磁流变液制备及性能指标研究＊

2021-09-14余龙

科技与创新 2021年17期

余龙

（江苏信息职业技术学院智能工程学院，江苏无锡214153）

1 引言

磁流变液（Magnetorheological Fluids，MRF）是一种新型智能材料，目前主要应用于减振、抛光、密封等领域，未来在军事和医疗领域也有较好的发展前景。磁流变液的主要组成部分有磁性颗粒、基载液、添加剂[1]。当外部无磁场时，磁流变液具有低粘度的流体特性；当外部存在磁场时，磁流变液具有高粘度的类固体特性。只需要通过控制磁场就可以切换两种状态，并且切换的速度在毫米级。因为响应时间短、控制方便，所以能够满足需要两种工况并迅速转换的场合。虽然磁流变液功能强大，但是还有一些技术指标有待提高，如长时间静置后存在沉降并结块，从而影响正常工作；工作过程中产生大量的热，温度过高也会影响磁流变液性能等。

评价磁流变液的性能指标主要有三个：剪切屈服应力、沉降稳定性和零场粘度。剪切屈服应力是磁流变液最重要的特征，也是区别于液体的最大不同。影响剪切屈服应力的因素主要有磁性颗粒的质量分数、颗粒粒径、剪切速率和温度等[2]。由于磁性颗粒和基载液两者密度相差甚远，所以磁性颗粒在基载液中会出现沉降的现象，沉降又会对磁流变液性能产生负面影响，所以沉降稳定性是磁流变液工作的重要指标[3]。为了减低沉降率，可以采用选择合适的磁性颗粒粒径、添加抗沉降的活性剂和对磁性颗粒进行表面包覆等。零场粘度是在零磁场情况下磁流变液的粘度，零场粘度越低越能发挥牛顿流体力学特性，因为基载液的体积分数占据磁流变液的一大半，所以零场粘度通常是通过基载液的粘度来控制的[4]。

2 磁流变液机理研究

目前，磁流变液的工作机理暂时还没有定论，但是可以从宏观和微观两个方面进行分析。宏观磁流变液性质可以采用观察法来总结有无磁场下磁流变液的表现形式[5]。在无磁场情况下，磁流变液体现良好的流动性；在有磁场情况下，磁流变液变为类固体状。这种切换响应速度非常快，并且可以完成连续可逆操作。

采用高速摄像机拍摄可以得到磁流变液特性的微观结构[6]。在无磁场环境下，磁性颗粒杂乱无章的分布在基载液里；在外加磁场环境下，磁性颗粒马上呈现链状形态，所以在磁场环境下磁流变液具有较高的剪切屈服应力。

磁流变液工作模式主要有三种：流动模式、剪切模式和挤压模式，如图1所示。流动模式主要是上下板不动，磁流变液在两板之间流动，通过控制磁场来改变流动速度；剪切模式主要是上下板存在相对水平运动，调节磁场强度来控制运动速度；挤压模式主要是上下板沿着磁场方向运动，磁流变液被挤压体现阻尼特性。

图1 磁流变液的三种工作模式

3 磁流变液的制备

磁流变液的制备方法目前主要有两类：传统制备法和基载液置换法[7]。传统制备法是将成比例的磁性颗粒、基载液和添加剂混合到一起制成磁流变液样品；基载液置换法是先将磁性颗粒和添加剂放入无离子水或者乙醇中进行改性，然后再将改性的材料加入基载液。两种方法相比较，基载液置换法可以提高磁流变液的综合性能。

磁性颗粒。选择合适的磁性颗粒不仅可以减小沉降，更能加强剪切屈服应力，所以选择磁性颗粒就显得尤为重要。主要考虑较高磁化率、较低磁滞率及较高的饱和磁感应强度，一般选取的为微米级的软磁球形颗粒。目前多数选择的为羰基铁粉、四氧化三铁、钴、镍及其合金颗粒等。但每种材料都有缺点，所以材料性能上还需要进一步改良。

基载液。为了使磁性颗粒可以悬浮在基载液中，选择合适参数就可以保证磁流变液的稳定性。主要考虑基载液的粘度、密度、化学稳定性、经济性等因素，目前用的较多的有硅油、矿物油、合成油和植物油等，水基磁流变液主要应用于抛光领域。

添加剂。为了进一步防止降低沉降率，可以加入少量的添加剂。主要包括表面活性剂、偶联剂和触变剂等，其中表面活性剂具有亲水性和亲油性两个特性，进而降低张力。

4 磁流变液评价指标

磁流变液的主要评价指标为剪切屈服应力、沉降率和零场粘度。为了提高磁流变液的综合性能，从以下几个方面进行改进。

剪切屈服应力。在外加磁场的作用下，磁性颗粒排成了链状结构，为了使链状结构断裂而产生的力直接影响着剪切屈服应力，所以提高链状结构的稳定性可以增强剪切屈服应力。既然链状结构是由磁性颗粒组成，所以颗粒的饱和磁化强度对于剪切屈服应力起着重要的作用，在选择磁性颗粒时，要考虑材料的饱和磁化强度。环境的磁场强度对磁流变液的剪切屈服应力产生直接影响，在未达到饱和磁化强度之前，两者呈现线性正相关关系。磁性颗粒越多，链状结构越稳定，即在一定范围内磁性颗粒的质量分数越高，剪切屈服应力越大。

沉降率。由于磁性颗粒和基载液的密度相差很大，磁性颗粒不溶于基载液，所以在磁流变液不工作时会产生磁性颗粒的沉降，通常采用静置法来标定沉降率，如图2所示。将制备好的磁流变液倒入量筒中后静置一段时间，基载液和磁性颗粒发生了分离沉降的现象，其中a为新增基载液的高度，b为沉淀层的高度，则沉降率为。这种计算方法比较简单，已被多数研究者所接受，但由于静置时间相对较短，对于一些需要长时间待机的设备，此种标定方法还有待优化。特别是长时间静置后磁性颗粒是否存在结块，并且是否能够正常完成可逆工作，均需要进一步探究。