（材料物理与化学专业论文）利用氧化铁皮制备铁磁流变液及其性能研究.pdf

r 、 。 ：t 。- 。上 、 0 l l at h e s i si nm a t e r i a lp h y s i c sa n dc h e m i s t r y s t u d y o np r e p a r a t i o na n d p r o p e r t i e so f i r o n m r ff r o mi r o ns c a l e b y l ij i n g m i n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h a oy u e s h e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 毫 l 、 j 二 j i j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 ：匕 思0 学位论文作者签名：巷瓤民 日 期：二口。墨每ji 习) 佗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ： i 1 - j 卜 ， j j 东北大学硕士学位论文 摘要 利用氧化铁皮制备铁磁流变液及其性能研究 摘要 磁流变液( m a g n e t o r h e o g i c a lf l u i d ) 是由软磁颗粒，载液以及添加剂组成的 稳定的悬浮液，其具有流体特性和智能可控的特点，可应用于减震器、离合器、 肿瘤治疗、磁流变抛光等方面，对磁流变体的研究已成为材料科学领域的热点课 题。目前磁流变液中的软磁粒子主要以羰基铁粉为主，但由于羰基铁粉制备成本 比较高，限制了磁流变液在工业上广泛应用。氧化铁皮是钢铁生产中产生的固体 废弃物，虽然目前已经有多种回收再利用方法，但都不完善，急需找到一种更有 效的方法来提高其附加值。本文以氧化铁皮为原料，用硫酸溶解并经过提纯净化 得到纯净的硫酸亚铁( f e s 0 4 ) 溶液，采用沉淀法制备q f e 2 0 3 纳米粉末。然后 用氢气将其还原得到微米级还原铁粉，将所得铁粉与适量硅油混合制备还原铁粉 磁流变液并研究其性能。 制备纳米氧化铁过程中对沉淀剂的选择、反应温度，煅烧温度进行了探讨。 通过x r d 、t e m 、i r 、m s ( m 6 s s b a u e rs p e c t r u m ) 对样品进行表征。结果表明： 选择碳酸铵作为沉淀剂效果最佳；反应温度控制在5 0 ，在5 0 0 煅烧2 h ，氧 化铁红的含量9 8 7 7 ，颗粒呈球形和椭球形两种形态，粒度在3 0 5 0 h m ：所得 到的纳米氧化铁的平均超精细磁场，随煅烧的温度的升高而增大，主要是由两个 方面引起的：表面效应与小颗粒的集体磁激发效应。 纳米氧化铁的粒度对还原时间及还原后所得铁粉颗粒形貌有很大影响。纳米 氧化铁颗粒由d , 至w j 大，通过s e m 观察铁粉形貌变化趋势是：由杆状到球状，并 且所需还原时间增加。5 0 0 煅烧得到的纳米氧化铁，经6 5 0 还原3 h ，得到的 还原铁粉铁元素的含量可达9 9 2 ，通过m 6 s s b a u e rs p e c t r t u n 进一步分析，其中 纯铁为9 3 1 ，f e - n 固溶体含量为6 9 。还原铁粉的颜色为灰白色，密度为 0 6 6 9 c m 3 。经测量还原铁粉的饱和磁化强度与羰基铁粉相当，并且磁场在 0 - 2 5 0 k a m 时，还原铁粉对磁场响应要好于羰基铁粉； 根据载液选择要求，选择硅油作为载液。根据与载液的相溶性，选择n o 7 1 为表面活性剂，并用其对还原铁粉进行包覆处理，结果显示：包覆后的还原铁粉 更容易在载液中分散。通过m c r 3 0 1 型流变仪对磁流变液力学性能以及表观粘 度进行测试。测试结果表明：还原铁粉磁流变液剪切应力在较低的磁场下就可以 东北大学硕士学位论文 摘要 迅速增大，达到最大值，更有利于在实际工程中的应用；磁流变液性能稳定受温 度和剪切速率影响不大，其沉降稳定性优于羰基铁粉磁流变液；无外磁场和施加 中等强度磁场时，磁流变液的表观粘度随着剪切速率的增大都出现明显剪切稀化 现象，经拟合符合b i n g h a m 流体；向磁流变液中加入四氧化三铁纳米粒子对磁 流变液的剪切应力影响很显著，当四氧化三铁的质量分数为0 8 时，增大效果 最明显；当质量分数继续增大时，磁流变液的剪切应力反而降低；添加四氧化三 铁会使磁流变液的粘度增大，并且随着质量分数的增大而增大。 关键词：氧化铁皮；提纯净化；还原铁粉；磁流变液；剪切应力；流变效应； - 东北大学硕士学位论文 s t u d yo np r e p a r a t i o na n dp r o p e r t i e so fi r o nm r f f r o mi r o ns c a l e a bs t r a c t a sam e m b e ro fs m a r tm a t e r i a l s ，m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ( m r f ) u s u a l l yc o n s i s t so f m i c r o n s i z e ds o f tm a g n e t i cp a r t i c l e s ，c a r r i e rl i q u i da n da d d i t i v e t h e ys h o wau n i q u ea b i l i t yt o u n d e r g or a p i d ，n e a r l yc o m p l e t e l yr e v e r s i b l e ，s i g n i f i c a n tc h a n g e si nt h e i rr h e o l o g yo n c ea n e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l di sa p p l i e d m r fc a nb ea p p l i e di ns h o c kd a m p e r , c l u t c h , t u m o r t h e r a p y , m a g n e t o r h e o l o g i c a lp o l i s h i n g ，a n ds oo n n o ws t u d yo nm r f h a sa l r e a d yb e e nah o t s u b j e c ti nm a t e r i a ls c i e n c ef i e l d c u r r e n t l yt h em a g n e t i cp a r t i c l e si nm r f a l em a i n l yc a r b o n y l i r o nd u s t h o w e v e r , t h ec o s to fc a r b o n y li r o nd u s ti sh i g h e r , w h i c hr e s t r i c t sm r f sa p p l i c a t i o n i ni n d u s t r y n o wi ti su r g e n tt of i n dan e ww a yo fr e u s i n gt h ei r o ns c a l ew h i c hi st h es o l i d w a s t ed u r i n gt h ep r e p a r a t i o no fi r o na n ds t e e l ，a l t h o u g ht h e r eh a v eb e e ns o m em e t h o d so f r e c y c l i n g i nt h i sp a p e ri r o ns c a l e 舔s t a r t i n gm a t e r i a lw a ss o l v e db yh 2 s 0 4 ，a n df e s 0 4 s o l u t i o nw a sg o ta f t e rp u r i f i c a t i o n t h e na - f e 2 0 3p o w d e rw a sp r e p a r e db yp r e c i p i t a t i o n m e t h o du s i n gf e s 0 4 a f t e ra f e 2 0 3w a sr e d u c e db yh 2 ，t h er e d u c e df e r r o u sp o w d e rw a s m i x e d 、 ，i t l ls i l i c o n eo i lt op r e p a r ei r o nm a g n e t o r h e o g i c a lf l u i d ( m r f ) a n dt h ep r o p e r t i e so f m r fw e r es t u d i e d d u r i n gt h ep r e p a r a t i o no fn l na - f e 2 0 3p o w d e r , t h es e l e c t i o no fp r e c i p i t a n t sa n dt h e t e m p e r a t u r e so fr e a c t i o na n di n c i n e r a t i o nw e r ed i s c u s s e d a n dt h es a m p l e sw e r ec h a r a c t e r i z e d b yt g d t aa n a l y s i s ，x r a yd i f f r a c t i o n ，f i - i kt e m a n dm 6 s s b a u e rs p e c t r u m ( n h 4 ) 2 c 0 3 舔 t h ep r e c i p i t a n tw a st h eb e s ts e l e c t i o n t h em a s sf r a c t i o no fa f e 2 0 3 ，w h i c hw a sp r e p a r e da f t e r r e a c t i o na t5 0 a n di n c i n e r a t i o na t5 0 0 f o r2 h ，i s9 8 7 7 t h ep a t t e r n so fn - f e 2 0 3 p a r t i c l e s ，t h e s i z eo fw h i c hw a sb e t w e e n3 0 n ma n d5 0 n m ，h a v e s p h e r i cs h a p e a n d s p h e r o i d i c i t y 1 1 1 ea v e r a g eh y p e r f i n em a g n e t i cf i e l d i n c r e a s e da st h e t e m p e r a t u r e o f i n c i n e r a t i o ni n c r e a s e dd u et os u r f a c ee f f e c ta n dm a g n e t i ci n d u c e de f f e c to fm i c r o a g g r e g a t e s t h es i z eo fa - f e 2 0 3p a r t i c l eh a de f f e c t so nt h et i m eo fr e d u c i n ga n dt h ep a t t e r n so f r e d u c e df e r r o u sp o w d e r t h ep a a e m so fr e d u c e df e r r o u sp o w d e rc h a n g e df r o mb a c i l l a r yt o s p h e r i cs h a p ea n dt h er e q u i r e dt i m eo fr e d u c i n gb e c a m el o n g e r 蕊t h es i z eo fa f e 2 0 3p a r t i c l e s i n c r e a s e d t h em a s sf r a c t i o no ff ee l e m e n ti n rq - , i r o n d u s tr e d u c e da t6 5 0f o3 h f r o m fe203calcineda t5 0 0w a s9 92i ni r o nd u s tt h em a s sf r a c t i o no fm a l l e a b l ee a s ti r o nw a s 东北大学硕士学位论文 9 3 1 a n dt h em a s sf r a c t i o no ff e - ns o l i ds o l u t i o nw a s6 9 b ym 6 s s b a u e rs p e c t r u m a n a l y s i s t h ec o l o ro fr e d u c e df e r r o u sp o w d e rw a sh o a ra n dt h ed e n s i t yo fr e d u c e df e r r o u s p o w d e rw a s0 6 6e g c m t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o no fr e d u c e df e r r o u sp o w d e rw a st h e s a m ea st h a to fc a r b o n y li r o nd u s ta n dt h er e s p o n s ep r o p e r t yo fr e d u c e df e r r o u sp o w d e ri s b e t t e rt h a nc a r b o n y li r o nd u s tu n d e rm a g n e t i cf i e l db e t w e e n0a n d2 5 0 k a m a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fc a r r i e ra n ds o l u b i l i t yi nc a r r i e r , s i l i c o n eo i la n dn q 7 1 w e r es e l e c t e da sc a r r i e ra n ds u r f a c t a n tr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a ta f t e rr e d u c e d f e r r o u sp o w d e rw a sc o a t e d ，i td i s p e r s e db e t t e ri ns i l i c o n eo i l t h ep r o p e r t i e so fm r fw e r e t e s t e db ym c r 3 0 1r h e o m e t e r t h ei r o nm r fn o to n l yh a dg o o ds t a b i l i t y , b u ta l s oc o u l dr e a c h i t sm a x i m u ms h e a rs t r e s sq u i c k l yu n d e rl o wm a g n e t i cf i e l d a n dt h e s ef e a t u r e sc a nb eh e l p f u l t oa p p l yp r e p a r e di r o nm r fi na c t u a lp r o j e c t s t h i sp h e n o m e n o nt h a tu n d e rn om a g n e t i cf i e l d t h ev i s c o s i t yo fm r fd e c r e a s e da st h er a t eo fs h e a ri n c r e a s e dw a st h es a m ea so t h e r sr e p o r t e d a n da f t e rt h ec u r v e sw e r ef i t t e d ，p r e p a r e di r o nm r f b e l o n g e dt ob i n g h a mf l u i dm o d e l w h e n a p p l i e dm e d i u mm a g n e t i cf i e l dt h ev i s c o s i t yo fm r f d e c r e a s e da st h er a t eo fs h e a ri n c r e a s e d t h i ss h o w e dp r e p a r e di r o nm r fa l s ob e l o n g e dt ob i n g h a mf l u i dm o d e lu n d e rm e d i u m m a g n e t i cf i e l d t h es h e a rs t r e s sa n dv i s c o s i t yi n c r e a s e dw h e nt h en mf e 3 0 4p a r t i c l e sw e r e a d d e di ni r o nm r fa n dt h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tw h e nt h em a s sf r a c t i o no fn n lf e 3 0 4 p a r t i c l e sw a so 8 t h ei n c r e a s ew a st h eb i g g e s ta n dw h e nt h em a s sf r a c t i o no fa mf e 3 0 4 p a r t i c l e sc o n t i n u e dt oi n c r e a s et h es h e a rs t r e s sb e g a nt od e c r e a s e k e yw o r d s ：i r o ns c a l e ；p u r i f i c a t i o n ；r e d u c e df e r r o u sp o w d e r ；m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ；s h e a r s t r e s s ；r h e o l o g i c a le f f e c t 目录 目录 声明i 摘要i i a b s t r a c t i v 第1 章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 磁流变液的特点、原理、研究进展及其应用1 1 2 1 磁流变液的组成和特点l 1 2 2 磁流变体的分类2 1 2 3 磁流变效应的微观机理3 1 2 4 磁流变液研究进展4 1 2 5 磁流变液的应用6 1 3 磁流变液存在的主要问题及磁性粒子研究现状。7 1 3 1 磁流变液存在的主要问题7 1 3 2 磁流变液磁性粒子研究现状8 1a 纳米氧化铁合成方法。9 1 5 本论文研究的目的、意义和内容1 l 1 5 1 本论文的研究目的、意义1 1 1 5 2 本文研究的内容1 1 第2 章纳米氧化铁红的制备1 3 2 1 实验方法1 3 2 2 纳米氧化铁的制备13 2 2 1 实验试剂1 3 2 2 2 实验仪器：1 3 2 2 3 纳米氧化铁制备工艺。1 3 2 3 纳米氧化铁的表征1 4 东北大学硕士学位论文 目录 2 4 纳米氧化铁a - f e 2 c h 结果分析与讨论15 2 4 1 氧化铁皮成分分析15 2 4 2 添加不同沉淀剂对结果的影响1 6 2 4 3 絮凝剂选择和用量1 7 2 4 4 反应温度对产物的影响1 8 2 4 5 煅烧后产物分析2 0 2 4 5 1 红外光谱( f i i r ) 分析2 0 2 4 5 2t g d 1 a 分析21 2 4 5 3x r d 和t e m 分析2 2 2 4 5 4 穆斯堡尔谱分析2 3 2 4 5 5 红外光谱分析2 5 2 5 本章小结2 5 第3 章铁磁流变液的制备2 6 3 1 还原铁粉的制备2 6 3 1 1 还原装置及还原过程2 6 3 1 2 还原热力学计算2 7 3 1 3 还原条件的确定2 8 3 1 4 还原产物分析3 0 3 1 4 1 穆斯堡尔谱和x r d 3 0 3 1 4 2 还原铁粉磁性能3 1 3 2 载液的选择。3 2 3 - 3 表面活性剂的选择3 2 3 4 触变剂的选择3 4 3 5 添加剂的选择3 4 3 6 铁磁流变液制备3 4 3 6 1 实验仪器和原料3 4 3 6 2 还原铁粉包覆3 5 3 6 2 1 包覆工艺。- 3 5 3 6 2 2 包覆后样品检验3 5 、， i 一 0 ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 我国经过建国后五十余年的努力奋斗，钢产量已经突破一亿吨，成为钢铁大国之一； 根据2 0 0 0 年统计，钢产量1 2 8 5 0 万吨，连续五年保持世界第一。但在产量增加的同时， 固废产生量也不断地在增加，如将其废弃，不但要占土地、污染土壤，刮风等产生的扬 尘还将污染堆场周围环境空气及植物，雨水冲刷进入水体将淤积河沟或湖泊，并可对地 表水、地下水质产生污染等l j 。 钢铁厂产生的部分固废中含有大量可回收的金属铁，据有关资料统计，主要固废含 铁量分别为：烧结尘泥 - 5 0 、高炉瓦斯尘泥3 0 - - 4 0 、转炉钢渣5 - - 2 3 、电炉 钢渣 - 1 0 0 6 0 、转炉尘泥5 0 - - 6 2 、电炉粉尘 - - 3 7 、连铸及轧钢氧化铁皮 - - 7 1 。按 2 0 0 0 年钢产量估算，含铁固体废物的产生量分另为：烧结尘泥5 0 0 万吨、高炉瓦斯尘泥 4 3 3 万吨、转炉钢渣1 6 0 9 万吨、电炉钢渣1 8 2 万吨、转炉尘泥2 1 1 万吨、电炉粉尘1 0 万吨，连铸及轧钢氧化铁皮1 9 7 万吨，共含铁约9 0 7 力吨。如按9 5 回收利用估算，可 回收利用铁约8 6 0 万吨。 氧化铁皮是在连铸坯或钢锭，在加热炉、轧制线的生产过程中产生的固体废弃物【3 】。 与其他固体废弃物相比氧化铁皮具有含铁量高，杂质含量低，便于提纯的优点。目前氧 化铁皮回收再利用方式主要有：经脱水、脱油处理后，拌入烧结原料中，用于生产烧结 矿或球团矿；用作炼钢的化渣剂；生产还原铁粉，用作粉末冶金原料；生产铁红颜料等。 但这些方法还不尽完善，有待于开发生产较高附加值产品。 1 2 磁流变液的特点、原理、研究进展及其应用 1 2 i 磁流变液的组成和特点 磁流变液( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d 即m r f ) 是新兴的智能材料之一，它通常由以下 三种成分组成【5 - 7 , 1 0 , 1 1 】：具有高磁导率、低矫顽力的铁磁性微粒，如铁钴合金、铁镍合 金、羰基铁粉等软磁性材料。基液，又称载液，是磁性微粒悬浮的载体。为了保证磁 流变液具有稳定的理化特性，一般地，载液应具有低粘度、高沸点、低凝固点、较高密 度等特性。目前，较为常用的母液是硅油。另外，一些高沸点的合成油、水以及优质煤 油等也可作为磁流变液的载液，用它们所配置的磁流变液颗粒体积浓度较高，因而流变 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 液在相应磁场下剪切屈服强度较高。但它们的磁流变液沉降稳定性不好，另外，它们的 温度应用范围较硅油也差一些。表面活性剂，一般是含有双亲基团的低聚物，亲水基 与颗粒表面结构相似，能吸附在磁性微粒表面，亲油基结构与母液结构近似，能像“鞭 梢 一样扩散在母液当中。磁性颗粒吸附表面活性剂以后，由于亲油基的“鞭梢相互 缠绕及排斥，一方面会增加颗粒的体积，减少它们相互吸引碰撞的机会，另一方面会在 母液内部形成一个相互作用的三维骨架，从而降低由于颗粒与母液的比重差而造成的颗 粒沉降。目前，磁流变液常用的表面活性剂有偶联剂、油酸、o p 乳化剂、酯类以及聚 醚基等。 ：- 知 。o ix 4 ， ； 0 图1 1 ( a ) 无磁场时，颗粒分布均匀( b ) 加磁场时，粒子链团簇状 f i g 1 1 ( a ) p a r t i c l e sd i s p e r s e de q u a l l yw i t h o u thf i e l d ( b ) p a r t i c l e sa r r a n g e di nc h a i n su n d e rm a g n e t i cf i e l d 在零场下磁流变液中磁性颗粒均匀分散在载液中( 图1 1 a ) 。它的流变特性可随外加 磁场的变化而变化。当磁流变液受到外加磁场作用时，其中的磁性颗粒沿磁场方向排列 成链状( 图1 1b ) 使表观粘度增大，表现出类似固体的性质，流动性消失，一旦去掉磁 场，流体的表观粘度又回到原来的状态。这种变化的特点是：变化速度快( 1 0 0 m s 以内) 、 变化过程可逆、变化范围宽( 力学性质可以上万倍，只需2 0 瓦的电力却可以提供2 0 吨 阻尼力的阻尼器件己经问世) ，并且这种粘度的变化可以通过改变磁场的大小连续的加 以控制。 1 2 2 磁流变体的分类 磁流变体的粘度函数有许多分类，。取决于流体的性能，一些非牛顿流体函数图象硎 如图1 2 所示。根据显示的物性，可分为宾汉( b i n g h a m ) 流体，假塑性流体，结构流 体和扩展流体，宾汉流体和假塑性流体都是剪切稀化型，随着剪切速率7 的增加，粘度 下降，而扩展流体为剪切稠化型，结构流体显示了在粘度值很高或很低时非牛顿流体物 性与在中等剪切速率下的剪切稀化特性。 囊 1 磁流变效应的微观机理 关于磁流变效应的微观机理至今还没有十分统一的观点。但普遍认为，在外加磁场 的作用下，分散在基液中的磁性固体粒子发生极化，产生磁偶极矩，通过磁偶极子之间 的相互作用，为了达到能量最小状态而形成一条条的单链。随着外加磁场和固体粒子浓 度的增大，这种单链结构进一步发生聚集，从而形成复杂的团簇结构( 如体心四方结构、 柱状结构等) 。这种微观结构上变化直接导致了磁流变液流变性质的剧烈变化。 当无外加磁场作用时，固体粒子悬浮于基液中由于自身的热运动而呈随机分布状态。 当施加外磁场作用后，首先固体粒子发生极化而形成磁偶极子，然后磁偶极子沿外加磁 场方向集结排列。当外加磁场达到一定值时，磁偶极子之间的相互作用足以克服磁偶极 子本身的热运动而形成了稳定的链状结构，此时磁流变液呈现固态特征并能提供剪切应 力。当外加磁场继续增加到一定程度，固体粒子达到磁化饱和，此时磁流变液的力学性 质便会随磁场的增加而基本不变。 2 磁流变液宏观力学模型 磁流变液的宏观力学行为可以用b i n g h a m 粘塑性模型来描述，b i n g h a m 模型的数学 表述为【8 ，9 l ：if = f y ( 日) s g n ( p ) + 刁尹f f y 【厂20 f 0 。比较( 1 1 ) ，( 1 2 ) 式，h e r s c h e l b u l k l e y 模型中的塑 性粘度为：r = 七少两( 1 3 ) 。式( 1 3 ) 表明：当m l 时，塑性粘度7 7 随剪切应变速率夕的 增加而减小，磁流变液出现剪切变稀现象；当m l 剪切变稀 流体 图1 3 磁流变液粘塑性模型 f i g 1 3m o d e l so fm r fv i s c o p l a s t i c i t y 大量的实验发现，当磁流变液中的磁性颗粒未达到完全饱和时，0 ( 日) 可以近似表 示为毛( h ) = a h “。其中a 为常数，n 的数值在1 - 2 之间，取决于流体材料的性质。 1 2 4 磁流变液研究进展 1 9 4 8 年r a b i n o w - 首先提出了磁流变体的概念f 1 2 】。它是将微米尺寸的磁极化颗粒分散 于非磁性液体( 矿物油、硅油等) 中形成的悬浮液。在零场情况下，磁流变液表现为流 动性能良好的液体，其表观粘度很小；在强磁场作用下可短时间( 毫秒级) 内表观粘度 增加两个数量级以上，并呈现类固体特性；而且这种变化是连续的、可逆的，即去掉磁 场后又恢复到原来的状态【1 3 - 1 5 1 。然而，从5 0 年代到8 0 年代期间，由于没有认识到它的剪 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 切应力的潜在性以及存在悬浮性、腐蚀性等问题，磁流变体发展一直非常缓慢。进入9 0 年代，随着制备技术的提高，磁流变体研究重新焕发了生机，成为当前智能材料研究领 域的一个重要分支【l 7 。 美国e x x o n 公司的j p o o p p l e w e l l 和r e r o s e n s w e i g1 1 s 1 ( 19 9 6 年) 研究了磁流变体的 合成。美国l o r d 公司研究出了三种分别为合成油、硅油和水的羰基铁粉商品化磁流变 体，在磁感应强度为l t 的条件下，剪切应力达6 0 k p a 8 0 k p a 以上，以上工作温度范 围为- - 4 0 - - 1 5 0 ( 油基) ，o 7 0 ( 水基) 。该公司研究了基于铁合金颗粒的磁流 变体n 9 1 ，发现磁流变体的强度取决于合金元素及所占的比例。d w f e l t 2 0 1 研究了水基磁 性聚苯乙烯磁流变体的流变行为。f o i s t e r 【2 1 】研究了两种尺寸的磁性颗粒混合后制成的磁 流变体( 其中大颗粒是小颗粒直径的5 倍) ，发现其剪切应力显著提高。s h t a r k m a n 2 2 阐述了由羰基铁粉载液和分散剂来制备稳定的磁流变体的方法。n o s a m a 【乃j 和a s h o u r 囝】通过试验研究了在传统的磁流变体中加入c r 0 2 硬磁粉、油酸和非离子型表面活性剂 后，发现磁流变体获得了更高的流变效应和稳定性能。l a z a r e v a 【2 5 】研究了由钛铁氧体、 锶铁氧体或铁氧体、变压器油或合成添加剂组成的磁流变体的特性，发现添加剂对磁流 变体的流变效应有很大的改善。p h u l e 2 6 j 利用羰基铁粉颗粒、极性有机载液与纳米级胶 体和其他添加剂制备了相对稳定、易于分散的且力学性能优异的磁流变体，在磁场强度 为l t 时，羰基铁粉磁流变体的剪切应力高达1 0 0 k p a 。g i n d e r l 2 7 1 用l - 1 0 u m 的磁性颗粒 分散于铁磁流体中制成复合磁流变体，当体积分数为5 0 时剪切应力高达2 0 0 k p a 。 目前国外已有十几个国家投巨资，对该项目进行加速研究和开发，竞相发展这一技 术。美国l o r d 公司的c a r l s o n 和w e i s s 等人在磁流变体性能研究和应用开发方面取得 了较为突出的成就，使l o r d 公司在国际上第一个推出商用磁流变器。美国加州州立大 学的z h u 和l i u 等人对磁流变液的流变学，特别是微观结构进行了大量深入的研究【2 引。 美国n o t r ed a m e 大学的d y k e 和s p e n c e r 等人将磁流变体阻尼器用于大型结构地震响应 的控制【2 9 】。另外，白俄罗斯传热传质研究所的k o r d o n s k i 等人在磁流变体的抛光和密封 应用方面取得了较大的进展。德国k o r m a n n 等人在对颗粒直径、表面层等作了适当修饰 改进后，已研制出稳定的纳米级磁流变体( 具有和磁流体几乎完全相同的组成) ，在0 2 t 的中等磁场作用下，屈服应力可达4 k p a 3 0 1 。 由于磁流变液的优越特性以及随着人们对其逐渐深入的认识和重视，磁流变液在我 国也得到迅速的发展并得到广泛的应用。国内研究磁流变液的单位有电子科技大学、武 汉理工大学、重庆大学、上海交通大学、中国科学院长春光机所、复旦大学、哈尔滨工 业大学、西北工业大学和贵州大学等【3 l 泓l 。中国国内也出现了类似的公司，例如武汉盘 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 古减振抗震缓冲技术有限公司p 引，是目前国内专门从事电磁流变流体智能减振( 震) 器 高新技术生产、开发的唯一一家企业。公司已申请中国发明专利十四项，中国实用新型 专利九项，部分专利己授权。浙江宁波经济技术开发区品格新材料开发有限公司m j 是 2 0 0 3 年注册成立的一家集新材料开发与技术咨询服务为一体的高新技术公司。该公司推 出绿色环保磁流变液，领域拥有自主知识产权，产品涵盖了水油两大系列，目前均处于 中试阶段。重庆仪表材料研究所更是推出了性能优异的产品，主要参数如下：1 密度：2 6 5 g c m 3 ：2 剪切应力( 5 0 0 0g s ) ： 6 0k p a ；3 零场粘度( y = 7 s ) 1 0 0 0m p a s ；4 使用 温度：3 0 - 1 2 0 ；5 润滑性( 磨斑直径) ： 1 0m m l6 稳定性：长时间静置无明显沉 降和板结发生；7 寿命：满足减振器2 0 0 万次振动试验要求。 1 2 5 磁流变液的应用 磁流变体作为一种智能可控流体材料，因其流变性能在外加磁场下可实现可控连续 变化且该变化可逆而在电子控制和机械领域具有广阔的应用前景，如各类阻尼器、离合 器、光学玻璃智能抛光等，具体磁流变液应用见表1 1 。西方发达国家如美、英、德等 国自2 0 世纪9 0 年代初便开展了磁流变技术研究。l o r d 公司以专业生产磁流变液和开 发磁流变液商用器件而著称，同时它也成立了自己的磁流变液研究小组【3 7 1 。在磁流变液 的制备方面他们解决了许多技术问题，如沉降、长效性等。l 0 r d 公司的产品已被作为实 验、测试、应用的标准。l o r d 公司目前已申请了几十项关于电磁流变液器件方面的专利。 美国q e d 公司长期致力于磁流变抛光技术，己经研制并商业化了磁流变抛光仪，用于 精密光学镜头的抛光【3 8 j 。德尔福( d e l p h i ) 研制的磁流变减振器m a g n e r i d 是一种高性 能、半主动控制系统，已经被世界各大著名汽车厂商陆续采用，如通用卡迪拉克s e v i l l e ， x l r ，s r x 等高级车型己经使用了该系统，不过目前正在开发中的新一代材料将降低成 本，可配备中型车等多种车型，应用范围广泛。到2 0 0 6 年，将有大量配备该系统的车 辆亮相。m a g n e r i d 悬挂系统的核心是一种磁流变液体，系统在减振器活塞使用了磁性 线圈连接各部件，在线圈被磁化后达到改变减振器油粘度的效果。它可以在特别高的速 度( 例如每秒往复1 0 0 0 次) 时改变减振器的运动方式，这比现在的电子控制机械减振 系统的大约每秒往复1 0 0 次进步了许多。它在真实情况下，根据监测车身和车轮运动状 况的传感器输入的信息对路况和驾驶环境作出实时响应。这种经过生产验证的控制系统 以良好的性能价格比和可靠的部件结构提供快速、平顺和连续可变的阻尼力，减少了车 身振动并增加了轮胎与各种路面的附着力。目前，有关磁流变体材料及器件的研究已扩 展到汽车、机械、土木工程、航空航天等领域【3 1 1 。我国有关磁流变技术研究起步较晚， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 目前基本还处于实验室阶段。 表1 1 磁流变体的性质和应用范围 t a b l e1 1t h ep r o p e r t i e sa n df i e l do fa p p l i c a t i o no fm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d s 1 3 磁流变液制备过程存在的主要问题及磁性粒子研究现状 1 3 1 磁流变液制备过程存在的主要问题 目前阻碍磁流变液应用的主要难题是：提高磁流变液的磁致剪切应力的手段有限， 通常是通过改善磁性粒子在载液中的质量比例或者提高磁性粒子的饱和磁强度的方法 来实现，但该方法对磁致剪切应力的改性效果非常有限。磁性颗粒( 一般为羰基铁粉 7 2 趴m 3 ) 密度大，与载液相容性差而容易沉降，特别是长期静置后易结块难再分散而 失去磁流变性能；磁流变液长时间使用发生氧化，导致磁性下降，剪切应力降低。改 善沉降性的主要措施是添加表面活性剂、触变剂和粘度调节剂，将硬沉降转变为软沉降； 提高抗氧化性的主要措施是采用铁磁性合金颗粒、添加抗氧化剂或在磁性颗粒表面镀上 抗氧化性强的金属层；采用表面改性的核壳复合磁性响应粒子作为m r f 分散相是目前 研究的一个热点。? 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 2 磁流变液磁性粒子研究现状 磁性颗粒是磁流变液的主要组成部分。由于材料来源和性能的原因，使用最多的磁 性材料是羰基铁粉末f 4 2 删。而由于铁磁颗粒密度较大( 7 - - - 8g e m 3 ) ，而一般载液( 如