 kA/m的高磁場強度下的剪切屈服應(yīng)力相較于硅油基磁流變液提高了29%。

(3)外加磁場作用下吸附在磁性顆粒表面的離子片段間的范德華力與庫侖力顯著增大，提高了鏈柱狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高了磁流變液的粘度和剪切屈服應(yīng)力。