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水基磁流变液稳定性的研究 材料物理与化学专业硕士研究生李发胜 指导教师张平教授 士f 蠡矗哥 j l 哪文 磁流变液是以载波、铁磁性颗粒、舔加剂组成的悬浮体系，是一种新型的智能材料，在 外磁场作用下其流变性能够发生快速可逆变化且具有较大的剪切应力。水基磁流变液相比于 油基磁流变液具备独特的特点，近年来在磁流变抛光等领域受到广泛的荚注。但是，一般所 选用的铁磁性颗粒具有较大的比表面积和密度，在使用和放置过程中极易发生团聚和沉降 从而严重影响到水基磁流变液的流变性能，直接制约着这种智能材料的应用和产品化，这也 是磁流变液研究中的共性问题。国内在这方面的系统研究不多，本论文采用加入表面活性剂 ( 分散荆) 、触变剂、纳米颗粒的方法，以期解决水基磁流变液分散稳定性，抗沉降稳定性等 问题。 本文立足于求基磁流变液稳定性的基础研究。首先，在对水基磁流变渡分散机理的分折 基础上，系统研究了表面蒋性剂( 分散剂) 对体系稳定性的作用。在研究中，采用测量悬浮 相颗粒的电泳淌度及z e m 电位来衡量铁磁性颗粒表面电荷及颗粒问的静电斥力；以测量悬浮 液吸光度的变化间接反映体系的分散稳定性。以双电层理论为基础，从理论上分析了表面活 性荆( 分散剂) 可以增强水基磁流变液中磁性颗粒表面电势，从而增加颗粒团聚的空间阻力。 实验结果表明：在碱性环境中，聚丙烯酸能够在羰基铁粉表面形成良好的吸附，显著提高颗 粒表面的电势，从而提高了水基磁流变液的分散稳定性。 其次，本论文分析了改性膨润对水基磁流变液抗沉降稳定性的作增枕理，并研究了各 种因素对膨润土触变性的影响研究表明：改性膨润土在水中形成的二维网络结构增大了颗 粒沉降时的阻力，能蟛有效的提高水基磁流变液的抗沉降性能但水基磁流变液体系中的表 面活性剂、电解质，体系的p h 值都能改变蒙脱石颗粒的表面电性，从而影响膨润土的触变效 果。 第三，纳米f e ，吼因其特有的性质，对水基磁流变液的分散性、抗沉降性及力学性能都能 起创改良和加强的作用。本论文在总结前人研究的基础上，确定通过化学共沉淀法制备纳米 级f 勺0 4 粉体的可行性并对所制各的纳米蝻q 进行了袭征。实验结果表明；所制备的纳米 f e ，0 4 颗粒粒径在2 0 5 之间。具有较高的比饱和磁化强度。 最后住综合上述研究的基础上，制各了加入表面活性剂、触变剂、纳米f e ，0 。颗粒的水基 磁流变液。并对所制各样品的分散、抗沉降、力学性能进行了研究分析。结果表明，所制各 的水基磁流变液具有良好的分散性能和抗沉降性能，在5 0 0 0 g s 磁场强度f ，它们的剪切屈服 强度都能达到5 0 “p a 以上。 关键词：水基磁流变液磁流变效应电泳淌度分散稳定性抗沉降稳定性 t h er e s e a r c ho f a q u e o u sm a g n e t o r h e o l o g i c a l f l u i d ss t a b i l i t y m a j o r ：m a t e r i a lp h y s i c sa n dc h e m i s t r y s u p e r v i s o r ：p r o f p i n gz h a n g a u t h o r ：f a s h e n gl i a b s t r a c t a m a g n e t o r h e o h i g i e a lm 砒e r i a lc o m p r i s i n ga na q u e n u sc a r r i e rf l u i d m a g n e t i c - r e s p o n s i v ep a r t i c l e si m v m ga v e r a g ed i a m e t e r so f5 u r u m o b t a i nt h ew i d e s p r e a d a t t e n t i o no nm a g n e t o r h e n l o g i e a lp o l i s h i n gb e c a u s ei t st m i q u em e r i t 1 1 1 cn u i d s t y p i c a l l y i n c l u d ef e r r o m a g n e t i co rp a r a m a g n e t i ep a r t i c l e sd i s p e r s e di nac a r r i e rf l u i d t h e p a r t i c l e sb e c o m eo r g a r a z e di n t oc h a i n so f p a r t i c l e sw i t h i nt h ef l u i d s t h ep a r t i c l eo h a i l 堪 i n c r e a s et h ea p p a r e n tv i s c o s i t yo f t h ef l u i d 1 1 wp a r t i c l e sr e t u r nt o u n o r g a n i z e ds t a t e w h e nt h em a g n e t i c 丘e l di sr e m o v e d 。w h i c hl o w e r st h ev i s c o s i t yo ft h ef l a i d t h e s o m i x t u r e st e n dt or e u n i t ea n ds e t t l ea saf u n c t i o no ft i m ew i t ht h es c a l i n gr a t eg e n e r a l l y i n c r e a s i n ga st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h er e a s o nw h yt h ep a r i t i l e st e n dt or e u n i t ei s t h es p e c i f i cs u r f a c ea t e ai sl a r g eo f t h em a g n e t i c r e s p o n s i v ep a r t i c l e s ；o n eo f t h er e a s o n s w h yt h ep a r t i c l e st e n dt os e t t l ei st h el a r g ed i f f e r e n o ei nd e n s i t yb e t w e e nt h ew a t e ra n d t h em o n a lm a g n e t o r h e n l o g j c a la c t i v i t yo ft h em g e f i a ld u et on o n - u n i f o r mp a r t i c l e d i s t r i b u t i o n i tr e q u i r e sar e l a t i v e l yh i 曲s h e a rf o r c et or e - s u s p e n dt h ep a r t i c l e sa f t e r r o l l n i t e da n ds e t t l e d n l i sg e n e r a lc h a r a c t e rp r o b l e mn e e du r g e n t l y b u tt h es y s t e m i c r e s e a r c hi nt h i sa s p e c ta r ei n f r e q u e n ti ni n t e r n a l n d se x p e c t a t i o no fp r e s e n tp a p e ri st o s o l v et h ee o n t r a d i e t i o no fd i s p e r s e rs t a b i l i t yb yt h et i m e s e t t l i n gs t a b i l i t yw i t ht h e v i s c o s i t yo fs y s t e m ，b ya d d i n gt h es u r f a c ea c t i v ea g e n t ( d i s p e r s i n ga g e n t ) ，t h i x o t r o p i c a g e n ta n dt h es a n ep a r t i c l e se ta 1 t m sa r t i c l eb a s e si nt h ea q u e o u sm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d sb a s i cr e s e a r c h t h e f i r s t , r e s e a r c hf u n c t i o no ft h es u r f a c ea c t i v ea g e n t ( d i s p e r s i n ga g e n t ) t ot h es y s t e m s s t a b i l i t ya f t e ra n a l y s i s e dt h ed i s p e r s em e c h a n i s mo ft h ea q u e o u sm a g n e t o r h e n l o g i c a l n n i d i nt h er e s e a r c h s u r v e y e dt h ee l e c t r o p h o r e t i om o b i l i t ya n dt h ez e t ae l e c t r i c p o t e n t i a lo ft h es u s p e n d e e lp h a s ep e l l e tt oa n a l y z e dt h ed e c m ec h a r g eo fa d s o r b i n g s u r f a c ea n dt h ee l e c t r o s t a t i cr e p u l s i o nb e t w e e np e l l e t s t h ed i s p e r s i b l es t a b i l i t yo f s y s t e mi si n d i r e c te h e c k e db ys t u d y i n gt h ee v o l u t i o nw i t ht i m eo f t h en o r m a l i z e do p t i c a l a b s o r b a n c eo fd i l u t es u s p e n s i o n sf o rd i f f e r e n lc o m p o s i t i o n so ft h ea q i l e n l l 8d i s p e r s i o n m e d i a t a k et h ee l e c l f i cd o u b l el a y e rt h e o r ya st h ef o u n d a t i o n ，t h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d i i 西南大学硕十学竹论文a b s t r a c t t h es u r f a c ea c t i v ea g e n t ( d i s p e r s i n ga g e n t ) c a nb ei i l c r c a s et h es u r f a c ee l e c t r i cp o t e n t i a l o fp e l l e t si nt h ea q u e o u sm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d a tt h es a r l l et i m e , t h es t e r i c r e p u l s i o ni n c r e a s eb e t w e e nt h ep e l l e t s ，t h eh i n d r a n c eo fr e u n i t ei n c r e a s e t h e e x p e r i m e n t i n d i c a t e dt h ep o l y a e r y l i ea c i dc o u l df o r mt h eg o o da d s o r p t i o ni nt h e c a r b o r t “p o w d e r e di r o ns u r f a c e o b v i o u s l ye n h a n c e d t h ep e l l e ts u r f a c et h ee l e c t r i c p o t e n t i a ls t r e n g t h , t h u s e n h a n c e dt h e d i s p e r s i b l es t a b i l i t y o fa q u e o u sm a g n e t o - r h e o l o 面e a lf l u i d t h es e c o n d s t u d i e dt h em e c h a n i s mo f t h eb e n t o n i t e sa n t i s e t t l i n gs t a b l ea c t i o ni n a q n e o u sm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d a n dh a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h ei n f l u e n c eo f e a c ho ff a c t o rt ot h eb e n t o n i t e s t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h eb e n t o n i t ei nt h ea c l n e o u s m a g n e t o r h e n l o g i e a lf l u i di se x t r e m e l ys e n s i t i v et ot h ee n v i r o n m e n t , t h es u r f a c ea c t i v e a g e n t 。t h ec h e r m c a lc o m p o u n d ，t h ep h v a l u ea l lc a nt h r o u g ht h ec h a n g em o n t m o r i l l o n i t e p e l l e ts u p e r f i c i a l e l e c t r i cp r o p e r t i e s , t h u sd e s t r o y st h et h r e e d i m e n s i o n a ln e t w o r k s t r u c t u r e sw h i c ht h e yf o r ma n da f f e c tt oi t st h i x o t r o p i e n l ee x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a t t h eb e n t o n i t ec a ne f f e c t i v ee n h a n c et h ea q u e o u sm a g n e t o r h e o l o g i e a lf l u i d sa n t i s e t t l i n g a b i l i t y t h e 蛳f d s t u d i e dt h ea p p r o a c ho fp r e p a r a t i o nn a n o m e t e rf e 3 0 4p e l l e ti nc h e m i c a l m e t h o d n a n o m c t e l f e 3 0 4h a v em a n yu n i q u ec h a r a e t e r i s t i c s ，i tg ：a n 岛l h a n c et h e a n t i r e u n i t ea b i l i t y , t h ea n t i - s e t t l i n ga b i l i t ya n dt h em e c h a n i c sc a p a b i l i t yo ft h ea q u e o u s m a g n e t o r h e o l o g i e a lf l u i d s t h ep r e s e n tp a p e rs u m m a n z e dt h ep r e d e c e s s o rs t u d i e s 。 d e t e r m i n e dt h r o u g hc h e m i s t r yc o p r e c i p i t a t i o nm e t h o dp r e p a r a t i o nn a n o m e t e rf e 3 0 4 p o w d e ri sf e a s i b l e ，a n dc h e c k e dt h en a n o m e t e rp e l l e t sp h y s i c a lp r o p e r t ya n dc h e m i c a l p r o p e r t y f i n a l l yi nt h ee x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o r m e r , p r e p a r e dt h em a g n e t o r h e o l o g i e a l f l u i dw i t ha d d i n gt h es u r f a c ea c t i v ea g e n t ，t h et h i x o t r o p i ca g e n t , t h er k a n op a r t i c l e s a n d t h ed i s p e r s e ra b i l i t y , t h ea n t i s e t t l i n ga b i l i t y , m e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo ft h es a m p l eh a s i n v e s t i g a t e d t h er e s u l ti n d i c a t e d p r e p a r e st h ea q u e o u sm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i di nt h i s w a yc a no b t a i nt h eg o o dd i s p e r s i b l ea b i l i t yp e r f o r m a n c e ，t h ea n t i - s e t t l i n gp e r f o r m a n c e ， t h ef l u i d se x h i b i ta 们e l d st r e s so f 5 0 k p at i n d e ra n la g n e t i cf l e l do f 5 0 0 0 g s k e y w o r d ：a q u e o u sm a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d ，m a g n e t o r h e o l o g i e a l e f f e c t , e l e c t r o p h o r e t i cm o b i l i t y , d i s p e r s i n gs t a b i l i t y ，a n t i s e t t l i n gs t a b i l i t y u i 独创性声明 学位论文题目： 止墓趣溘i 盎菠旋瘟灶萄通瘟l 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 学位论文作者：辛发胜 签字日期： 加7 年毋月二穸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，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。本人授权西南大学研究生院( 筹) 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，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：夸殁胜 签字日期：z 扩口7 年4 月力日 导师签名：1 诧潍 签字日期：矗州7 年4 月，5 日 第l 章绪言 水基磁流变液是以水为载液的磁流变液，作为一种智能材料，以独特的优点 使其在磁流变抛光等领域受到越来越多的重视。为体现磁流变材料研究的连续性， 本章将首先介绍磁流变材料的发展概况及机理分析，再就国内外对水基磁流变液 的评价和应用研究进行综述，建立该领域必备的背景知识，并在此基础上提出本 文的主要研究内容。 1 1 磁流变液 1 9 4 5 年w i m l o w 发现电流变效应【l 。，就在w i n s l o w 申请电流变液专利( 1 9 4 7 ) 的第二年，美国的r a b i n o w 发明了用于磁流体离台器( 1 9 4 8 ) 的磁流变液1 3 川， 同时申请了专利用。由于电场与磁场之间是对偶的而且电流变和磁流变材料的作 用机理十分相似( 都是由颗粒极化引起的) 。因此这两种材料被归为同一大类智能 材料：电磁流变材料。 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 , i v l r f ) 一般是由载液、微米或亚微米尺寸 的铁磁性颗粒、稳定剂等组成的悬浮体系。磁流变液的特点是：在无外加磁场时。 磁流变液呈牛顿流体状态，流动性与载液基本相同。当施加一外磁场后，体系粘 度瞬间增大，从自由流动状态变为半固态或固体状态，体系的屈服强度和表观粘 度增加2 3 个数量级。同时体系的热力学、磁、光、声等性质也会发生大幅度的 改变。其中体系的屈服强度和表观粘度能够受外加磁场的调控，随着外加磁场强 度的变化而变化。磁流变液的这种粘度随外加磁场发生变化的效应披称为磁流变 效应( m a g n e t o r h e o l o g i c a l e f f e o t 。m r e ) 。磁流变液的另一个特点是：当撤除磁场后， 颗粒叉能迅速地恢复到自由状态，整个材料的粘度也相应降低，重新呈牛顿流体 状态，这种完全可逆的变化能在毫秒级的时间内完成。磁流变液的这一可控特性 使其可以在许多领域得到广泛应用，如机械、电子、航空航天、化工，能源、冶 金、仪表、环保、医疗等。 在磁流变液发明之初。与电流变液相比，当时所制各的磁流变材料很不稳定， 而且缺乏系统的理论支持、无可靠的应用酊景。因此磁流变液长期宋被人们所重 视，大多数科技人员都把精力放在电流变技术的开发与应用上，致使磁流变技术 的发展妊期滞后于电流变液技术。但随着世界科技的发展，人们对流体传动介质 的要求越来越高，电流变液的性能在某些方面显得力不从心，于是人们便开始更 多的关注磁流变技术。磁流变液可以看成是电流变液的磁模拟，但在许多方面磁 流变液拥有更优良的性能：o ) 较高的剪切屈服应力。这是因为微米及亚微米级的 磁性颗粒本身就具有固有磁矩，一般情况下磁流变液的剪切屈服应力比电流变液 大一个数量级左右 6 - 7 1 ；( 2 ) 温度范围宽。磁流变液雒在- 4 01 5 0 c 范围内工作，且 性能变化很小，而电流变液的使用温度范围要较磁流变液小一些【6 l ：( 3 ) 在安全方 面电流变液在工作时需要很高的电压，往往超过上千伏，这就要有高压供电装 西南大学硕十学伸论文绪言 置。而磁流变液工作电压比较低，十几优的电压就能满足要求h 1 ；( 4 ) 粘度较小， 无外磁场作用时。磁流变液可自由流动，其塑性粘度通常在0 2 i p a s 范围内，比 电流变液要小；( 5 ) 稳定性好，电流变液易受制造和应用中化学杂质的影响，而磁 流变液原材料无毒、环境安全、与多数设备的兼容性良好。 磁流变液与电流变液相比的缺点有响应时间较慢等 1 2 磁流变效应 磁流变液之所以具有磁流变效应，是因为有磁场存在时，磁性颗粒被磁化而 产生偶极矩。通过偶极子之间的相互作用，为了达到能量最小要求磁性颗粒连 结成链状结构，排列方向与磁力线方向一致，如图1 1 所示。要打破这种有序的结 构，需要一定的剪切力。随着外加磁场强度的增大，这种链状结构进一步发生聚 集，形成柱状或复杂的团簇状结构【l “。因此，当外加磁场强度较小时，构成的链 状结构比较松散，剪切应力较小，随着磁场强度的增加，链状结构强度增大，稳 定性大，使之变形和断裂所需的剪切力增大。由于磁性颗粒具有一定的固有磁矩， 故其流变学性质的变化比较显著。 圈1 1 有无磁场时。磷流变液内颗粒分布示意圉 对磁流变液在外磁场作用下发生类液一固相变过程和类固体结构的观察可以 直观地反映磁流变液对磁场的响应过程。既有利于固化机理研究，也可从中寻求 磁性颗粒在磁场下有序分布的结构信息考察固一液之间的相互作用。为制各性 能更加优越的磁流变材料提供依据。然而，磁流变液中固相颗粒一般为深色或黑 色，使观察磁流变液相变的实际情况极其困难。对结构演化系统深入的研究工作 很少，浓悬浮体系的结构形成和实验观察工作未见有报道。有些研究者采用液体 石腊作载液，在施加一磁场后，侄体系在原位下充分冷却然后切片观察磁性颗 粒在磁场下的排列状态，这对研究实际磁流变液有定的参考价值】。j l i u 和 s h c n gp i n g 等分别运用能量最低原理，推测磁流变液应具有体心立方构型t ”。”。随 后s h e n gp i n g 课题组在实验中使用同时具备电磁流变效应的材料，用s e m 图象观 测到在极稀条件下电磁流变固化样品中确实存在这种结构【1 4 1 。c t b o s s i s 等从交流变 磁场诱导粒子偶极作用出发从理论上推导在理想情况下，磁流变液应该形成类 似液晶的结构类型i ”4 7 1g g u l l e y 和r t a a 考虑体系的粒子偶极作用、粘滞力和布 2 西南大学硕十学位论文绪言 朗运动的相对强弱，认为在小同条件下可能形成不同的结构( 体心立方构型或链 柱状结构) ”。由于磁性浓悬浮体系存在多种作用力，因此磁流变液的固化过程 和实际结构可能更加复杂。 磁流变液在磁场下的液固转化涉及复杂的热力学和动力学过程，有关磁流变 液机理和结构的研究，以及理论模型的建立都是在对实际状态进行一定程度简化 情况下得出的结论。e l e m a i r e 和g b o s s i s 将组成磁流变液的固体磁性颗粒看成孤 立的磁性小球，磁流变液固化后结构看成相互独立的磁性单链，用类似电流变液 的处理方法考虑两个磁极化小球作用力，计算出磁流变液的屈服应力【1 9 1 ，这样 计算得出的屈服应力较实际的实验值要小。r r o s e n s w e i g 和同事提出平均场连续 模型，运用m a x w e l l 应力张量和非对称应力分析，得到应力与应变的关系i ”1 。 e l e m a i m 等随后运用虚能原理，也计算出乎均场连续模型的应力i 圳。e l e m a i r e 等还针对微米级非磁性粒子分散在磁性液体和普通磁流变液中，用平均场连续模 型分别提出考虑宏观结构和短程作用力的屈服应力计算公式田1 。j g i n d e r 和 l ，d a v i s 等在一系列论文中采用有限元方法，计算两维模型中单链磁性小球间的作 用力，然后推算出屈服应力1 2 4 - 2 5 1 。唐新鲁在他的博士论文中，在平均场模型下运 用m a x w e l l 应力张量，分析磁性颗粒问的磁场增强和颗粒的磁化饱和对应力产生 的影响，并对二维层状结构和三维柱状结构分别提出了计算屈服应力的公式口6 1 。 磁畴理论可以解释磁流变效应。在磁流变液流体中，每一个小颗粒郝可以看 作一个小磁体。在这种磁体中，相邻原子问存在着弧交换耦合作用。它促使相邻 原子的磁矩平行排列，形成白发磁化饱和区域即磁畴。没有外磁场作用时，每个 磁畴中各个原子的磁矩排列取向一致。而不同磁畴磁矩的取向不同。磁畴的这种 排列方式使每一颗粒处于能量最小的稳定状态。因此，所有颗粒平均磁矩为零， 颗粒不显磁性。在外磁场作用下，磁矩与外磁场同方向排列时的磁能低于磁矩与 外磁场反方向排列时的磁能，结果是自发磁化磁矩成较大角度的磁畴体积逐渐缩 小。这时颗粒的平均磁矩不等于零，颗粒对外显示磁性，按序排列相接成链。当 外磁场强度较弱时，链数量少、长度短、直径也较细，剪断它们所需外力也较小。 随着磁场不断增大，取向与外磁场成较大角度的磁畴全部消失留存的磁畴开始 向外磁场方向旋转，磁流变液中链的数量增加，长度加长，直径变粗磁流变液 对外所表现的剪切应力增强；再继续增加磁场，所有磁畴沿外磁场方向整齐排列， 磁化达到饱和，磁流变液的剪切应力也达到饱和口”。 h a y t e r 等导出的磁流变液的剪切应力【2 s i 一， 棵 f = r o ，+ 风爿；妒= 生一( 1 - i ) z 十z o 式中：枷为基液粘度；y 为剪切率：胁为外加磁场强度；p 为颗粒体积分数； 如为液体旋转轴和磁场间的夹角：洳为颗粒的磁化率。 j o l l y 等在假设颗粒的磁偶极矩相同，相互吸引的颗粒沿磁场方向成直线分布， 且只有平行于磁场的相l 临颗粒之间才存在磁相互吸引作用的条件下，将磁流变液 的剪切屈服强度表不为2 ： 。：型生型二 ( 1 2 ) 2 z , u , u o d ( 1 + f2 ) j 式中：d 为颗粒的直径；r o 为颗粒中心的问距：f 为颗粒问的剪切应变；m 为 颗粒的磁偶极矩。 1 - 3 磁流变液的组成 典型的磁流变液主要由三部分组成：分散相的磁性颗粒、连续相的载液和稳 定剂”i 。 1 3 1 分散相 磁流变液具有磁流变效应的最根本原因在于分散相颗粒的磁化性能，性能良 好的磁流变液在有外加磁场时应具有较大的剪切屈服应力，因此分散相颗粒的选 取直接决定磁流变液磁性能的好坏。同时，分散相颗粒的选择还关系到磁流变液 的分散、抗沉降、抗氧化及耐磨等稳定性。因此，在选择分散相时一般要遵循以 下原则：( 1 ) 磁流变效应是一种表观枯度变化比较大的可逆变化，因此分散相颗 粒的矫顽力应尽可能的小，而磁导率要尽可能的大，尤其是磁导率的初始值和极 大值必须大；( 2 ) 为保证有尽可能大的“磁流”能过磁流变液的横截面，从而为颗粒 问提供尽可能大的磁力，分散相颗粒应具有尽可能大的饱和磁化强度：( 3 ) 磁流 变液在交流电值流电下工作时。其能量耗应该较小，因此分散相颗粒应该具有尽 可能小的磁滞回曲线，即磁能积( b h ) 应该很小；( 4 ) 磁流变液中所使用的分散 相颗粒的粒度分布应该是均匀的，且分弗率不变，这样能保证其高度磁化和较好 的稳定性；( 5 ) 考虑到磁流变液工作时颗粒间的磨擦作用，分散相应该具有很好 的耐磨性，以防止在使用过程中被磨损而改变其磁流变效应；另外，分散相颗粒 还应具各较高的击穿磁场、较宽的温度稳定性、与载液的密度差较小等特点。 一般所选用的分散相为铁磁性物质( 如铁、钴、镍及其合金等 3 1 1 ) 、铁氧磁物 质( f e ，0 4 等) 及其它软磁性物质等。铁是饱和磁感应强度最高的元素( m s 2 i t ) 1 3 又是可吼广泛获得的软磁材料。所以现在主要采用铁和铁基合金来制各磁流 变液中所使用的磁性颗粒。 为了使磁性颗粒在磁场中形成较为牢固的链状结构，使磁流变液具有较大的 剪切屈服应力磁性颗粒的粒径应该足够大，使其能够克服由布朗热运动对链状 结构的破坏。但是颗粒较大会使其更容易沉降，磁流变液的稳定性变差。综合两 方面考虑，微粒尺寸一般选为l 1 0 0 m 。1 3 3 1 在本实验中我们选用羰基铁粉作为水基磁流变液的磁性颗粒，平均粒径为 5 1 t m 。羰基铁是一种软磁性物质，外形呈独特的洋葱球状，具有较小的磁矫顽力、 高磁导率、化学性质单一，更容易被磁化和退磁，且退磁后剩磁较小。 1 3 2 连续相 磁流变液中载液的主要作用是提供一种液体而使固体颗粒均匀分散于其中。 载液的选取也要遵循一定的原则：( 1 ) 为保证磁流变液性质的稳定性，载液应具 有良好的物理化学稳定性，在不同条件的使用过程中，载液的物理化学性质不应 发生变化，即在各种使用环境中不发生分解、不变质；( 2 ) 磁流变液在应用当中， 由于所处的工作环境不同，环境温度和使用温度变化很大。因此为保证磁流变液 在不同地区和不同环境中的应用，载液应具有较高温度适用范围，即在5 0 1 5 0 0 c 环境下使用不发生明显的物理化学改性；( 3 ) 为保证磁流变液在无外磁场时具有 良好的流动性，载液应该具有较低的粘度；( 4 ) 磁流变液的时间稳定性也强烈的 影响到其在实际当中的应用，因此，要保证载液在长时间使用当中，不会发生变 质老化等现象，即要有较高的时间稳定性。另外，载液还应具有较低的磁能密度 和较小的磁能损耗、与分散相应具有良好的匹配性、无毒无害，易回收利用等特 点。在使用中一般采用水、硅油、矿物油、合成烃和其它极性有机液体等做载液 。 具体选用时也要根据所要制各的磁流变液的用途和使用环境来确定 1 3 _ 3 稳定剂 磁流变液中稳定剂的作用是确保磁性颗粒能够稳定悬浮于载液中，并保持整 个悬浮体系的各种性质不发生变化。选择合适的稳定荆可以增加磁流变液的耐久 性，提高其使用稳定性。一般用于磁流变液的稳定剂主要有三种：分散稳定剂、 抗沉降稳定剂和润滑剂。分散稳定剂可以为表面活性剂( 或分散剂) ，一般是含有 双亲基团的低聚物或有强烈分散作用的高聚物。在水基磁流变液中，主要看磁性 颗粒的表匝状态，一般的磁性颗粒的表面是亲水的，因此一般的表面活性剂并不 能产生较好的分散效果，在实际应用中可以使用具有特殊性能的表面活性剂或水 分散剂；抗沉降稳定剂的作用是阻止或延缓磁流变液中磁性颗粒随时间的推移发 生沉淀。使用中主要选用增稠剂或触变刺；润滑剂：磁流变液在使用过程中，颗 粒间的强烈磨擦作用，会造成颗粒或颗| = j ! 表面的强烈损耗，从而影响磁流变液的 使用寿命。因此需要加入一定的润滑荆，改善颗粒间的润滑效果，增强固体颗粒 的抗磨损性能，一般的润滑剂为钼。另外还需要抗氧化荆，因为磁流变液中磁性 颗粒的粒径较小，具有较大的比表面积，颗粒与氧接触的机率较大。实际应用中 所选用的磁性颗粒又极易发生氧化的( 尤其是羰基铁粉) ，因此在使用过程中，应 该加入一定的抗氧化剂，以阻止或减少磁性颗粒与氧接触的机率，防止磁性颗粒 因氧化而结成饼状或块状体丧失磁流变效应。 1 4 磁流变液的制备方法 在磁流变液的制备环节中，如何把磁性颗粒均匀地分敖在载液中并且保持其 良好的分散状态是一个重要的问题。一般在制备过程中都采用加入表面活性剂或 偶联剂等方法。但是在空气中，粉末是以聚集形式存在，这种聚集体可以是以它 西南人学硕十学协论文绪言 们的晶面连接成较硬的集合体也可以是以颗粒的角、棱接触形成的更为松散、 开放的结构形式，这些结构单靠表面活性剂等很难达到良好的分散效果。因此在 实际应用中都需要使用机械分散的方法，如强烈搅拌、机械球磨或超声波分散。 颗粒以角、棱接触形成的较松散的结合体经过搅拌的方式就可以比较容易打开。 而由晶面连接形成的团聚体粉末结台力较强，分散较为困难。而球磨法能将这种 粒子问的固一固相结合破开。同时由于有载液与稳定剂的存在，它们便吸附或钉 轧在粒子新形成的表面上，来降低系统的界面能。所以强烈的搅拌和研磨不但有 利于颗粒的分散，还可以促进稳定剂与颗粒的吸附和反应。图1 2 为制备水基磁流 变液时使用的行星式球磨机的实物照片。 图1 2 实用行星式球磨机设备实物照片 磁流变液在球磨过程中不可避免的能对磁性颗粒产生破坏作用。例如，大的 球形颗粒发生严重变形，甚至发生破裂，从球形变为片状或形成各种各样的形状。 磁性颗粒的这种严重变形会导致其磁性能的下降，影响到样品的屈服强度和响应 时间。同时颗粒的破裂也影响到样品的耐磨稳定性。因此，制各时球磨时间需 要严格控制，时间过短，达不到分散效果，时间过长，会破坏磁性颗粒。一般球 磨时间5 1 0 小时。 制备磁流变液的主要工艺流程为： 1 5 磁流变液的性能研究与评价 研究磁流变液的性能及其影响因素对于研制和应用磁流变液具有重要的指导 意义。一般柬说，不同的应用对磁流变液的要求也不尽相同，但总体上，磁流变 液应具有的性能特征有：良好的分散性及再分散性、良好的抗沉淀稳定性、剪切 屈服应力高、零场粘度低、响应时问快、工作温度范围宽等。因此，在研究或研 制实用的磁流变液时，主要考虑磁流变液的如下性能。 6 留 1 5 1 磁流变液的稳定性 在实际应用当中，磁流变装置( 如减振器等) 对磁流变液的稳定性都有较严 格的要求。稳定性好的磁流变液，在应用当中不仅能保持稳定的性能，其使用寿 命也较长，因此，磁流变液的稳定性是评价磁流变液品质的一个重要指标。 ( 1 ) 分散稳定性 磁流变液中所用的磁性颗粒的粒径一般为微米级( 有些为纳米级) ，极大的比 表面积决定着即使在无外磁场的情况下，它们也极易发生团聚而结成饼状或块状。 从而影响磁流变液的磁流变效应及流动性。可能导致磁性颗粒团聚的因素有静磁 相互作用和范德瓦尔斯相互作用，而阻碍磁性颗粒团聚的因素有静电斥力、热运 动和空间位阻。2 1 下，分散于液体中的铁磁微粒，若能因布朗运动来抗衡由于 静磁相互作用而使微粒团聚的发生，则铁磁微粒的直径的上限约为3 r a n ”l 。因此， 水基磁流变液中磁性颓粒的团聚不可避免的发生。而且颗粒的沉降往往加剧团聚 的发生，从而使磁流变液变质，失效。优良的磁流变液要求在长期放置后有良好 的再分散能力。 ( 2 ) 抗沉降稳定性 磁流变液载液的密度( o 8 l 咖m ) 与磁性颗粒的密度( 4 7 b g c m 3 ) 相差 较大，在静置和使用过程中，不可避免的产生沉降沉降后颗粒之间更容易发生 团聚，形成高度密集，紧密粘住的“硬饼”，很难再分散，从而丧失流动性和磁流变 效应。影响沉降稳定性的因素主要包括颗粒直径的大小、体积分数、颗粒的密度、 载液的密度与粘度等。k o r d o n s k i 通过实验证实颗粒沉降速度与颗粒直径的平方成 正比p q ，当颗粒直径为一定值。随着颗粒体积分数的增加，磁流变液沉降速度线 性减小。 优良的磁流变液一般要求有良好的抗沉降稳定性，但是现在衡量沉降性还没 有统一的标准。美国l o r d 公司的商用磁流变液的标准是1 个月沉降不超过2 0 ， 在本研究中，我们采用这一标准。 ( 3 ) 氧化稳定性 氧化稳定性问题在以纯铁( 羰基铁粉、还原铁粉) 、铁合金为磁性颗粒的磁流 变液中表现较突出，这是因为，微米级的颗粒的表面积比较大，很容易与氧接触， 而铁极易氧化。在水基磁流变液中，循环过程使水中极易溶解大量的氧，同时， 铁粉在水中也易形成原电池，从面加速铁的氧化。铁粉氧化后能使磁性颢粒结成 块状或难以重新分散的饼状，而失去流动性。再者。铁的氧化物的饱和磁化强度 较羰基铁低几个数量级，从而降低了磁流变液在磁场下的屈服强度。因此，解决 磁流变液在长期使用和放置过程中不发生氧化，或尽量减少氧化是其实用化过程 中的一个重要问题。 1 5 2 屈服强度 性能优良的磁流变液应具有高的剪切屈服强度，这是衡量磁流变液性能的重 西南大学硕十学仲论文绪言 要指标。 在有无磁场作用时，磁流变液的屈服强度发生数量级的变化这是磁流变液 区别于磁性液体的重要特征，也是磁流变液应用的基础。影响碰流变液剪切应力 的主要因素有下面等力面：( 1 ) 由磁偶极子相互作用的模型可得出剪切屈服强度 与饱和磁化强度成正比的结论 3 7 1 ；( 2 ) 在分散相体积分数一定的情况下，随着磁 化率的增加，屈服强度增大唧l ；( 3 ) 在分散相颗粒粒径较小的范围内，磁流变液 的剪切屈服强度随粒径的增大而迅速的增j i l ”i ；( 4 ) 磁流变液的剪切屈服强度在 一定范围内随分散相体积分数的增加而增加。 1 5 3 粘度 性能优良的磁流变液应具有低的零磁场粘度。磁流变液的零场粘度能够影响 其沉降稳定性，同时也影响到它的响应时间及流动性。因此，在制各时应根据使 用要求，确定磁流变液的零场粘度范围。 1 5 4 响应时间 在应用当中，磁流变液装置需要具有极快的响应速度。磁流变液装置的相容 性和产生磁场的能力是影响磁流变液响应时自j 的两个关键因素。磁流变液的响应 时间一般为1 2m s ，磁路的响应时间为0 2 m s ( a - i 忽喻，而磁流变液阻尼器的响 应时间与阻尼器的设计有关且比磁流变液的响应时间长得多。性能优良的磁流 变液应该具有响应时间短，达到稳态时阳j 短等特点。 1 5 5 温度稳定性 温度对磁流变液的影响可依据居里点( c u r i e sp o i n t ) 分为两个区间。当温度远低 于居里温度