植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體的黏度特性及磁黏特性

謝志偉，吳張永，朱啟晨，蔣佳駿，梁天祥，劉振陽(yáng)

（昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

磁流體又稱磁性液體或鐵磁流體，是一種兼具液體材料流動(dòng)性和固體磁性材料磁性的新型智能納米流體，在磁場(chǎng)、重力場(chǎng)的作用下可以保持原有物理化學(xué)性質(zhì)，不會(huì)發(fā)生沉淀和分解，磁場(chǎng)下表現(xiàn)出流變的智能特性，響應(yīng)快、防泄漏、潤(rùn)滑性能好等，有很強(qiáng)的實(shí)用性[1-7]。已在傳感器、密封、潤(rùn)滑、傳熱、醫(yī)療、機(jī)械、航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用[8-14]。

根據(jù)基液的不同，可分為水基、油基等磁流體。水基磁流體因制備方便、成本低廉、無(wú)污染、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注，制備技術(shù)較成熟。但水基磁流體黏度低、潤(rùn)滑性能和黏溫特性差、水揮發(fā)量大等缺點(diǎn)，使之在應(yīng)用上受到了極大制約[15-17]。油基磁流體具有黏度適宜、潤(rùn)滑性好、流變性好等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)水基磁流體的不足。目前，油基磁流體主要以礦物油為基液，如硅油基、煤油基等[18-19]。然而，礦物油生物降解性差、毒性強(qiáng)，會(huì)對(duì)環(huán)境造成長(zhǎng)期污染，且不可再生。隨著人們環(huán)保意識(shí)的日益提高，植物油因具有環(huán)保、易生物降解、無(wú)毒、來(lái)源豐富等優(yōu)點(diǎn)，且保持傳統(tǒng)礦物油良好的黏度特性、潤(rùn)滑性能等，受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注[20-22]。Ni 等[20]制備了植物油基納米流體切削液，并對(duì)其在拉削加工中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。彭銳濤等[21]制備了大豆油基Al2O3納米流體，并對(duì)其抗磨減摩性能和懸浮穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。Rashin 等[22]制備了不同濃度的椰子油基CuO 納米流體，在不同的溫度和剪切速率下，對(duì)從0 到2.5%不同濃度的納米流體黏度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。因此，植物油基納米流體有較好的分散懸浮穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性、抗磨減摩性及黏度特性等性能，植物油相較于水和礦物油具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是磁流體基液的一種理想選擇。未來(lái)，植物油基磁流體或可能成為一種新型的環(huán)保工作介質(zhì)。

黏度特性和磁黏特性是磁流體應(yīng)用非常重要的性質(zhì)，有關(guān)植物油基磁流體及其黏度特性、磁黏特性的研究少有報(bào)道。Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁性納米顆粒是一種軟磁尖晶石鐵氧體，具有化學(xué)穩(wěn)定性好、電阻率高、磁導(dǎo)率高、機(jī)械硬度高、矯頑力低、磁性好等優(yōu)點(diǎn)，在永磁體、電子、微波器件、磁流體等領(lǐng)域應(yīng)用較多[23-25]。因此，本文以植物油為基液，Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁性納米顆粒為分散相，采用兩步法制備磁流體，研究分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)及溫度、磁場(chǎng)等不同因素對(duì)黏度特性和磁黏特性的影響。

1 材料和方法

1.1 材料

粒 徑 為20～30nm 的Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁 性 納 米 顆粒，南京宏德納米材料有限公司；分散劑為油酸（OA），無(wú)錫市亞泰聯(lián)合化工有限公司；正丁醇（1-butanol），天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；丙酮（acetone），廣東汕頭新寧化工廠；聚乙二醇400（PEG400），天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司；聚乙二醇600（PEG600），廣東光華化學(xué)廠有限公司；無(wú)水乙醇，廣東光華科技股份有限公司；基液為市售大豆油，云南金豐匯油脂股份有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

數(shù)顯恒溫電動(dòng)攪拌器，JH-100 型，金壇市晶玻實(shí)驗(yàn)儀器廠；超聲波清洗機(jī)，KQ-100 型，東莞市科橋超聲波設(shè)備有限公司；數(shù)顯黏度計(jì)，SNB-1型，維德（寧波）儀器儀表有限公司；溫度計(jì)，耀華玻璃廠；N52 釹鐵硼永磁體，尺寸為50mm×50mm×30mm，剩磁約為1.4T，上海顥磁機(jī)電；燒杯，四川蜀牛玻璃儀器有限公司；刻度試管，福州泰美實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；X 射線衍射儀（XRD），XRD-6100型，日本島津公司；特斯拉計(jì)，WT10A型，韋特磁電科技有限公司；振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM），Lakeshore7404 型，美國(guó)Lakeshore 公司；場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM），Zeiss Sigma300型，德國(guó)卡爾·蔡司股份公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體的制備方法

采用兩步法制備植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體。

（1）先將一定量的分散劑溶于一定體積的植物油中，設(shè)定轉(zhuǎn)速為450r/min，恒溫40℃，機(jī)械攪拌10min，使分散劑充分溶于植物油中，得到溶液A。

（2）將一定量的Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒加入到溶液A 中，設(shè)定轉(zhuǎn)速450r/min，恒溫40℃，機(jī)械攪拌2h，得到分散均勻的植物油基磁流體溶液B，停止攪拌；以丙酮為分散劑時(shí)，則將一定量的丙酮、無(wú)水乙醇和Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒三者混合攪拌20min 后再加入一定體積的植物油，機(jī)械攪拌2h，得到分散均勻的植物油基磁流體溶液B，停止攪拌。

（3）停止攪拌后，將制備完成的植物油基磁流體溶液B在恒溫40℃下進(jìn)行10min的超聲分散，超聲分散結(jié)束后在恒溫40℃下靜置保溫60min。

（4）將制備完成的植物油基磁流體溶液B冷卻至室溫。

植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體樣品如圖1所示。

圖1 植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體樣品

1.3.2 樣品的表征與測(cè)試方法

利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒在常溫下的磁滯回線，磁場(chǎng)測(cè)試范圍為-20000～+20000Oe（1Oe=1cm-1/2·g1/2·s-1）；利用X 射線衍射儀（XRD）對(duì)Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒和被分散劑包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒進(jìn)行物相分析，在2θ=15°～85°范圍內(nèi)獲得衍射譜圖；利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）觀察被分散劑包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒微觀結(jié)構(gòu)與形貌，通過MAPPING觀察Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒表面分散劑元素的分布情況，通過EDS 測(cè)量Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的元素組成比例。

1.3.3 磁流體沉降穩(wěn)定性評(píng)定方法

取20mL 制備好的磁流體樣品注入帶有刻度的試管中，將試管口密封，在常溫下靜置14d，每隔48h 讀取上層清液的體積V，并計(jì)算沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù)。沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù)計(jì)算見式(1)，沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)系數(shù)K越大，植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體的穩(wěn)定性越好。

1.3.4 磁流體黏度特性實(shí)驗(yàn)方法

黏度是磁流體的重要性質(zhì)之一，在磁流體樣品制備完成之后，利用SNB-1 數(shù)顯黏度計(jì)測(cè)量磁流體樣品的黏度。之后對(duì)所測(cè)得的黏度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究不同因素對(duì)植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體黏度的影響。

1.3.5 磁流體磁黏特性實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)利用N52 釹鐵硼永磁體模擬勻強(qiáng)磁場(chǎng)，如圖2所示。將制備好的磁流體樣品置于兩永磁體中間，磁場(chǎng)強(qiáng)度通過改變兩永磁體之間的距離來(lái)調(diào)節(jié)。其中，兩永磁體之間的磁感應(yīng)強(qiáng)度采用特斯拉計(jì)測(cè)量。

圖2 模擬均勻磁場(chǎng)

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品表征

2.1.1 Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁性納米顆粒磁性能

磁流體的磁黏特性被普遍認(rèn)為是源于磁性顆粒在施加磁場(chǎng)后由無(wú)序排列到有序排列的一種轉(zhuǎn)變[26]。因此，磁性顆粒的磁性能成為影響磁流體磁黏特性的關(guān)鍵因素。利用VSM對(duì)Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的磁性能進(jìn)行測(cè)試，磁場(chǎng)測(cè)試范圍為-20000～+20000Oe（1Oe=1cm-1/2·g1/2·s-1）。測(cè)試所得的磁滯回線如圖3 所示。可以看出，Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的飽和磁化強(qiáng)度約為26A·m2/kg，飽和磁化強(qiáng)度適中，且磁滯回線光滑，閉合面積小，表明Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的矯頑力和剩余磁化強(qiáng)度均趨近于0。Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒還表現(xiàn)出超順磁性。

圖3 Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的磁滯回線

2.1.2 SEM分析

圖4為分散劑包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒SEM圖。由圖4 可以看出Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒呈球狀，且由于Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒體積小、表面能高，顆粒之間存在團(tuán)聚現(xiàn)象。圖5 為分散劑包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的MAPPING 圖。可以看出，在Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒表面存在C 元素，這表明Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒表面被分散劑丙酮包覆。H元素由于其質(zhì)量輕、原子量小，無(wú)法通過MAPPING 檢測(cè)出；而O 元素在Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒本身存在，故C 元素可作為評(píng)價(jià)Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒表面是否被分散劑包覆的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 分散劑包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒SEM圖

圖5 分散劑包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒MAPPING圖

2.1.3 XRD分析

圖6 為Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒XRD 圖。兩個(gè)樣品都出現(xiàn)了明顯的尖晶石鐵氧體相的特征峰?？梢钥闯觯稚┌驳腘i0.5Zn0.5Fe2O4出現(xiàn)的一系列衍射峰與Ni0.5Zn0.5Fe2O4譜圖相吻合。特征峰的位置在2θ=18.41°、30.09°、35.58°、43.22°、53.62°、57.11°、62.50°、74.03°處出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的晶面指數(shù)與Ni0.5Zn0.5Fe2O4圖 譜 中(111)、(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)、(533)一致。在被分散劑包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4譜圖中，其特征峰的位置沒有改變，但是強(qiáng)度下降，寬化明顯，衍射譜線發(fā)生了一定的變化（衍射譜線向上輕揚(yáng)）。這可表明分散劑在Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒表面形成了包覆[27]。

圖6 Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒XRD圖

2.1.4 EDS分析

圖7 為Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆 粒EDS 圖，表1 為Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒元素組成比例，1#1～1#5 為測(cè)試樣品中隨機(jī)選取的測(cè)試點(diǎn)。從表1 可以看到Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒中Fe、Ni、Zn三種金屬元素含量的平均占比分別為43.78%、12.95%、14.73%。

表1 Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒元素組成比例

圖7 Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒EDS圖

2.2 磁流體的沉降穩(wěn)定性

2.2.1 分散劑種類對(duì)磁流體沉降穩(wěn)定性的影響

分散劑吸附于顆粒表面可以在顆粒之間提供短距離的空間位阻和靜電斥力以達(dá)到防止顆粒團(tuán)聚的目的[28]。不同的分散劑對(duì)降低分散體系中顆粒團(tuán)聚的作用不同，若分散劑未對(duì)顆粒形成有效包覆，則顆粒間的斥力將難以克服范德華引力及重力等力的作用，從而顆粒之間將會(huì)產(chǎn)生吸附并發(fā)生沉淀。因此，分散劑的選擇與使用對(duì)植物油基磁流體的沉降穩(wěn)定性至關(guān)重要，它保證了磁流體在重力場(chǎng)下，顆粒不會(huì)發(fā)生沉淀或團(tuán)聚現(xiàn)象。此次實(shí)驗(yàn)分別用油酸、正丁醇、丙酮、聚乙二醇400、聚乙二醇600等5 種試劑作為分散劑制備植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體樣品并進(jìn)行對(duì)比，以不添加分散劑的磁流體樣品作為對(duì)照組，研究分散劑的種類對(duì)植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體沉降穩(wěn)定性的影響。設(shè)定所用分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為5%，Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒均為0.5g。將制備得到的磁流體樣品在室溫下靜置兩周，每隔兩天觀察每個(gè)樣品的沉降情況。不同種類的分散劑對(duì)植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體沉降穩(wěn)定性的影響評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，樣品2 即以丙酮為分散劑的磁流體樣品沉降穩(wěn)定性最好。根據(jù)各分散劑對(duì)磁流體沉降穩(wěn)定性影響的好壞依次排列：丙酮＞無(wú)分散劑＞正丁醇＞油酸＞聚乙二醇600＞聚乙二醇400。從表2 中還可以看到，不添加分散劑的磁流體的穩(wěn)定性僅次于添加丙酮的磁流體的穩(wěn)定性。這是因?yàn)橹参镉椭泻杏退?，大豆油中的油酸含量更是達(dá)到了20%以上。油酸的分子結(jié)構(gòu)中非極性鏈較長(zhǎng)，這種較長(zhǎng)的非極性鏈會(huì)產(chǎn)生空間穩(wěn)定效應(yīng)使磁性顆粒穩(wěn)定。油酸分子結(jié)構(gòu)中的—COOH 官能團(tuán)還可以與Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒表面的—OH官能團(tuán)結(jié)合，以此增強(qiáng)油酸分子與Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒之間的吸附力，這樣可以有效防止顆粒之間的團(tuán)聚。此外，油酸分子的中部還含有C= = C 雙鍵，該官能團(tuán)可以起到很好的空間位阻作用，從而提高磁流體的穩(wěn)定性[29]。加入丙酮后，由于物質(zhì)表面張力的大小主要取決于物質(zhì)自身和與之接觸的另一種物質(zhì)[30]，而丙酮的表面張力很低，因此被丙酮包覆的Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒表面張力將會(huì)變小。根據(jù)文獻(xiàn)[30]，表面張力是物質(zhì)表面的一種作用力，來(lái)源于物質(zhì)分子或原子間的范德華引力。因此，被丙酮包覆后的Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒之間的范德華引力也會(huì)變小，從而抑制了顆粒的團(tuán)聚，提高了磁流體的穩(wěn)定性。

表2 分散劑種類與磁流體沉降穩(wěn)定性的關(guān)系

2.2.2 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁流體沉降穩(wěn)定性的影響適當(dāng)?shù)姆稚┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于保持磁流體良好的穩(wěn)定性至關(guān)重要。根據(jù)2.2.1 節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，以丙酮為分散劑的植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體沉降穩(wěn)定性最好。因此，選用丙酮作為本次實(shí)驗(yàn)的分散劑。設(shè)定Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.48%，丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7%、8%、9%、10%、11%、12%。分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體沉降穩(wěn)定性的影響評(píng)價(jià)結(jié)果見表3。根據(jù)表3 可以看到，樣品5 即丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%時(shí)，植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體的沉降穩(wěn)定性最好。按照分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁流體沉降穩(wěn)定性影響的好壞依次為11%＞10%＞12%＞9%＞8%＞7%。可見，當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于11%時(shí)，磁流體的沉降穩(wěn)定性隨分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而越來(lái)越好。這是因?yàn)榉稚┑牧窟^小，無(wú)法完全包覆磁性顆粒，部分磁性顆粒之間會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象并形成較大團(tuán)聚體，從而降低了磁流體的沉降穩(wěn)定性。根據(jù)表3，當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到12%時(shí)，磁流體的沉降穩(wěn)定性變差。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過11%后，磁流體存在分散劑與Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒包覆結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和分散劑超過溶液飽和度的風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致磁流體的沉降穩(wěn)定性下降[15]。

表3 丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與磁流體沉降穩(wěn)定性的關(guān)系

2.2.3 Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁流體沉降穩(wěn)定性的影響

根據(jù)2.2.2 節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%時(shí)，磁流體的沉降穩(wěn)定性最好。因此，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)定丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%，Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.48%、0.96%、1.43%、1.9%、2.4%、2.82%。Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體沉降穩(wěn)定性的影響評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。由表4可知，樣品5即Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4%時(shí)，磁流體的沉降穩(wěn)定性最好。根據(jù)Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁流體沉降穩(wěn)定性影響的好壞依次排列：2.4%＞1.9%＞1.43%＞0.96%＞0.48%＞2.82%。整體來(lái)看，當(dāng)Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.4%時(shí)，磁流體的沉降穩(wěn)定性隨Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變大而逐漸變好。這是因?yàn)楫?dāng)Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒較少時(shí)，可以充分吸附丙酮到Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒表面，降低了顆粒的表面能，使顆粒不易發(fā)生團(tuán)聚，從而使磁流體的沉降穩(wěn)定性變好。當(dāng)Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.82%時(shí)，可以看到，磁流體的沉降穩(wěn)定性變得較差。這是由于分散劑此時(shí)吸附在Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒表面的量已經(jīng)達(dá)到飽和，其余顆粒表面沒有或很少吸附有分散劑，從而聚集成為較大的團(tuán)聚體，導(dǎo)致磁流體的沉降穩(wěn)定性變差。

表4 Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)與磁流體沉降穩(wěn)定性的關(guān)系

2.3 磁流體的黏度特性及磁黏特性

在植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體最佳配比的基礎(chǔ)上，采用單一變量法研究分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度、磁場(chǎng)等因素對(duì)磁流體黏度的影響。

2.3.1 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁流體黏度的影響

設(shè)定磁流體溶液的溫度為25℃，丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7%、8%、9%、10%、11%、12%、13%。

零磁場(chǎng)下分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體黏度的影響如圖8所示。結(jié)果顯示，磁流體黏度隨分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，在分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到11%時(shí)，磁流體黏度達(dá)到最大值。這是由于分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，磁流體的穩(wěn)定性逐漸變好，Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的分散度也隨之變好，基液與固相顆粒之間相互反復(fù)碰撞摩擦增強(qiáng)，從而使其黏度增加[31]。此外，當(dāng)分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于11%時(shí)，分散劑的量不足，影響到了磁流體內(nèi)部Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的彌散狀態(tài)，這會(huì)使部分磁性顆粒團(tuán)聚為較大的團(tuán)聚體，甚至形成某種網(wǎng)狀微結(jié)構(gòu)[32]，這些團(tuán)聚體或微結(jié)構(gòu)的形成增加了磁流體的運(yùn)動(dòng)阻力，從而使磁流體的黏度增大。當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于11%時(shí)，根據(jù)2.2.2節(jié)的沉降穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)可知，磁流體沉降穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的分散度變差，從而使磁流體的黏度減小。

圖8 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁流體黏度的影響

磁場(chǎng)下分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體黏度的影響如圖9所示，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0mT、30mT、40mT、50mT。根據(jù)圖9，在外加磁場(chǎng)的作用下，磁流體的黏度隨分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而穩(wěn)步上升，分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到11%時(shí)，黏度達(dá)到最大值，黏度變化趨勢(shì)表現(xiàn)出很強(qiáng)的線性關(guān)系，且相較于0mT下的黏度，30mT、40mT、50mT下的黏度增加量較大。這是因?yàn)榉稚┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)增大的同時(shí)，磁流體的穩(wěn)定性變好，Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的分散度也隨之變好，顆粒之間、顆粒與分散劑分子之間的相互作用不斷增強(qiáng)，從而使其黏度增大。而外加磁場(chǎng)更是增強(qiáng)了Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒之間的偶極相互作用，在磁流體內(nèi)部形成了鏈狀結(jié)構(gòu)，隨著Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒分散度逐漸改善，所形成的鏈狀結(jié)構(gòu)逐步向柱狀結(jié)構(gòu)甚至網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)演變，同時(shí)磁流體的流動(dòng)性降低，其狀態(tài)也從黏性流態(tài)向類固態(tài)轉(zhuǎn)變[33]，從而使磁流體黏度增大。當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于11%時(shí)，外加磁場(chǎng)下的磁流體黏度開始減小，這是磁流體沉降穩(wěn)定性下降所致。

圖9 分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁流體磁黏特性的影響

2.3.2 Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁流體黏度的影響

設(shè)定磁流體溶液的溫度為25℃，Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.48%、0.96%、1.43%、1.9%、2.4%、2.82%、3.27%。

零磁場(chǎng)下Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體黏度的影響如圖10 所示。從圖10中可以看出，Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，磁流體的黏度也隨之增大，當(dāng)Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4%時(shí)，其黏度達(dá)到最大值。這是基液中顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)以及這些顆粒與基液分子之間不斷的相互作用所致。顆粒增多之后，顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)增多，顆粒與基液分子間的相互作用增強(qiáng)，其黏度也因此而增大。此外，Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，顆粒在磁流體中易發(fā)生團(tuán)聚。這反過來(lái)又會(huì)導(dǎo)致磁流體內(nèi)部的剪切應(yīng)力增大，由于消散分散的固體成分需要更大的力，因此導(dǎo)致磁流體黏度增加[22]。當(dāng)Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.4%時(shí)，磁流體黏度開始減小。這是因?yàn)轭w粒增多到一定程度后，由于分散劑含量低，顆粒沒有被很好地包覆，以致顆粒團(tuán)聚在一起并發(fā)生沉淀，導(dǎo)致顆粒對(duì)黏度的影響減小，從而降低了磁流體的黏度。

圖10 Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁流體黏度的影響

當(dāng)Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.4%時(shí)，磁流體中有多余的丙酮，多余的丙酮雖然也會(huì)對(duì)磁流體的黏度造成一定影響，但影響很小。原因在于丙酮和植物油都是極性有機(jī)物，根據(jù)相似相溶原理，二者可以互溶，而丙酮黏度低，含量少，對(duì)磁流體黏度的影響很小。

磁場(chǎng)下Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體黏度的影響如圖11所示，磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0mT、30mT、40mT、50mT。由圖11可知，在外加磁場(chǎng)的作用下，磁流體的黏度隨Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，且相較于0mT下的黏度，其他3種磁場(chǎng)強(qiáng)度下的黏度增大了許多，當(dāng)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4%時(shí)，其黏度達(dá)到最大值。這是因?yàn)橥饧哟艌?chǎng)誘使磁性顆粒的磁矩變得有序，在磁流體中形成鏈狀、準(zhǔn)球形結(jié)構(gòu)甚至團(tuán)簇，且這些結(jié)構(gòu)或團(tuán)簇的形成取決于顆粒濃度、顆粒參數(shù)等因素[34]。因此，Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大之后，磁流體中所形成的鏈狀結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)球形結(jié)構(gòu)等會(huì)更加明顯[35]，這些結(jié)構(gòu)也會(huì)隨著Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增多或是演變?yōu)楦旅艿慕Y(jié)構(gòu)，磁流體的流動(dòng)阻力也會(huì)因這些結(jié)構(gòu)的形成與存在變得更大。因此，在外加磁場(chǎng)的作用下，Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大之后，磁流體的黏度也會(huì)隨之增大。當(dāng)Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.4%時(shí)，磁流體黏度變小，原因在于此時(shí)磁流體的沉降穩(wěn)定性隨顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而變差，從而導(dǎo)致磁流體黏度變小。

圖11 Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)磁流體磁黏特性的影響

2.3.3 溫度對(duì)磁流體黏度的影響

設(shè)定磁流體溶液的溫度范圍為20～80℃。

零磁場(chǎng)下植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體黏度隨溫度的變化如圖12 所示，根據(jù)黏溫特性曲線可以看出，溫度對(duì)磁流體黏度的影響較為明顯，溫度在20～50℃之間時(shí)其黏度隨溫度的升高而降低，且呈線性下降，表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性。磁流體的黏溫特性與顆粒之間和基液分子之間的黏附力減弱密切相關(guān)[22]。眾所周知，影響磁流體黏度的主要因素是分子間的相互作用力。隨著溫度的升高，基液分子和Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)加劇，運(yùn)動(dòng)的平均速度增大，與相鄰分子或顆粒之間的相互作用時(shí)間變短，Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒之間、基液分子之間以及顆粒與基液分子之間的相互作用力降低，對(duì)磁流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的阻礙強(qiáng)度減弱，使磁流體黏度宏觀上表現(xiàn)為隨溫度的升高而變小[36]。當(dāng)溫度大于50℃時(shí)，磁流體黏度變化趨緩。這是因?yàn)闇囟壬叩揭欢ǔ潭群?，Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)加劇，分子間的碰撞強(qiáng)度增大，擾亂了磁流體的流動(dòng)趨勢(shì)，使磁流體流動(dòng)阻力增大，這與基液黏度的降低相抵消，從而導(dǎo)致磁流體黏度變化趨緩[37]。

圖12 溫度對(duì)磁流體黏度的影響

磁場(chǎng)下植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體黏度隨溫度的變化情況如圖13所示，設(shè)定磁場(chǎng)強(qiáng)度為0mT、30mT、40mT、50mT。根據(jù)圖13，在外加磁場(chǎng)的作用下，磁流體黏度隨溫度的升高而降低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于磁場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，由于熱相互作用對(duì)單個(gè)磁性顆粒引起的磁黏特性起決定性作用，黏度變化曲線隨溫度的增加呈單調(diào)遞減的趨勢(shì)[38]。此外，在外加磁場(chǎng)的作用下，磁流體中會(huì)形成鏈狀結(jié)構(gòu)[39]。根據(jù)文獻(xiàn)[38]，隨著溫度的升高，在較高的布朗熱能下，鏈狀結(jié)構(gòu)中的磁性顆粒有逃逸的趨勢(shì)；而又根據(jù)文獻(xiàn)[40]，溫度的降低可使磁流體中的鏈狀結(jié)構(gòu)變長(zhǎng)。那么可以推測(cè)隨著溫度的升高，鏈狀結(jié)構(gòu)將會(huì)變短甚至被分解以至于變少?gòu)亩档痛帕黧w的流動(dòng)阻力，使磁流體黏度變小。由圖13可知，盡管外加磁場(chǎng)作用下的磁流體黏度增加很多，但其隨溫度的變化趨勢(shì)相較于0mT 下的黏度變化趨勢(shì)并無(wú)太大差別。這主要是基液分子間的熱相互作用起到了很大作用。磁性顆?？梢员淮艌?chǎng)磁化，但基液無(wú)法被磁化，溫度升高，基液分子的布朗運(yùn)動(dòng)加劇，基液分子間的相互作用力減弱，從而導(dǎo)致基液黏度變小，進(jìn)而影響到磁流體的黏度。因此，基液分子間的熱相互作用也是影響磁流體磁黏特性的重要因素。從圖13 還可以看出，溫度達(dá)到60℃時(shí)，磁流體黏度變化趨緩。這是因?yàn)闇囟壬叩揭欢ǔ潭群?，磁流體中鏈狀結(jié)構(gòu)遭到破壞，磁性顆粒增多，顆粒的無(wú)序運(yùn)動(dòng)增多，擾亂了磁流體的流動(dòng)趨勢(shì)，使磁流體流動(dòng)阻力增大從而與基液黏度相抵消所致[37-38]。這也說明溫度升高到一定程度后，磁場(chǎng)對(duì)磁流體黏度的影響會(huì)遭到削弱。

圖13 溫度對(duì)磁流體磁黏特性的影響

2.3.4 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁流體黏度的影響

在外加磁場(chǎng)的作用下，磁性顆粒之間的偶極相互作用上升，形成鏈狀結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)外部磁場(chǎng)，磁流體黏度會(huì)發(fā)生快速且可逆的變化，呈現(xiàn)出典型的磁流變效應(yīng)[41]。圖14 為磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體黏度的影響，設(shè)定外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為10mT、20mT、30mT、40mT、50mT、60mT，磁流體溶液的溫度為20℃、25℃、30℃。由圖14 可以看出，磁流體黏度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，表現(xiàn)出非牛頓流體的特性。原因在于施加磁場(chǎng)后，由于布朗運(yùn)動(dòng)和N’eel運(yùn)動(dòng)，使磁性顆粒沿磁場(chǎng)方向排列，顆粒間的相互作用形成隨磁場(chǎng)而伸長(zhǎng)的單鏈結(jié)構(gòu)。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定的閾值時(shí)，顆粒間的相互作用和排列增強(qiáng)，單鏈結(jié)構(gòu)會(huì)聚集成較厚的柱狀結(jié)構(gòu)（直徑可達(dá)100nm～1μm）[38]。這些結(jié)構(gòu)的形成會(huì)增強(qiáng)磁流體的流動(dòng)阻力，從而使磁流體的黏度增大。此外，磁性顆粒在磁場(chǎng)作用下排列成鏈狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁性相互作用，這種強(qiáng)相互作用的磁性顆粒還可形成滴狀結(jié)構(gòu)，而這種滴狀結(jié)構(gòu)的形成會(huì)使磁流體的黏度顯著增加（超過一個(gè)數(shù)量級(jí)）[40]。在外加磁場(chǎng)的作用下，除了會(huì)形成微觀結(jié)構(gòu)而影響磁流體黏度外，磁性顆粒還會(huì)受到磁力矩的作用，旋轉(zhuǎn)受到約束。當(dāng)基液有渦旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁性顆粒相對(duì)基液就會(huì)有一定速度的滯后，而這種滯后將會(huì)產(chǎn)生作用于磁性顆粒上的黏性力矩。由于黏性力矩的作用，磁性顆粒的磁矩方向?qū)?huì)偏離外部磁場(chǎng)的方向，進(jìn)而磁場(chǎng)對(duì)磁性顆粒作用的磁力矩將會(huì)增大，當(dāng)兩種力矩處于平衡狀態(tài)時(shí)，即穩(wěn)態(tài)下，外加磁場(chǎng)對(duì)磁流體黏度的影響在宏觀上表現(xiàn)為黏度增大[32]。

圖14 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)磁流體磁黏特性的影響

根據(jù)圖14，磁場(chǎng)強(qiáng)度≤30mT 時(shí)，磁流體的黏度變化較大，超過40mT 時(shí)，黏度變化趨緩，這在20℃時(shí)表現(xiàn)得尤為明顯。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因在于磁場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)，磁性顆?；蚱鋱F(tuán)聚體互不相關(guān)、相互獨(dú)立地沿磁場(chǎng)方向取向，彌散在基液中的懸浮磁性顆粒的遷移和轉(zhuǎn)動(dòng)受到熱波動(dòng)的影響，是自由相，此時(shí)磁流體黏度較小，這一點(diǎn)在30mT 以下時(shí)表現(xiàn)得較為明顯；在磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，磁性顆粒在磁場(chǎng)的作用下沿磁場(chǎng)方向有序排列，形成互不相關(guān)的細(xì)線狀物也就是初始的鏈狀結(jié)構(gòu)，變成有序相，這一變化在20℃時(shí)的30～40mT之間及25℃時(shí)的20～30mT 之間的黏度變化表現(xiàn)得比較明顯；而隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增大，有序相以長(zhǎng)鏈為核心，吸收短鏈，使鏈狀結(jié)構(gòu)變粗，形成固態(tài)相或類固態(tài)相[42]，即磁場(chǎng)強(qiáng)度大于40mT 時(shí)，此時(shí)磁流體黏度因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)的存在與增強(qiáng)就會(huì)變得很大。同時(shí)由圖14 還可以看到，隨著溫度的升高，磁流體黏度變化的規(guī)律性愈發(fā)明顯并趨于平穩(wěn)，這說明基液分子間的熱相互作用與磁流體的磁黏特性密切相關(guān)。

3 結(jié)論

（1）以丙酮為分散劑，可降低Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒的表面能，減小磁性顆粒間的范德華引力，抑制Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒團(tuán)聚，丙酮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%、Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4% 時(shí)，植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體的沉降穩(wěn)定性最佳。

（2）植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體黏度隨溫度的升高而降低，溫度超過50℃時(shí)，黏度變化趨緩；黏度隨分散劑和Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大，分別在分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%、顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)達(dá)到最大值。溫度、分散劑和Ni0.5Zn0.5Fe2O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要是影響基液分子之間、基液分子和顆粒之間及顆粒之間的布朗運(yùn)動(dòng)及其相互作用力，從而影響磁流體的黏度。同時(shí)，分散劑和Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒含量的大小還會(huì)影響磁流體中微結(jié)構(gòu)的形成，如團(tuán)聚體、網(wǎng)狀微結(jié)構(gòu)等，從而使磁流體的黏度增大。當(dāng)分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于11%，顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.4%時(shí)，磁流體的黏度減小，這是磁流體沉降穩(wěn)定性下降所致。

（3）在外加磁場(chǎng)的作用下，植物油基Ni0.5Zn0.5Fe2O4磁流體黏度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，超過40mT時(shí)，黏度變化趨緩，呈線性緩慢增加；磁場(chǎng)作用下的磁流體中會(huì)形成鏈狀、柱狀甚至滴狀等微結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了磁流體的運(yùn)動(dòng)阻力，從而使黏度增大。磁場(chǎng)強(qiáng)度、分散劑和Ni0.5Zn0.5Fe2O4顆粒含量的增大會(huì)增強(qiáng)磁流體中所形成的鏈狀、柱狀等微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磁流體運(yùn)動(dòng)阻力增大，從而使磁流體的黏度增大，呈非牛頓流體特性。溫度的升高除了使磁流體中鏈狀結(jié)構(gòu)變短甚至減少而影響到黏度外，還會(huì)使基液黏度降低進(jìn)而影響磁流體的黏度。