离子液体基低粘高屈服应力磁流变液*

2021-09-13李小光赵鹏慧董旭峰

功能材料 2021年8期

李小光，佟昱，赵鹏慧，张鑫，董旭峰

(1. 大连理工大学材料科学与工程学院，辽宁大连 116024; 2. 北京卫星制造厂有限公司，北京100080)

0 引言

磁流变液(Magnetorheological fluids，MRF)是由软磁颗粒、非磁性基液和微量添加剂组成的悬浮液体系。在磁场作用下，磁流变液可从液态迅速转变为类固态，而当撤去磁场后，又可以在几毫秒内恢复到初始的液体状态。在此过程中，磁流变液的流变学参数发生实时、可逆、迅速的变化[1-3]，即所谓磁流变效应。该效应产生的机理是：在不施加磁场时，磁性颗粒呈均匀分布于基液中，表观流变行为呈Newton流体；当施加磁场时，磁性颗粒形成沿磁场方向排列的链状或柱状结构，这种结构赋予其一定的抵抗剪切破坏的能力(即剪切屈服应力)，表观流变行为呈Bingham流体[4-5]。磁场作用时磁流变液的剪切屈服应力是评价磁流变液的重要性能指标之一。现有的磁流变液虽具有优异的磁流变性能，已在桥梁、汽车、船舶等结构的智能减振中获得应用，但其剪切屈服应力仍然有待提高，以满足重型车辆减振、建筑结构减震等对高剪切屈服应力磁流变液的需求[6]。

理论及试验研究表明，磁流变液的剪切屈服应力的主要受颗粒磁性能、颗粒粒径及颗粒体积分数等因素的影响。已有研究主要采用提高软磁颗粒的体积分数、改变软磁颗粒的粒径等方法来提高磁流变液的剪切屈服应力[7-10]。然而，这些方法在提高剪切屈服应力的同时，通常会导致磁流变液零场粘度的增大，甚至在零场下亦表现为Bingham流体行为，这一方面导致磁流变阻尼器的注液困难，另一方面又降低了磁流变液的剪切屈服应力的相对调节范围[11]。

基液是磁流变液的重要组成相，已有研究主要关注其粘度、密度、挥发性等，认为其主要影响磁流变液体系的稳定性，而鲜有研究分析基液成分对磁流变液剪切屈服应力的影响[12-15]。粘度为500cSt的二甲基硅油由于粘度、密度及挥发性适宜，是目前应用最为普遍的磁流变液基液。基于此，本研究以粘度、密度、挥发性与二甲基硅油接近的离子液体(1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)为基液制备磁流变液，从实验角度研究基液成分对磁流变液剪切屈服应力的影响，并获得一种兼具较低零场粘度及较高剪切屈服应力的磁流变液。

1 实验

1.1 原材料

原料及主要实验仪器包括：CN型羰基铁粉(分析纯，平均粒径为5μm，德国BASF公司)、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体(分析纯，林州市科能材料科技有限公司)、二甲基硅油(分析纯，天津市博迪化工有限公司)。两种基液的主要性能参数如表1所示。

表1 两种基液主要性能参数

1.2 磁流变液制备及流变性能测试

将羰基铁粉以20%的体积分数与两种基液分别混合，充分搅拌得到均一的悬浮体系制得离子液体基磁流变液和硅油基磁流变液，分别标记为IL-MRF和SO-MRF。

使用MCR301旋转流变仪(奥地利AntonPaar公司)对两种磁流变液的流变性能进行测试。具体测试过程如下：首先将制备好的磁流变液样品均匀倒入样品台的中心。测试过程中，流变仪会在转子和样品台之间施加均匀磁场，随后由流变仪内部的精密传感器测定磁流变液样品所反馈的剪切应力、粘度等数据。本实验控制剪切速率在0～100 s-1之间线性增加，测试磁流变液在不同磁场强度下(0、92、187、280、365、436 kA/m)剪切应力和粘度随剪切速率变化的曲线，并采用Bingham模型对剪切应力与剪切速率曲线进行拟合，得到不同磁场强度下的剪切屈服应力，进而得到两种磁流变液的剪切屈服应力随磁场强度变化的曲线。

2 结果与讨论

图1为离子液体基磁流变液和硅油基磁流变液在不同磁场下粘度随剪切速率变化的曲线图。磁流变液内部磁性颗粒相互作用导致结构的变化，从而直接影响磁流变液的粘度[16]。磁性颗粒的相互作用在零场下和有外加磁场时是有差异的，如图2所示。由图1可知，离子液体基磁流变液和硅油基磁流变液的粘度均随剪切速率的增大而逐渐降低最终趋于稳定，都表现出典型的剪切变稀现象。零场下，磁流变液的粘度主要取决于磁性颗粒的体积分数和基液粘度，由于磁性颗粒为相同的羰基铁粉，而所选择的离子液体粘度略低于二甲基硅油，从而离子液体基磁流变液的粘度也略低于硅油基磁流变液。与零场时的结果不同，在外加磁场的作用下，离子液体基磁流变液的粘度大于硅油基磁流变液。考虑到所使用的磁性颗粒均为相同的羰基铁粉，所施加的外加磁场也相同，因此排除颗粒和磁场对粘度的影响。对于磁流变液来说，其粘度的变化主要是由其内部颗粒间相互作用力所决定，颗粒间相互作用力越强，其粘度越高。因此可以说明，在磁场作用下，离子液体基磁流变液中的磁性颗粒所形成的结构更稳定。离子液体是由游离在其中的小的离子片段组成，这种离子片段可能会吸附在磁性颗粒表面。在零场时，磁性颗粒相距较远，其相互作用较弱，对粘度的影响不明显；随着外加磁场的施加，磁性颗粒彼此靠近，由于离子片段吸附在磁性颗粒的表面上，磁性颗粒之间除了磁性相互作用力增强外，还有表面离子片段之间的范德华力与库仑力也增强，具有较强的非键相互作用，从而提高颗粒的结构稳定性，并提高磁流变液的粘度。

图1 两种磁流变液在不同磁场下粘度随剪切速率变化的曲线图

图2 磁流变液在零场下和施加磁场下的剪切变稀示意图

图3所示为离子液体基磁流变液和硅油基磁流变液在不同磁场强度下剪切应力随剪切速率的变化的曲线图。由图可知，两种磁流变液在不同磁场强度下的剪切应力均随剪切速率的增加而增大。在同一剪切速率下，两种磁流变液的剪切应力均随磁场强度的增大而增大。另外，对比两种磁流变液发现，低场下离子液体基磁流变液的剪切应力与硅油基磁流变液接近，高场下离子液体基磁流变液的剪切应力大于硅油基磁流变液。其原因是在磁场的作用下，羰基铁颗粒间的相互作用在离子液体的辅助作用下有所增强，形成了更为稳定的链状结构，从而表现出较大的剪切应力。采用Bingham模型(式(1))对剪切应力与剪切速率曲线拟合可得到不同磁场下的剪切屈服应力。

(1)

图3 两种磁流变液剪切应力随剪切速率变化

离子液体基磁流变液和硅油基磁流变液剪切屈服应力随磁场强度变化的关系曲线如图4所示。在外加磁场的作用下，磁性颗粒被极化并相互吸引，沿着磁场方向形成链状或柱状结构，在施加垂直于磁场的剪切力后，这种结构会阻碍液体的流动，从而表现出一定的剪切屈服现象，对应的剪切屈服应力与所形成的链柱状结构稳定性成正比关系[17]。由图可知，离子液体基磁流变液和硅油基磁流变液的剪切屈服应力均随磁场强度的增大而增大。在较高的磁场强度条件下，离子液体基磁流变液的剪切屈服应力大于硅油基磁流变液。在436 kA/m的磁场强度下最高屈服应力提高了29%，即离子液体基磁流变液具有更为显著的磁流变效应。