磁流變液制備及性能指標(biāo)研究＊

余龍

（江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能工程學(xué)院，江蘇 無錫214153）

1 引言

磁流變液（Magnetorheological Fluids，MRF）是一種新型智能材料，目前主要應(yīng)用于減振、拋光、密封等領(lǐng)域，未來在軍事和醫(yī)療領(lǐng)域也有較好的發(fā)展前景。磁流變液的主要組成部分有磁性顆粒、基載液、添加劑[1]。當(dāng)外部無磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液具有低粘度的流體特性；當(dāng)外部存在磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液具有高粘度的類固體特性。只需要通過控制磁場(chǎng)就可以切換兩種狀態(tài)，并且切換的速度在毫米級(jí)。因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間短、控制方便，所以能夠滿足需要兩種工況并迅速轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合。雖然磁流變液功能強(qiáng)大，但是還有一些技術(shù)指標(biāo)有待提高，如長(zhǎng)時(shí)間靜置后存在沉降并結(jié)塊，從而影響正常工作；工作過程中產(chǎn)生大量的熱，溫度過高也會(huì)影響磁流變液性能等。

評(píng)價(jià)磁流變液的性能指標(biāo)主要有三個(gè)：剪切屈服應(yīng)力、沉降穩(wěn)定性和零場(chǎng)粘度。剪切屈服應(yīng)力是磁流變液最重要的特征，也是區(qū)別于液體的最大不同。影響剪切屈服應(yīng)力的因素主要有磁性顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒粒徑、剪切速率和溫度等[2]。由于磁性顆粒和基載液兩者密度相差甚遠(yuǎn)，所以磁性顆粒在基載液中會(huì)出現(xiàn)沉降的現(xiàn)象，沉降又會(huì)對(duì)磁流變液性能產(chǎn)生負(fù)面影響，所以沉降穩(wěn)定性是磁流變液工作的重要指標(biāo)[3]。為了減低沉降率，可以采用選擇合適的磁性顆粒粒徑、添加抗沉降的活性劑和對(duì)磁性顆粒進(jìn)行表面包覆等。零場(chǎng)粘度是在零磁場(chǎng)情況下磁流變液的粘度，零場(chǎng)粘度越低越能發(fā)揮牛頓流體力學(xué)特性，因?yàn)榛d液的體積分?jǐn)?shù)占據(jù)磁流變液的一大半，所以零場(chǎng)粘度通常是通過基載液的粘度來控制的[4]。

2 磁流變液機(jī)理研究

目前，磁流變液的工作機(jī)理暫時(shí)還沒有定論，但是可以從宏觀和微觀兩個(gè)方面進(jìn)行分析。宏觀磁流變液性質(zhì)可以采用觀察法來總結(jié)有無磁場(chǎng)下磁流變液的表現(xiàn)形式[5]。在無磁場(chǎng)情況下，磁流變液體現(xiàn)良好的流動(dòng)性；在有磁場(chǎng)情況下，磁流變液變?yōu)轭惞腆w狀。這種切換響應(yīng)速度非常快，并且可以完成連續(xù)可逆操作。

采用高速攝像機(jī)拍攝可以得到磁流變液特性的微觀結(jié)構(gòu)[6]。在無磁場(chǎng)環(huán)境下，磁性顆粒雜亂無章的分布在基載液里；在外加磁場(chǎng)環(huán)境下，磁性顆粒馬上呈現(xiàn)鏈狀形態(tài)，所以在磁場(chǎng)環(huán)境下磁流變液具有較高的剪切屈服應(yīng)力。

磁流變液工作模式主要有三種：流動(dòng)模式、剪切模式和擠壓模式，如圖1所示。流動(dòng)模式主要是上下板不動(dòng)，磁流變液在兩板之間流動(dòng)，通過控制磁場(chǎng)來改變流動(dòng)速度；剪切模式主要是上下板存在相對(duì)水平運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度來控制運(yùn)動(dòng)速度；擠壓模式主要是上下板沿著磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，磁流變液被擠壓體現(xiàn)阻尼特性。

圖1 磁流變液的三種工作模式

3 磁流變液的制備

磁流變液的制備方法目前主要有兩類：傳統(tǒng)制備法和基載液置換法[7]。傳統(tǒng)制備法是將成比例的磁性顆粒、基載液和添加劑混合到一起制成磁流變液樣品；基載液置換法是先將磁性顆粒和添加劑放入無離子水或者乙醇中進(jìn)行改性，然后再將改性的材料加入基載液。兩種方法相比較，基載液置換法可以提高磁流變液的綜合性能。

磁性顆粒。選擇合適的磁性顆粒不僅可以減小沉降，更能加強(qiáng)剪切屈服應(yīng)力，所以選擇磁性顆粒就顯得尤為重要。主要考慮較高磁化率、較低磁滯率及較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，一般選取的為微米級(jí)的軟磁球形顆粒。目前多數(shù)選擇的為羰基鐵粉、四氧化三鐵、鈷、鎳及其合金顆粒等。但每種材料都有缺點(diǎn)，所以材料性能上還需要進(jìn)一步改良。

基載液。為了使磁性顆粒可以懸浮在基載液中，選擇合適參數(shù)就可以保證磁流變液的穩(wěn)定性。主要考慮基載液的粘度、密度、化學(xué)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等因素，目前用的較多的有硅油、礦物油、合成油和植物油等，水基磁流變液主要應(yīng)用于拋光領(lǐng)域。

添加劑。為了進(jìn)一步防止降低沉降率，可以加入少量的添加劑。主要包括表面活性劑、偶聯(lián)劑和觸變劑等，其中表面活性劑具有親水性和親油性兩個(gè)特性，進(jìn)而降低張力。

4 磁流變液評(píng)價(jià)指標(biāo)

磁流變液的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為剪切屈服應(yīng)力、沉降率和零場(chǎng)粘度。為了提高磁流變液的綜合性能，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

剪切屈服應(yīng)力。在外加磁場(chǎng)的作用下，磁性顆粒排成了鏈狀結(jié)構(gòu)，為了使鏈狀結(jié)構(gòu)斷裂而產(chǎn)生的力直接影響著剪切屈服應(yīng)力，所以提高鏈狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以增強(qiáng)剪切屈服應(yīng)力。既然鏈狀結(jié)構(gòu)是由磁性顆粒組成，所以顆粒的飽和磁化強(qiáng)度對(duì)于剪切屈服應(yīng)力起著重要的作用，在選擇磁性顆粒時(shí)，要考慮材料的飽和磁化強(qiáng)度。環(huán)境的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁流變液的剪切屈服應(yīng)力產(chǎn)生直接影響，在未達(dá)到飽和磁化強(qiáng)度之前，兩者呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系。磁性顆粒越多，鏈狀結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，即在一定范圍內(nèi)磁性顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，剪切屈服應(yīng)力越大。

沉降率。由于磁性顆粒和基載液的密度相差很大，磁性顆粒不溶于基載液，所以在磁流變液不工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁性顆粒的沉降，通常采用靜置法來標(biāo)定沉降率，如圖2所示。將制備好的磁流變液倒入量筒中后靜置一段時(shí)間，基載液和磁性顆粒發(fā)生了分離沉降的現(xiàn)象，其中a為新增基載液的高度，b為沉淀層的高度，則沉降率為。這種計(jì)算方法比較簡(jiǎn)單，已被多數(shù)研究者所接受，但由于靜置時(shí)間相對(duì)較短，對(duì)于一些需要長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的設(shè)備，此種標(biāo)定方法還有待優(yōu)化。特別是長(zhǎng)時(shí)間靜置后磁性顆粒是否存在結(jié)塊，并且是否能夠正常完成可逆工作，均需要進(jìn)一步探究。

圖2 靜置法

零場(chǎng)粘度。在零磁場(chǎng)的環(huán)境下，磁流變液體現(xiàn)的粘度稱為零場(chǎng)粘度。越小的零場(chǎng)粘度，磁流變液在零磁場(chǎng)環(huán)境下流動(dòng)性越好。由于磁流變液中基載液的體積分?jǐn)?shù)占了一大半，所以基載液的粘度直接影響到磁流變液的零場(chǎng)粘度，并且零場(chǎng)粘度會(huì)隨磁性顆粒的體積分?jǐn)?shù)的增大而提高。

5 結(jié)語

目前國(guó)內(nèi)的磁流變液研究學(xué)者大多還屬于理論研究階段，未來的工程應(yīng)用還需要很長(zhǎng)的路要走，但是磁流變液具有非常大的潛力。磁流變液的工作機(jī)理還需要進(jìn)一步探究，長(zhǎng)時(shí)間間歇工作過程中還有很多需要解決的問題。未來可以從材料的選擇、制備工藝上可以逐步提高磁流變液綜合性能指標(biāo)。