不同体积分数羰基铁粉对磁流变液性能的影响

张华辉, 罗明强, 李东辉, 种永芳, 部德才

(大连大学 物理科学与技术学院, 辽宁 大连　116622)



不同体积分数羰基铁粉对磁流变液性能的影响

张华辉, 罗明强, 李东辉, 种永芳, 部德才

(大连大学 物理科学与技术学院, 辽宁 大连116622)

以羰基铁粉为磁性颗粒,二甲基硅油为载液,十二烷基硫酸钠为表面活性剂,纳米SiO2和聚乙烯吡咯烷酮为添加剂,通过搅拌分散的方法制备出4份不同体积分数的羰基铁粉的磁流变液。通过自然沉降观测法和MCR-301模块化智能型流变仪检测磁流变液的沉降稳定性、零场黏度和磁流变性能。结果表明:铁粉体积分数为35%的磁流变液具有最低的沉降率、为8.6%,有最大的剪切应力、为31.33 kPa,但零场黏度也相对较大、为4.4 Pa·s,静置2个月后没有板结；而铁粉体积分数为20%的磁流变液具有最高的沉降率、为17.7%,最低的零场黏度、为0.8P a·s,最小的剪切应力、为7.48 kPa,静置2个月后轻微板结,轻微搅拌后又重新分散于载液中。在工程应用方面,铁粉体积分数较大的磁流变液使用效果相对较好。

磁流变液； 羰基铁粉； 沉降率； 零场黏度； 流变性能

磁流变液( magneto-rheological fluid,MRF) 是一种由微米级磁性颗粒分散在载液中并加入不同种类的添加剂后形成的稳定悬浮体系。其结构组成见图1,主要由载液(连续相)、磁性颗粒(分散相)和添加剂等组成,属于一种软磁智能材料。同属于软磁智能材料的纳米磁性液体与其具有相似的结构组成,但与其有本质的区别,纳米磁性液体的磁性颗粒是纳米级颗粒[1],而磁流变液的磁性颗粒是微米级颗粒。当对磁流变液施加磁场时,磁流变液中所有的磁性颗粒会排列成链状,导致流体的黏度增大,从液体转变为类固体；撤销外加磁场后,磁性颗粒又恢复到原来无序状态,最终恢复到液体状态[2],这一过程的响应时间在毫秒量级内。在此过程中,其各方面性能都发生显著变化(如流变学、光学和磁学等)。随着外加磁场强度逐渐增加,其剪切屈服应力也随之增加[3]。利用磁流变液剪切屈服应力的可调性,可制造各种智能器件，应用于汽车工程[4]、抗震减振[5]、轻轨制动[6]、建筑工程[7]、生物医学[8]等,磁流变液被认为是最具前途的智能材料之一[9]。

图1　磁流变液的结构组成

本文以羰基铁粉为分散相的磁性颗粒、二甲基硅油为连续相的载液、十二烷基硫酸钠为表面活性剂、纳米SiO2和聚乙烯吡咯烷酮为添加剂,采用搅拌分散方法制备不同体积分数羰基铁粉的磁流变液,探究铁粉体积分数对磁流变液性能的影响。

1　实验

1.1实验原材料

使用平均粒径约为3.24 μm、纯度约为97.8%的羰基铁粉作为分散相的磁性颗粒(陕西兴化化学股份有限公司生产)；运动黏度为500 mm2/s的二甲基硅油作为连续相的载液(天津博迪化工股份有限公司生产)；十二烷基硫酸钠作为表面活性剂；聚乙烯吡咯烷酮和纳米SiO2(平均粒径20 nm,纯度99.5%)作为添加剂,制备铁粉体积分数依次为20%、25%、30%、35%,载液体积分数依次为75%、70%、65%、60%,添加剂体积分数均为5%的磁流变液，依次记为MRF1(20%Fe)、MRF2(25%Fe)、MRF3(30%Fe)和MRF4(35%Fe)。

1.2制备工艺及实验样品

制备工艺流程如图2所示,磁流变液的制备大致要经历4个过程。具体制备过程如下:

(1) 将表面活性剂溶于无水乙醇中,继而将铁粉与之混合,搅拌6.5 h(220 r/min)后双频超声分散25 min(频A 23.13 kHz,频B 20 kHz),然后真空恒温干燥3.5 h(0.1 MPa,70 ℃)后,得到块状物品甲；

(2) 将物品甲充分研磨并过200目筛得到粉末乙(经表面改性后的羰基铁粉)；

(3) 将粉末乙与二甲基硅油混合,并加入纳米SiO2和聚乙烯吡咯烷酮作为添加剂,得到混合物丙；

(4) 对混合物丙双频超声分散25 min(频A为23.13 kHz,频B为20 kHz),搅拌12 h(220 r/min)后得到图3所示的磁流变液样品。

图2　磁流变液制备工艺流程

图3　磁流变液样品图

1.3检测方法

1.3.1沉降稳定性

采用自然沉降观测法检测磁流变液的沉降稳定性[10]。首先从4份样品中各取5 mL液体置于4只带有刻度的量筒中,做上标记并置于水平工作平台上,每隔24 h观察1次沉降情况,并测量上层清液高度(用量筒刻度对应体积表示)H1占总高度(H=5 mL)的比例,用沉降率W表示样品的沉降稳定性。

1.3.2零场黏度与磁流变性能

使用Anton Paar公司生产的MCR-301模块化智能型高级流变仪测量磁流变液样品的零场黏度和磁流变性能。

2　检测结果与讨论

2.1沉降稳定性

采用自然沉降观测法检测磁流变液的沉降稳定性的检测结果见图4。

图4　磁流变液沉降率w与时间t的关系曲线

由图4可知： MRF1(20%Fe)在静置2天内沉降率变化缓慢,第2天到第5天沉降速率较大并在第5天以后趋于稳定,此时沉降率约为17.7%；MRF2(25%Fe)在静置5天内变化较缓慢,第5天到第10天沉降速率较大并在第10天以后趋于稳定,此时沉降率约为14.3%；MRF3(30%Fe)和MRF4(35%Fe)在静置10天内变化缓慢,分别在第10天到第13天和第10天到第17天沉降速率较大,并在第13天和第17天以后趋于稳定,此时二者沉降率分别约为11.4%和8.6%。4份样品放置2个月后,沉降率无变化,MRF1(20%Fe)有轻微板结,另外3份没有板结。发生沉降的根本原因是羰基铁粉密度[11](约7.87 g/cm3)约为所使用二甲基硅油密度(约0.965～0.975 g/cm3)的8倍。分析认为：

(1) 随着铁粉体积分数增大,载液体积分数就相应减小,可供分离的载液量相应减小,用分离载液的百分含量得出的沉降率和沉降速率相应减小；

(2) 铁粉体积分数增大,羰基铁粒子表面吸附载液量也增大,从而减少了可供分离的载液量；

(3) 随着铁粉体积分数的增大,羰基铁粒子的沉降过程不仅受重力和载液浮力的作用,还受到相邻粒子间的扰动和下层粒子的阻碍,使得沉降速率变慢。

由实验数据可知,铁粉体积分数越小,沉降速率就越少,因此在静置同样时间后其沉降率越大,达到完全沉淀的时间就越少,能稳定存放的时间越短。从沉降率变化趋势和达到完全沉淀所用时间可知,在这4份样品中,随着铁粉体积分数增大,磁流变液的沉降稳定性提高。其中,铁粉体积分数为35%的磁流变液沉降率最小,沉降稳定性比另外3份样品都好。使用这种沉降稳定性较好的磁流变液制备的控制器件将有更长的使用寿命,服役期更长。

2.2零场黏度

使用Anton Paar MCR-301流变仪测得的磁流变液零场黏度η与流变仪转速n的关系曲线见图5。

图5　磁流变液零场黏度η与流变仪剪切速率n的关系曲线

分别用η1、η2、η3、η4表示MRF1(20%Fe)、MRF2(25%Fe)、MRF3(25%Fe)、MRF4(30%Fe)的零场黏度。由图5可知：测得4份样品的零场黏度大小顺序是η4>η3>η2>η1,η4明显大于其他3份样品的零场黏度值；当剪切速率小于20/s时,η4>8.2 Pa·s,η3>3.8 Pa·s,η2>2.2 Pa·s,η1>2.0 Pa·s；当转速大于40/s时,η4<6.0 Pa·s,η3<3.0Pa·s,η2<1.8Pa·s,η1<1.7Pa·s。分析认为：

(1) 在所测剪切速率范围内,随着铁粉体积分数增大,磁流变液的零场黏度相应提高；

(2) 4份磁流变液都变现出剪切稀化现象,零场黏度随剪切速率增大而大幅下降。因此可知,在零剪切速率下,高浓度的磁流变液有更高的零场黏度,这有利于提高磁流变液的沉降稳定性；

(3) 在低剪切速率下(n<20/s),零场黏度对铁粉体积分数很敏感,当n=10/s时,η4=12.0 Pa·s,η3=5.0 Pa·s,然而这2份磁流变液铁粉体积分数的差别仅为5%,这表明当铁粉体积分数大于30%之后,铁粉的百分含量对零场黏度的影响效果显著增大。随着剪切速率的提高,铁粉体积分数对零场黏度的影响作用变小,当n>40/s后,4份样品的零场黏度差值明显变小且趋于稳定。

2.3磁流变性能

使用Anton Paar MCR-301流变仪对磁流变液进行磁流变性能检测,检测结果见图6测得的磁流变液剪切应力与磁场强度的关系曲线。

图6　磁流变液剪切应力与磁场强度的关系曲线

图7　磁流变液剪切应力与剪切速率的关系曲线

分别用τ1、τ2、τ3、τ4表示MRF1(20%Fe)、MRF2(25%Fe)、MRF3(30%Fe)、MRF4(35%Fe)的剪切应力。由图6知:随着磁场强度H增加,τ1和τ2数值几乎处处相等,它们与τ3、τ4之间的差值随着H增大而增大；随着H增加,4份样品的剪切应力相应增大,并且高浓度磁流变液的剪切应力增加速率要比低浓度磁流变液增加速率更快；当H<186 kA/m时，磁场强度H对剪切应力的影响效果显著,但当H=186 kA/m后,继续增大H,磁场强度对剪切应力的影响效果减弱,剪切应力几乎不再随磁场强度增大而增大。

测得的磁流变液剪切应力与剪切速率的关系曲线见图7。由图7可知:

(1) 在所测磁场强度下,随着剪切速率的增大,磁流变液的剪切应力也相应增大,但高浓度磁流变液的剪切应力增大速率要比低浓度磁流变液增大速率更快；

(2) 当磁场强度逐渐增大时,随着剪切速率的增大,高浓度磁流变液的剪切应力总是大于低浓度磁流变液的剪切应力,尤其当铁粉体积分数大于30%之后,磁流变液的剪切应力大幅度增大,但当铁粉体积分数小于25%,其对剪切应力的影响效果甚微；

(3) 由图7(b)(H=186 kA/m)可知,当n=100/s时,样品MRF1(20%Fe)、MRF2(25%Fe)、MRF3(30%Fe)和MRF4(35%Fe)的剪切应力都达到最大值,分别是6.954 、 7.124、14.3、26.18 kPa；由图7(c)(H=250 kA/m)可知,当n=100/s时,剪切应力最大值分别是7.482、8.137、15.57、31.33 kPa。对比数据可知,当磁场强度大于186 kA/m后,随着磁场强度增大,磁流变液剪切应力的增大程度减小,磁场强度对剪切应力的影响效果减弱。由于测量仪器所能施加的磁场强度最高只能加载到250 kA/m,因此H>250kA/m后的数值无法测量,但由曲线趋势看出,MRF4(35%Fe)的剪切应力在H=250 kA/m之后仍在增大。

3　结论

(1) 增大羰基铁粉体积分数,会增大磁流变液的零场黏度、降低沉降率,从而提高其沉降稳定性。

(2) 在固定磁场强度的情况下,随着剪切速率的增大,高浓度磁流变液的剪切应力总是大于低浓度磁流变液的剪切应力。

(3) 在固定剪切速率的情况下,随着磁场强度的增大,高浓度磁流变液的剪切应力也总是大于低浓度磁流变液的剪切应力。

(4) 根据不同用途可以选择不同组分的磁流变液,其中铁粉体积分数为35%的磁流变液具有更高的稳定性,更大的剪切应力,可以很好地应用于磁流变阻尼器件[12]、减振器件等。

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Effect of different volume fraction of carbonyl-iron-powder on properties of magneto-rheological fluid

Zhang Huahui, Luo Mingqiang, Li Donghui, Zhong Yongfang, Bu Decai

(College of Physical Science and Technology, Dalian University, Dalian 116622, China)

Taking carboxyl iron powders as magnetic particles, dimethyl silicon oil as carrier fluid and dodecyl-Na2SO4as surfactant, the nano-SiO2and polyvinylpyrrolidone as additive, the four magneto-rheological fluids with different volume fraction of carboxyl iron powders were preparaed by the stir dispersion method. The sedimentation stability, zero-field viscosity and rheological properties of the four magneto-rheological fluids were tested and analyzed by the natural observation method and MCR-301 rotational rheometer. The results indicate that MR fluid which volume fraction of iron powder is 35% has the lowest sedimentation ratio which is 8.6%, and has the largest shear stress which is 31.33 kPa, but its zero-field viscosity is much larger than others, which is 4.4 Pa·s. And it won’t appears harden phenomenon after 2 months’ standing. However, MR fluid which volume fraction of iron powder is 20% has the highest sedimentation ratio which is 17.7%, it has the minimal zero-field viscosity which is 0.8 Pa·s and the minimal shear stress which is 7.48 kPa. It will be slightly hardened after 2 months’ standing. And it can be re-dispersed in carrier fluid by gentle stir. In the field of engineering, the usage results of MR fluid with larger volume fraction of iron powder will be better.

magneto-rheological fluid; carbonyl-iron-powder; sedimentation ratio; zero-field viscosity; rheological property

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.04.018

2015- 10- 29

国家自然科学基金资助项目(51077006)；辽宁省大学生创新训练项目(201511258028)；大连大学教改项目(2013G3-139)；大连大学大学生创新创业训练计划重点项目(2014093)

张华辉(1995—)，男，河南信阳，本科生

E-mail：13052756016@wo.cn

部德才(1972—)，男，黑龙江宁安，在职博士研究生，讲师，主要从事等离子体技术制备纳米功能材料.

E-mail：caizi1108@163.com

O361.3

A

1002-4956(2016)4- 0061- 04