磁流变液的流变特性分析和实验验证

(青岛黄海学院，山东 青岛 266427)

1 前 言

磁流变液是由铁磁性颗粒、非导磁性载液和添加剂三个部分组成的悬浮液。无磁场作用下，铁磁性颗粒随机分散在非导磁性载液中，在磁场作用下，这些铁磁性颗粒相互吸引，沿磁场方向排成链状结构，从而产生了抵抗剪切应力的作用，外观表现为类固态。磁流变液的抗剪能力随磁场变化而变化，当移去磁场之后，磁流变液又立即恢复到自由流动状态[1-2]。磁流变效应的响应时间很短，一般为毫秒级，并且固液态之间的转化具有可逆性。因此磁流变液作为一种智能材料，具有变化迅速、连续、高效率、安全可靠等优点。相对其他器件，磁流变液器件具有以下优点：控制和调节具有连续变化的性能，可以实行精确的实时控制；具有结构简单，工作柔和、噪音低，响应速度快等特点[3]。利用磁流变效应开发的新产品与已有的产品相比，在性能、制造、使用以及价格上有明显的优势和市场竞争力，己被应用于航空、航天、机械、汽车、精密加工、控制等领域[4]。随着研究的深入，磁流变液将会展现出广阔的应用前景。

对磁流变液这类流体，一般采用Bingham模型、Casson模型及Herschel-Bulkley模型来描述其流变行为[5]。Herschel-Bulkley模型为三变量模型，计算比较复杂，而Bingham模型和Casson模型计算精度高且计算简单，现阶段多使用这两种模型来模拟磁流变液的流变行为[6]。Bossis等[7]对磁流变液的屈服应力进行了研究，发现屈服应力和磁场之间存在依赖关系；Alghamdi等[8]对磁流变液在传动技术中的应用进行了分析。赵春伟等[9]对磁流变液微结构进行了实验观测，分析了磁场作用下磁流变液微结构的形成与演化。本实验研究一种磁流变液在磁场作用下的流变行为，分别运用Bingham模型和Casson模型来拟合磁场作用下磁流变液剪切应力和剪切速率之间的关系，分析磁场作用下磁流变液剪切应力的变化。

2 磁流变液的本构模型

Bingham模型可表示为：

(1)

Casson模型可表示为：

(2)

3 磁流变液的制备和实验

3.1 磁流变液的制备

磁流变液的制备材料，使用最多的磁性颗粒是羰基铁粉，因为它是工业化的产品，产量大，价格便宜，具有较高的磁导率和低的磁矫顽力，它的磁饱和度约为2.1T，且具有优良的软磁性能。磁流变液的载液应具有如下特点：高沸点、低凝固点、化学稳定性好、无毒、无异味、价格低廉等。目前非磁性载液主要有硅油、矿物油、合成油、水和乙二醇等，本实验中运用二甲基硅油作为载液。

制备羰基铁粉体积分数为10%的磁流变液，按计算的配比称取羰基铁粉、基液和硬脂酸，羰基铁粉的平均粒径为3.3μm，基液采用二甲基硅油，其粘度为25cst，表面活性剂采用硬脂酸，硬脂酸的质量分数为羰基铁粉的2%。将羰基铁粉和硬脂酸混合置入不锈钢容器内，用搅拌器高速搅拌数小时，取出处理后的混合物在真空干燥箱中干燥，使磁性颗粒表面净化，然后将预处理干燥后的悬浮相粉体与二甲基硅油在不锈钢磨罐中混合，经高速研磨分散，即得到磁流变液。

3.2 实 验

本实验所使用的测试仪器为安东帕Physica MCR 301平板测试流变仪。实验测试时，将磁流变液放入流变仪上、下平板之间，在无磁场的条件下以50s-1的剪切速率剪切150s，以保证磁流变液良好的分散性。然后在不同条件下测量磁流变液的剪切应力。

设置电流分别为1、2、3及4A，根据仪器手册数据，上述电流分别对应磁场的磁感应强度为0.23、0.44、0.65和0.86T，设置剪切速率在0～1000s-1范围内变化，温度为25℃，剪切时间为10s，每0.1s取样一次，测量磁流变液剪切应力和表观粘度的变化。设置剪切速率为300s-1，磁场在0～0.5T范围内变化，温度为25℃，剪切时间为10s，每0.1s取样一次，测量磁流变液剪切应力的变化。

4 实验结果与分析

外加磁场时，磁流变液的剪切应力与剪切速率的关系如图1所示。由图可见：恒定磁场作用下，随着剪切速率的增加，剪切应力先略下降后逐渐增大并趋于稳定;外加磁场越强，剪切应力最初下降越明显。在同一剪切速率下，随着外加磁场的增强，剪切应力显著增大，范围为1.08～12kPa。磁流变液的表观粘度与剪切速率的关系如图2所示。从图2可见：恒定磁场作用下，随着剪切速率的增加，表观粘度显著减小；在同一剪切速率下，随着外加磁场的增大，表观粘度增大，范围为2.5Pa·s～28.7kPa·s。

图1 剪切应力与剪切速率的关系Fig.1 Dependence of shear stress on shear rate

图2 表观粘度与剪切速率的关系Fig.2 Dependence of apparent viscosity on shear rate

4.1 运用Bingham模型进行拟合

采用Bingham模型对磁流变液的流变行为进行拟合,拟合计算结果如图3和表1所示，由图3和表1可见，磁流变液剪切应力和剪切速率有良好的线性关系，当外加磁场从0.23T增大到0.86T，采用Bingham模型拟合计算的剪切应力从1369Pa增大到8825Pa，即磁场增高了274%，剪切屈服应力增大了545%。

图3 采用Bingham模型对磁流变液剪切应力拟合结果Fig.3 Fitting of the shear stress of MRFs using Bingham model

B/TFittingequationR2τy/Paη/Pa·s023y=115x+136909911369115044y=241x+370309803703241065y=273x+649109766491273086y=279x+8825099588252790

4.2 运用Casson模型进行拟合

采用Casson模型对磁流变液的流变行为进行拟合计算，如图4所示，拟合计算结果如表2所示，由图4和表2可见，磁流变液剪切应力和剪切速率有良好的线性关系，磁场从0.23T增大到0.86T，采用Casson模型拟合计算的剪切屈服应力从1043Pa增大7624Pa，增高了274%，剪切屈服应力增大了631%。由此可以得出，磁流变液剪切应力采用两个模型拟合所得结果均具有较好的线性相关性，采用Bingham模型拟合所得剪切屈服应力数值略高一些。

图4 采用Casson模型对磁流变液剪切应力拟合Fig.4 Fitting of the shear stress of MRFs using using Casson model

B/TFittingequationR2τy/Paη/Pa·s023y=055x+32309971043030044y=060x+55509923080036065y=064x+7509855625041086y=065x+87409927627042

在外加磁场作用下，磁流变液中的铁磁性颗粒排列成链状结构，当磁流变液开始剪切时，平板之间的颗粒链突然被破坏，不能及时恢复，宏观表现为剪切应力下降。随着剪切速率的增大，磁场作用下新的颗粒链形成，剪切应力逐渐增加，表观粘度下降。当剪切速率增加到一定程度时，颗粒链的断裂和形成会达到平衡，剪切应力达到一个稳定值。并且外加磁场越强，磁流变液中的颗粒链之间相互作用力越强，宏观表现为剪切应力越大。由此可以得出，剪切速率增加时，剪切应力增大并趋于稳定值，剪切应力存在剪切稀化现象。

图5 剪切应力和磁场的关系Fig.5 Dependence of shear stress on magnetic field

磁流变液的剪切应力和外加磁场的关系如图5所示，由图可见：随着外加磁场增强，剪切应力显著增大，其范围为200Pa～11kPa。当磁场较小时，磁流变液内的铁磁性颗粒远未达到磁化饱和，在磁场作用下，颗粒相互作用，形成链柱结构，宏观表现为剪切应力快速增大。随着磁场的增大，磁流变液内的铁磁性颗粒局部磁化饱和，剪切应力增加趋于平稳，宏观表现为剪切应力呈现近似线性增长。可以预测，如果磁场继续增大，颗粒接近完全磁化饱和时，剪切应力变化很小，待颗粒完全磁化饱和后，剪切应力达到稳定值。由此可以得出，随着外加磁场的增强，磁流变液的剪切应力显著增加。

5 结 论

外加磁场作用下，磁流变液的剪切应力和表观粘度显著增大，剪切应力变化范围为1.08～12kPa，表观粘度变化范围为2.5Pa·s～28.7kPa·s。磁场恒定时，随着剪切速率的增加，剪切应力增大并趋于稳定值，存在剪切稀化现象。采用Bingham和Casson模型拟合计算的剪切屈服应力为1043～8825Pa。随着外加磁场的增强，磁流变液的剪切应力显著增加，其变化范围为200Pa～11kPa。

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