肖林京，王傳萍，朱緒力，孫朝陽(yáng)

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島266590)

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磁流變液的流變性能分析

肖林京，王傳萍，朱緒力，孫朝陽(yáng)

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島266590)

制備了以羰基鐵粉為磁性顆粒的硅油基磁流變液，使用Anton Paar Physica MCR 301流變儀測(cè)試其流變性能，用Bingham模型對(duì)磁流變液的流變性能進(jìn)行擬合計(jì)算。實(shí)驗(yàn)表明，Bingham模型可較好地描述磁流變液的流變行為。隨著磁場(chǎng)的增大，磁流變液的剪切應(yīng)力和粘度顯著增大。磁場(chǎng)不變時(shí)，隨著剪切速率增加，磁流變液剪切應(yīng)力增加不明顯，符合剪切稀化的Bingham模型。通過(guò)對(duì)數(shù)擬合的方法，得出磁流變液剪切應(yīng)力和電流的關(guān)系，在電流較小時(shí)，剪切應(yīng)力呈指數(shù)增長(zhǎng)，指數(shù)值約為1.42，隨著電流的增大，剪切應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值。

磁流變液；流變性能；屈服應(yīng)力；流變模型；磁場(chǎng)

磁流變液是由微米量級(jí)的鐵磁性顆粒分布于非磁性液體中形成的懸浮液。在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液由原先的粘性流態(tài)轉(zhuǎn)化為類固態(tài)[1]，其物理性能(如電磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等性能)同時(shí)發(fā)生改變[2-4]。磁流變液的這種性能變化稱為磁流變效應(yīng)，具有可控、快速、能耗低、制備方便等特點(diǎn)[5-6]，廣泛應(yīng)用于車輛、建筑結(jié)構(gòu)、醫(yī)療器械、運(yùn)動(dòng)器材、精密材料拋光和密封等領(lǐng)域[7-9]。

對(duì)于磁流變液這類流體，一般采用Bingham模型、Bivisous模型和Herschel-Bulkley模型來(lái)描述其流變行為[10]。Bivisous模型在磁流變液的彈性和塑形的過(guò)渡階段存在突變，這在一定程度上不能準(zhǔn)確描述磁流變液的流變行為，而三參量的Herschel-Bulkley模型計(jì)算復(fù)雜，因此多采用精度較高且計(jì)算比較簡(jiǎn)單的Bingham模型來(lái)描述磁流變液的流變行為。姚軍等[11]研究了羰基鐵粉的鐵含量對(duì)磁流變液剪切屈服強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)磁流變液中鐵的含量越高，其屈服應(yīng)力越大。朱緒力等[12]對(duì)磁流變彈性體中顆粒磁場(chǎng)力進(jìn)行了分析，得出了顆粒磁場(chǎng)力與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。易成建[10]對(duì)磁流變液的性能進(jìn)行了測(cè)試，并觀察了磁流變液的微觀變化； Berli等[13]提出一種磁流變液的結(jié)構(gòu)粘度模型；Alghamdi等[14]對(duì)磁流變液在傳動(dòng)技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。本實(shí)驗(yàn)研究一種磁流變液在磁場(chǎng)作用下的流變行為，分析不同體積比的磁流變液，其剪切屈服應(yīng)力和磁場(chǎng)強(qiáng)度的依賴關(guān)系，為磁流變液的優(yōu)化及工程應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 磁流變液的流變模型

研究和應(yīng)用中，一般運(yùn)用Bingham模型[10,13]表達(dá)磁流變液的剪切流動(dòng)特性。Bingham模型可表示為：

(1)

磁流變液的屈服應(yīng)力是衡量磁流變液性能的一個(gè)重要指標(biāo)[15]。在屈服應(yīng)力的計(jì)算中，引用最多的是美國(guó)Ford公司的Ginder等利用Maxwell應(yīng)力張量得到的計(jì)算屈服應(yīng)力的公式[15-16]。

(2)

式中：φ為鐵磁性顆粒的體積分?jǐn)?shù)；μ0為磁流變液的磁導(dǎo)率；Ms為鐵磁性顆粒的飽和磁化強(qiáng)度；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2 磁流變液的制備與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 磁流變液的制備

制備鐵磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為10%、20%、30%、40%的磁流變液。按計(jì)算的配比稱取鐵磁性顆粒和基液，鐵磁性顆粒采用江蘇天一超細(xì)金屬粉末有限公司的羰基鐵粉，其平均粒徑為3.3 μm，基液采用二甲基硅油，運(yùn)動(dòng)粘度為10-5m2/s，二甲基硅油和表面活性劑來(lái)自濟(jì)南多維橋化工有限責(zé)任公司。磁流變液的制備流程如圖1所示。羰基鐵粉和表面活性劑混合，用攪拌器高速攪拌后，放入真空干燥箱干燥，然后將處理好的鐵粉和二甲基硅油混合，放入球磨機(jī)進(jìn)行高速球磨數(shù)小時(shí)，即可得到磁流變液。制備好的磁流變液樣品如圖2所示。

圖1 磁流變液的制備流程Fig.1 Preparation process of MRFs

圖2 磁流變液樣品Fig.2 Sample of MRFs

2.2 磁流變液的微觀觀測(cè)

實(shí)驗(yàn)采用Keyence的VHX-600超景深三維數(shù)碼顯微鏡對(duì)磁流變液在磁場(chǎng)作用下的微觀變化進(jìn)行觀察，將制備好的磁流變液滴一滴在載玻片上，蓋上蓋玻片，使液滴鋪展均勻。通過(guò)線圈加鐵芯裝置對(duì)磁流變液施加磁場(chǎng)，電流大小設(shè)置為1 A。磁流變液的微觀變化如圖3所示。

圖3 磁流變液的微觀變化Fig.3 Micro motions of MRFs

由圖3可以看出，無(wú)磁場(chǎng)作用下，磁流變液中的鐵磁性顆粒均勻分散在基液中；磁場(chǎng)作用下，磁流變液中的鐵磁性顆粒相互聚集形成鏈柱結(jié)構(gòu)。

2.3 磁流變液實(shí)驗(yàn)測(cè)試

使用Anton Paar Physica MCR 301平板測(cè)試流變儀測(cè)試磁流變液的流變性能。流變儀在工作過(guò)程中，通過(guò)磁場(chǎng)發(fā)生附件(Physica MRD 180)使磁流變液處于一個(gè)相對(duì)均勻磁場(chǎng)環(huán)境中，該附件采用電場(chǎng)控制內(nèi)置線圈產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)，再經(jīng)導(dǎo)磁骨架將磁場(chǎng)垂直加到磁流變液上，形成一個(gè)閉合的磁路系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，將磁流變液放入測(cè)試區(qū)，然后在不同條件下測(cè)量磁流變液的剪切應(yīng)力。

將體積分?jǐn)?shù)為30%的磁流變液滴入測(cè)試區(qū)，電流分別設(shè)置為0.5、1、2、4 A，剪切速率設(shè)置在0～1 000 s-1范圍內(nèi)變化，測(cè)量磁流變液剪切應(yīng)力的變化，研究磁場(chǎng)作用下，磁流變液剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系。然后將四種不同體積分?jǐn)?shù)的磁流變液分別放入測(cè)試區(qū)，設(shè)置剪切速率為300 s-1，電流0～4 A，依次測(cè)試不同體積分?jǐn)?shù)的磁流變液剪切應(yīng)力的變化，研究不同體積分?jǐn)?shù)的磁流變液剪切應(yīng)力和電流的關(guān)系及相同磁場(chǎng)下磁流變液剪切應(yīng)力和顆粒體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系。

圖4 磁流變液剪切應(yīng)力和剪切速率的擬合Fig.4 Fitting of shear stress and shear rate of MRFs

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系分析

用Bingham模型對(duì)磁流變液的剪切應(yīng)力和剪切速率進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。可以看出，磁流變液的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化不明顯，存在剪切稀化現(xiàn)象。

磁流變液剪切應(yīng)力和剪切速率的擬合計(jì)算結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯S著電流的增大，磁流變液的屈服應(yīng)力和粘度增大。電流從0.5 A增大到4 A時(shí)，磁流變液的屈服應(yīng)力從4.12 kPa增大到32 kPa，粘度從2.26 Pa·s增加到5.89 Pa·s。

表1 磁流變液剪切應(yīng)力和剪切速率的擬合計(jì)算結(jié)果Tab.1 Fitting calculation results of shear stress and shear rate of MRFs

在磁場(chǎng)作用下，鐵磁性顆粒逐漸形成鏈狀結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為屈服應(yīng)力。隨著剪切速率的增加，鏈狀結(jié)構(gòu)發(fā)生傾斜，當(dāng)傾斜達(dá)到一定程度后，顆粒鏈發(fā)生斷裂，在磁場(chǎng)作用下，斷裂的顆粒鏈發(fā)生重組形成新的顆粒鏈。由于在剪切過(guò)程中，并不是全部的顆粒鏈在同一時(shí)刻斷裂，而是部分鏈發(fā)生斷裂，部分鏈依然保持著拉伸傾斜狀態(tài)，因此隨著剪切過(guò)程的進(jìn)行，顆粒鏈的斷裂和重組達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，磁流變液的宏觀剪切應(yīng)力趨于穩(wěn)定。外加磁場(chǎng)越大，顆粒鏈形成的鏈柱結(jié)構(gòu)越多，鏈的平均長(zhǎng)度增加，造成磁流變液剪切應(yīng)力增大。因此相同剪切速率下，磁流變液的宏觀剪切應(yīng)力顯著增大。

3.2 剪切應(yīng)力和外加電流的關(guān)系分析

磁流變液剪切應(yīng)力和電流的關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯?，電流增大時(shí)，磁流變液剪切應(yīng)力顯著增大，后逐漸達(dá)到穩(wěn)定值，其變化范圍為200 Pa～51 kPa。磁流變液中鐵磁性顆粒的體積分?jǐn)?shù)越大，剪切應(yīng)力越大，剪切應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)需要的磁場(chǎng)越大。電流0～2 A，磁流變液剪切應(yīng)力和電流在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，不同體積分?jǐn)?shù)的磁流變液，其剪切應(yīng)力和電流呈指數(shù)關(guān)系。

圖5 磁流變液剪切應(yīng)力和電流的關(guān)系Fig.5 The relationship between shear stress and current

圖6 磁流變液剪切應(yīng)力和電流的擬合Fig.6 Fitting of shear stress of MRFs and current表2 磁流變液剪切應(yīng)力和電流的擬合計(jì)算結(jié)果Tab.2 Fitting calculation results of shear stress of MRFs and current

Volumefraction/%FittingequationR210y=1.4065x+3.72360.9879520y=1.4589x+3.94530.9941030y=1.4097x+4.02800.9969140y=1.4349x+4.15500.99330

磁流變液剪切應(yīng)力和電流的擬合計(jì)算結(jié)果如表2所示。可以看出，不同體積分?jǐn)?shù)的磁流變液，其剪切應(yīng)力和電流呈指數(shù)關(guān)系，指數(shù)值約為1.42。磁流變液剪切應(yīng)力和電流的關(guān)系可以用顆粒間磁場(chǎng)力來(lái)解釋[12]。當(dāng)磁場(chǎng)較小時(shí)，磁流變液內(nèi)的鐵磁性顆粒遠(yuǎn)未達(dá)到磁化飽和，在磁場(chǎng)作用下，顆粒相互作用，形成鏈柱結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為剪切應(yīng)力增加顯著，呈指數(shù)式增長(zhǎng)。隨著磁場(chǎng)的增大，顆粒接近磁化飽和時(shí)，宏觀表現(xiàn)為剪切應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值。由此可以得出，磁流變液剪切應(yīng)力和外加電流的依賴關(guān)系，在電流較小時(shí)，剪切應(yīng)力表現(xiàn)為指數(shù)增長(zhǎng)，指數(shù)值約為1.42，隨著外加電流的增大，剪切應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值。

3.3 剪切應(yīng)力和顆粒體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系分析

不同體積分?jǐn)?shù)的磁流變液剪切應(yīng)力變化如圖7所示?？梢钥闯?，磁流變液內(nèi)鐵磁性顆粒的體積分?jǐn)?shù)從10%增加到40%時(shí)，電流為0.5 A時(shí)，剪切應(yīng)力從2.3 kPa增加到6.5 kPa；電流為4 A時(shí)，剪切應(yīng)力從13.5 kPa增加到50 kPa。由此可以得出，隨著鐵磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，相同電流下對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力增大。并且外加電流越大，剪切應(yīng)力增加越顯著。鐵磁性顆粒的體積分?jǐn)?shù)越大，鐵磁性顆粒間形成的鏈狀結(jié)構(gòu)越密集，宏觀表現(xiàn)為剪切應(yīng)力越大。外加磁場(chǎng)越大，顆粒鏈形成的鏈柱結(jié)構(gòu)越多，鏈的平均長(zhǎng)度增加，宏觀表現(xiàn)為剪切應(yīng)力增大。因此相同的顆粒體積分?jǐn)?shù)，磁場(chǎng)越大，磁流變液的宏觀剪切應(yīng)力越大。

圖7 磁流變液剪切應(yīng)力和顆粒體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.7 The dependence of shear stress on particle volume fraction

4 結(jié)論

通過(guò)理論及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可得出以下結(jié)論：

1) 用Bingham模型對(duì)磁流變液剪切應(yīng)力和剪切速率進(jìn)行擬合分析，得出電流從0.5 A增大到4 A時(shí)，磁流變液的屈服應(yīng)力從4.12 kPa增大到32 kPa，粘度從2.26 Pa·s增加到5.89 Pa·s。電流不變時(shí)，磁流變液的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化不明顯，符合剪切稀化的Bingham模型。

2) 隨著電流的增大，磁流變液剪切應(yīng)力增大，后逐漸達(dá)到穩(wěn)定值，其變化范圍為200 Pa～51 kPa。電流在0～2 A范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)磁流變液剪切應(yīng)力和電流擬合結(jié)果分析，得出磁流變液剪切應(yīng)力與電流呈指數(shù)關(guān)系，指數(shù)值約為1.42，擬合結(jié)果與理論分析結(jié)果一致。

3) 隨著磁流變液內(nèi)鐵磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，相同電流下對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力增大，電流越大，剪切應(yīng)力增加越顯著。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

Rheological Performance Analysis of Magnetorheological Fluids

XIAO Linjing,WANG Chuanping,ZHU Xuli,SUN Zhaoyang

(College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Silicone-based magnetorheological fluids (MRFs) were prepared with carbonyl iron powder as magnetic particles and its rheological performances were tested with Rheometer Anton Paar Physica MCR 301 and calculated with Bingham model.The experimental results show that Bingham model can well describe the rheological behaviors of MRFs.The shear stress and viscosity of MRFs increase significantly with the increase of magnetic field.However,when the magnetic field keeps the same,there is no apparent increase in shear stress with the increase of shear rate,which conforms to the Bingham model of shear thinning.The relationship between shear stress and electric current of MRFs was obtained by using logarithm fitting.It is found that the shear stress of MRFs firstly increases exponentially with the index value being about 1.42 when the current is small,but it tends to be stable as the current increases.

magnetorheological fluid; rheological performance; yield stress; rheological model; magnetic field

2016-01-08

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2011EEM005)

肖林京(1966-)，男，山東臨沂人，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)電傳動(dòng)控制.E-mail:1527510435@qq.com 王傳萍(1991-)，女，山東臨沂人，碩士研究生，研究方向?yàn)榇帕髯儾牧蠝p振.E-mail:wangchuanping10@163.com

TM271;TF125.8

A

1672-3767(2016)06-0043-06