一种低密度高稳定性磁流变液制备与性能分析

侯中福

摘  要：本次研究，在传统磁流变液中加入带有磁性的纳米级铁磁矿颗粒和不带磁性的纳米级二氧化硅颗粒作为新配方并进行实验，结果显示，与传统的未加入纳米铁磁颗粒的磁流变液相比，新型磁流变液其流变性能有了明显的提高。另一方面，加入了纳米级别的触变剂之后磁流变液的沉淀率也同时有了显著的降低。同时，在所有合成的磁流变液样品中都观察到了剪切变稀现象。

关键词：磁流变液;组成;纳米颗粒;二氧化硅;磁铁矿

中图分类号：TB34         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）27-0051-02

Abstract： In this study， magnetic nano-sized ferromagnetic particles and non-magnetic nano-sized silica particles were added to the traditional magnetorheological fluid as new formulations and experiments were carried out. Compared with the traditional magnetorheological fluid without nano-ferromagnetic particles， the rheological properties of the new magnetorheological fluid have been improved obviously. On the other hand， the sedimentation rate of magnetorheological fluid decreased significantly after the addition of nano-scale thixotropic agent. At the same time， shear thinning was observed in all synthetic magnetorheological fluid samples.

Keywords： magnetorheological fluid; composition; nanoparticles; silica; magnetite

引言

磁流变液是智能工程材料中较为活跃的一支，在汽车，机械，建筑，医疗，航空等各领域有非常广泛的应用前景[1]。在无磁场作用的情况下磁流变液保持其原有的流动状态。但是当有外加磁场加入后，磁流变液将会以毫秒级别的响应速度迅速凝固并可控的改变其流变性能。在这个过程中磁流变液的屈服应力，剪切粘度，储存模量等参数都会发生显著的改变[2]。因此，磁流变液在工程领域应用方面吸引了相当多的关注，例如磁流變制动器，磁流变减振器以及磁流变抛光装置等[1]。

磁流变液是一种两相流体，传统的磁流变液通常是由三种主要成分所组成：载液，磁性颗粒和触变剂。本研究在传统的磁流变液基础上进行改进，在传统磁性颗粒微米级羰基铁粉中加入纳米级铁磁矿颗粒改变其组分。触变剂选用实验室自制的稻壳基纳米级二氧化硅。结果表明，添加了纳米级铁磁矿后的磁流变液其流变性能增加了数倍。添加了自制的纳米级不可磁化二氧化硅颗粒之后磁流变液的稳定性得到了显著的提高。

1 所选材料和制备方法

1.1 触变剂的制备

准确称取一定质量稻壳，用去离子水反复水洗并干燥后放入到烧瓶中。按照固液比1：6，浓度4%加入稀硫酸溶液，用冷凝回流的办法在130℃，5h的条件下常压加热回流，过滤，洗中性，沉淀得到残渣Ⅰ。将残渣Ⅰ准确称量后与体积分数65%浓度的乙醇溶液按照1：10的比例加入到反应釜中，拧紧釜盖，放入已经升好温度的鼓风干燥箱中。在220℃的条件下反应5h通过乙醇自催化法提取木质素。将所得溶液过滤，洗中性，沉淀，得到残渣Ⅱ。准确称取残渣Ⅱ，与0.2%稀硫酸按照固液比1：10的比例放入反应釜，然后放入到鼓风干燥箱中在190℃的条件下水解5h。将所得溶液过滤，洗中性，沉淀，得到残渣Ⅲ。对于水解纤维素后的残渣Ⅲ，通过两步法制备出分散性强，粒径约为几十纳米的超细二氧化硅颗粒。第一步：在650℃的条件下先通入氩气热解0.5h，此时，残渣Ⅲ中的剩余有机物在惰性气氛下分解形成碳可以有效阻止二氧化硅的团聚从而控制二氧化硅保持在纳米级尺寸。第二步：在同样的温度下再在空气中热解0.5h，在此条件下混合物中的碳发生氧化反应，形成二氧化碳等气态物质离开体系，得到二氧化硅产品，产品分散性极强，粒径为几十纳米，为超细级别，作为磁流变液的触变剂成分。

1.2 磁流变液的制备

将微米级羰基铁粉球形颗粒（平均粒径小于5微米;密度7.86g/cm3;德国巴斯夫公司）与纳米级铁磁矿颗粒（平均粒径12纳米）的混合颗粒用作分散相，并按照一定比例配成混合体。具体比例如表1所示。随后，将混合体溶于80℃的准确量取的载液二甲基硅油当中。用机械搅拌器以300r/min的转速充分搅拌30分钟，然后再适量加入稻壳基超细纳米二氧化硅颗粒并继续用搅拌器搅拌，搅拌至形成均匀的悬浮液后，再采用球磨机进行高速分散后即制得磁流变液样品。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

针对于每一种样品的磁流变性能检测，我们使用旋转流变仪（MCR300;德国）连接到磁流变设备上（MRD180）使其产生均匀的磁场。在每一次实验中，在1mm的间隙距离下对样品施加高达1.5kA/m的磁场。为了确保结果的可重复性，在做测试之前，每个样品先搅拌30分钟时间并重复每一个测试，最后报告平均值。图1为样品的零场粘度测试结果。在不同的剪切速度下，三种样品展现出了不同的粘度特性，随着剪切速率的增加磁流变液的粘度逐渐下降并趋于较低的稳定值。含有触变剂的样品3的零场粘度要明显高于样品1和2，这是由于纳米铁颗粒粒径较小，同等质量下颗粒数目较多。另外，从图中可以得出二氧化硅粒子比磁铁矿粒子对粘度的影响更为显著。

图2为不同磁场强度下样品剪切速率与剪切应力之间的关系。在施加磁场后，磁流变液中内部的磁性颗粒在磁场作用下沿着磁场方向排列成链状结构，因此三种磁流变液的粘度均有显著提高，且随着磁场强度的增大而增大。同时，随着磁场强度的增加以及剪切速率的增大，样本都显示出了明显的剪切变稀的现象。另外，随着磁场的加入并且逐渐增强，添加了磁铁矿的样本2对剪切应力有着更大增强作用，这是由于磁铁矿纳米粒子通过增加流体磁性饱和度使得悬浮体更具有磁性，并增加了磁流变效应。

2.2 结论分析

我们综合了所有实验的结果分析，可以得出纳米级磁铁矿由于其磁饱和程度比较高的特点，适当的掺杂到羰基铁粉当中可以显著的提高磁流变液的流变性能。而纳米级二氧化硅由于其自身高比表面积小尺寸的天然结构优势，适当的加入不但可以提高零场粘度，还可以提高磁流变液的抗沉淀稳定性。但是需要注意的是磁铁矿和二氧化硅的加入不宜过量，过量加入会使得磁流变液的性能显著下降。

参考文献：

[1]汪建晓，孟光.磁流变液研究进展[J].航空学报，2002（1）：6-12.

[2]Yang， G.， Spencer， B. F.， Carlson， J. D. & Sain， M. K. Large-scale MR fluid dampers： modeling and dynamic performan

ce considerations[J]. Eng. Struct. 24， 309-323.