磁流變液的制備、機理和應用

2010-02-05 龔興龍 中國科學院材料力學行為與設計重點實驗室

1、引言

  磁流變液(Magetorheological Fluid,簡稱MRF)和磁流體(Magnetic Fluid,簡稱MF)是兩個容易混淆的概念。雖然它們都是用磁性微粒分散在合適的液態載體中形成的,但由于懸浮粒子的尺寸范圍不同,因而它們的物理特性和應用領域也不同。

  從粒子材料和尺寸上說,磁流體中懸浮粒子的直徑在1~10nm范圍內,通常用合適的表面活性劑將懸浮粒子分散在液體中,由于粒子的尺寸小,布朗運動可以阻止粒子沉淀和團聚,其穩定性能好;而磁流變液,懸浮粒子的直徑為0.1~500μm,粒子較大,布朗運動無法阻止顆粒沉淀和團聚,必須采取如表面包裹、復合等方法來降低整個顆粒的密度,提高材料的穩定性。從受外加磁場作用而表現出來的力學性能看,磁流體的屈服應力變化通常在幾Pa到幾百Pa之間;而磁流變液的屈服應力變化通?蛇_數十kPa,比磁流體的控制范圍大得多。再從二者應用角度看,磁流體主要是利用其粘度變化進行物質分離,機械裝置的承載和密封等;而磁流變液主要是利用其提供的大剪切力矩,制作阻尼器件,實現阻尼控制和力矩傳遞。

  本文嘗試就我們的研究工作,向各位磁流體研究者介紹磁流變液的制備、機理、測試、應用和發展。

2、磁流變液的研究概況

  1948年Rabinow首先提出了磁流變液的概念。它是將微米尺寸的磁極化顆粒分散于非磁性液體(礦物油、硅油等)中形成的懸浮液。在零場情況下,磁流變液表現為流動性能良好的液體,其表觀粘度很;在強磁場作用下可在短時間(毫秒級)內表觀粘度增加兩個數量級以上,并呈現類固體特性;而且這種變化是連續的、可逆的,即去掉磁場后又恢復到原來的狀態。然而,從50年代到80年代期間,由于沒有認識到它的剪切應力的潛在性以及存在懸浮性、腐蝕性等問題,磁流變液發展一直非常緩慢。進人90年代,隨著制備技術的提高,磁流變液研究重新煥發了生機,成為當前智能材料研究領域的一個重要分支。

  目前國外已有十幾個國家投巨資,對該項目進行加速研究和開發,競相發展這一技術。美國LORD公司的Carlson和Weiss等人在磁流變液性能研究和應用開發方面取得了較為突出的成就,使LORD公司在國際上第一個推出商用磁流變器。美國加州州立大學的Zhu和Liu等人對磁流變液的流變學,特別是微觀結構進行了大量深入的研究。美國Notre Dame大學的Dyke和Spencer等人將磁流變液阻尼器用于大型結構地震響應的控制。另外,白俄羅斯傳熱傳質研究所的Kordonski等人在磁流變液的拋光和密封應用方面取得了較大的進展。德國Kormann等人在對顆粒直徑、表面層等作了適當修飾改進后,已研制出穩定的納米級磁流變液(具有和磁流體幾乎完全相同的組成),在0.2T的中等磁場作用下,屈服應力可達4kPa。我國的磁流變液研究工作起步較晚,近幾年來國內先后有中國科技大學、復旦大學、重慶大學、西北工業大學、中科院物理所、重慶智能材料結構研究所等數十家科研機構和院校也都相繼開展此方面的研究工作。隨著研究的深入和MRF性能的提高,該技術開始在機械工程、汽車工程、控制工程、精密儀器加工及航空航天等領域得到初步的應用,已顯示了巨大的市場應用潛力。

3、磁流變液的制備

  磁流變液一般由鐵磁性易磁化顆粒、母液油和穩定劑三種物質構成。鐵磁性(軟磁性)固體顆粒有球狀、棒狀和紡錘狀三種形態,密度為7~8g/cm3,其中球形顆粒的直徑在0.1~500μm范圍內。目前可用作磁流變液的鐵磁性固體顆粒是具有較高磁化飽和強度的羰基鐵粉、純鐵粉或鐵合金 。由于羰基鐵粉飽和磁化強度為2.15特斯拉,且物性較軟、具有可壓縮性、材料成本低、購買方便,已成為最常用的材料之一。磁流變液的母液油(分散劑)一般是非導磁且性能良好的油,如礦物油、硅油、合成油等,它們須具有較低的零場粘度、較大范圍的溫度穩定性、不污染環境等特性 。穩定劑用來減緩或防止磁性顆粒沉降的產生。因為磁性顆粒的比重較大,容易沉淀或離心分離,加入少量的穩定劑是必須的。磁流變液的穩定性主要受兩種因素的影響:一是粒子的聚集結塊,即粒子相互聚集形成很大的團;二是粒子本身的沉降,即磁性粒子隨時間的沉淀。這兩種因素都可以通過添加劑或表面活性劑來減緩。由超精細石英粉形成的硅膠是一種典型的穩定劑,這種粒子具有很大的表面積,每個粒子具有多孔疏松結構可以吸附大量的潮氣,磁性顆?捎蛇@些結構支撐均勻地分布在母液中。另一方面,表面活性劑可以形成網狀結構吸附在磁性顆粒的周圍以減緩粒子的沉降。穩定劑必須有特殊的分子結構,一端有一個對磁性顆粒界面產生高度親和力的釘扎功能團,另一端還需一個極易分散于某種基液中去的適當長度的彈性基團。

  將這三種物質按一定的比例混合均勻,即可形成磁流變液。良好的磁流變液必須具有下列性能:

  (1)具有優良的磁化和退磁特性,以保證磁流變液的磁流變效應是一種可逆變化。因此這種流體的磁滯回線必須狹窄,內聚力較小,而磁導率很大,尤其是磁導率的初始值和極大值必須很大;

  (2)應具有較大的磁飽和特性,以便使得盡可能大的“磁流”通過懸浮液的橫截面,從而給顆粒相互間提供盡可能大的能量;

  (3)應具有較小的能量損耗,在工作期間,全部損耗(如磁滯現象、渦流現象等)都應該是一個很小的量;

  (4)應具有高度磁化和穩定的性能,這就要求磁流變液中的強磁性粒子的分布必須均勻,而且分布率保持不變;

  (5)應具備極高的“擊穿磁場”,以防止磁流變液被磨損并改變性能;

  (6)應在相當寬的溫度范圍內具有極高的穩定性,以保證磁流變液的流變性能不會在正常工作溫度范圍內發生改變;

  (7)構成磁流變液的原材料應是價廉的而不是稀有的。

  目前國際上關于磁流變液材料制備方法和工藝的報道比較多。中國科技大學磁流變研究組陳祖耀、江萬權等人用Y-輻射技術產生直徑在200nm~5μm 的Co粒子,并將鐵顆粒表面復合此納米尺寸的Co粒子,形成鐵復合物為懸浮粒子制備的磁流變液。在中國科技大學的旋轉式磁流變液測試系統上測試,結果表明剪切屈服應力顯著增大;用直徑為2.5μm~8μm羰基鐵粉分散于硅油中,并用偶聯劑預先處理,改善液態相和固態相的相容性,可有效防止粒子沉淀,該磁流變液效應顯著,且具有較大的溫度穩定性。2002年,中國科學技術大學磁流變研究組成功地篩選制備了KDC—1磁流變液,該樣品實驗室工藝穩定,有較大的剪切屈服強度和沉降穩定性,其主要力學性能指標與美國Lord公司產品接近,F已完成對3家友鄰研究單位KDC—1 MRF小批量實驗室規模供給,反映良好。