(青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427)

1 前 言

磁流變液是由鐵磁性顆粒、非導(dǎo)磁性載液和添加劑三個部分組成的懸浮液。無磁場作用下，鐵磁性顆粒隨機分散在非導(dǎo)磁性載液中，在磁場作用下，這些鐵磁性顆粒相互吸引，沿磁場方向排成鏈狀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了抵抗剪切應(yīng)力的作用，外觀表現(xiàn)為類固態(tài)。磁流變液的抗剪能力隨磁場變化而變化，當(dāng)移去磁場之后，磁流變液又立即恢復(fù)到自由流動狀態(tài)[1-2]。磁流變效應(yīng)的響應(yīng)時間很短，一般為毫秒級，并且固液態(tài)之間的轉(zhuǎn)化具有可逆性。因此磁流變液作為一種智能材料，具有變化迅速、連續(xù)、高效率、安全可靠等優(yōu)點。相對其他器件，磁流變液器件具有以下優(yōu)點：控制和調(diào)節(jié)具有連續(xù)變化的性能，可以實行精確的實時控制；具有結(jié)構(gòu)簡單，工作柔和、噪音低，響應(yīng)速度快等特點[3]。利用磁流變效應(yīng)開發(fā)的新產(chǎn)品與已有的產(chǎn)品相比，在性能、制造、使用以及價格上有明顯的優(yōu)勢和市場競爭力，己被應(yīng)用于航空、航天、機械、汽車、精密加工、控制等領(lǐng)域[4]。隨著研究的深入，磁流變液將會展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

對磁流變液這類流體，一般采用Bingham模型、Casson模型及Herschel-Bulkley模型來描述其流變行為[5]。Herschel-Bulkley模型為三變量模型，計算比較復(fù)雜，而Bingham模型和Casson模型計算精度高且計算簡單，現(xiàn)階段多使用這兩種模型來模擬磁流變液的流變行為[6]。Bossis等[7]對磁流變液的屈服應(yīng)力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)屈服應(yīng)力和磁場之間存在依賴關(guān)系；Alghamdi等[8]對磁流變液在傳動技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。趙春偉等[9]對磁流變液微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實驗觀測，分析了磁場作用下磁流變液微結(jié)構(gòu)的形成與演化。本實驗研究一種磁流變液在磁場作用下的流變行為，分別運用Bingham模型和Casson模型來擬合磁場作用下磁流變液剪切應(yīng)力和剪切速率之間的關(guān)系，分析磁場作用下磁流變液剪切應(yīng)力的變化。

2 磁流變液的本構(gòu)模型

Bingham模型可表示為：

(1)

Casson模型可表示為：

(2)

3 磁流變液的制備和實驗

3.1 磁流變液的制備

磁流變液的制備材料，使用最多的磁性顆粒是羰基鐵粉，因為它是工業(yè)化的產(chǎn)品，產(chǎn)量大，價格便宜，具有較高的磁導(dǎo)率和低的磁矯頑力，它的磁飽和度約為2.1T，且具有優(yōu)良的軟磁性能。磁流變液的載液應(yīng)具有如下特點：高沸點、低凝固點、化學(xué)穩(wěn)定性好、無毒、無異味、價格低廉等。目前非磁性載液主要有硅油、礦物油、合成油、水和乙二醇等，本實驗中運用二甲基硅油作為載液。

制備羰基鐵粉體積分?jǐn)?shù)為10%的磁流變液，按計算的配比稱取羰基鐵粉、基液和硬脂酸，羰基鐵粉的平均粒徑為3.3μm，基液采用二甲基硅油，其粘度為25cst，表面活性劑采用硬脂酸，硬脂酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為羰基鐵粉的2%。將羰基鐵粉和硬脂酸混合置入不銹鋼容器內(nèi)，用攪拌器高速攪拌數(shù)小時，取出處理后的混合物在真空干燥箱中干燥，使磁性顆粒表面凈化，然后將預(yù)處理干燥后的懸浮相粉體與二甲基硅油在不銹鋼磨罐中混合，經(jīng)高速研磨分散，即得到磁流變液。

3.2 實 驗

本實驗所使用的測試儀器為安東帕Physica MCR 301平板測試流變儀。實驗測試時，將磁流變液放入流變儀上、下平板之間，在無磁場的條件下以50s-1的剪切速率剪切150s，以保證磁流變液良好的分散性。然后在不同條件下測量磁流變液的剪切應(yīng)力。

設(shè)置電流分別為1、2、3及4A，根據(jù)儀器手冊數(shù)據(jù)，上述電流分別對應(yīng)磁場的磁感應(yīng)強度為0.23、0.44、0.65和0.86T，設(shè)置剪切速率在0～1000s-1范圍內(nèi)變化，溫度為25℃，剪切時間為10s，每0.1s取樣一次，測量磁流變液剪切應(yīng)力和表觀粘度的變化。設(shè)置剪切速率為300s-1，磁場在0～0.5T范圍內(nèi)變化，溫度為25℃，剪切時間為10s，每0.1s取樣一次，測量磁流變液剪切應(yīng)力的變化。

4 實驗結(jié)果與分析

外加磁場時，磁流變液的剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系如圖1所示。由圖可見：恒定磁場作用下，隨著剪切速率的增加，剪切應(yīng)力先略下降后逐漸增大并趨于穩(wěn)定;外加磁場越強，剪切應(yīng)力最初下降越明顯。在同一剪切速率下，隨著外加磁場的增強，剪切應(yīng)力顯著增大，范圍為1.08～12kPa。磁流變液的表觀粘度與剪切速率的關(guān)系如圖2所示。從圖2可見：恒定磁場作用下，隨著剪切速率的增加，表觀粘度顯著減??；在同一剪切速率下，隨著外加磁場的增大，表觀粘度增大，范圍為2.5Pa·s～28.7kPa·s。

圖1 剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系Fig.1 Dependence of shear stress on shear rate

圖2 表觀粘度與剪切速率的關(guān)系Fig.2 Dependence of apparent viscosity on shear rate

4.1 運用Bingham模型進(jìn)行擬合

采用Bingham模型對磁流變液的流變行為進(jìn)行擬合,擬合計算結(jié)果如圖3和表1所示，由圖3和表1可見，磁流變液剪切應(yīng)力和剪切速率有良好的線性關(guān)系，當(dāng)外加磁場從0.23T增大到0.86T，采用Bingham模型擬合計算的剪切應(yīng)力從1369Pa增大到8825Pa，即磁場增高了274%，剪切屈服應(yīng)力增大了545%。

圖3 采用Bingham模型對磁流變液剪切應(yīng)力擬合結(jié)果Fig.3 Fitting of the shear stress of MRFs using Bingham model

B/TFittingequationR2τy/Paη/Pa·s023y=115x+136909911369115044y=241x+370309803703241065y=273x+649109766491273086y=279x+8825099588252790

4.2 運用Casson模型進(jìn)行擬合

采用Casson模型對磁流變液的流變行為進(jìn)行擬合計算，如圖4所示，擬合計算結(jié)果如表2所示，由圖4和表2可見，磁流變液剪切應(yīng)力和剪切速率有良好的線性關(guān)系，磁場從0.23T增大到0.86T，采用Casson模型擬合計算的剪切屈服應(yīng)力從1043Pa增大7624Pa，增高了274%，剪切屈服應(yīng)力增大了631%。由此可以得出，磁流變液剪切應(yīng)力采用兩個模型擬合所得結(jié)果均具有較好的線性相關(guān)性，采用Bingham模型擬合所得剪切屈服應(yīng)力數(shù)值略高一些。

圖4 采用Casson模型對磁流變液剪切應(yīng)力擬合Fig.4 Fitting of the shear stress of MRFs using using Casson model

B/TFittingequationR2τy/Paη/Pa·s023y=055x+32309971043030044y=060x+55509923080036065y=064x+7509855625041086y=065x+87409927627042

在外加磁場作用下，磁流變液中的鐵磁性顆粒排列成鏈狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)磁流變液開始剪切時，平板之間的顆粒鏈突然被破壞，不能及時恢復(fù)，宏觀表現(xiàn)為剪切應(yīng)力下降。隨著剪切速率的增大，磁場作用下新的顆粒鏈形成，剪切應(yīng)力逐漸增加，表觀粘度下降。當(dāng)剪切速率增加到一定程度時，顆粒鏈的斷裂和形成會達(dá)到平衡，剪切應(yīng)力達(dá)到一個穩(wěn)定值。并且外加磁場越強，磁流變液中的顆粒鏈之間相互作用力越強，宏觀表現(xiàn)為剪切應(yīng)力越大。由此可以得出，剪切速率增加時，剪切應(yīng)力增大并趨于穩(wěn)定值，剪切應(yīng)力存在剪切稀化現(xiàn)象。

圖5 剪切應(yīng)力和磁場的關(guān)系Fig.5 Dependence of shear stress on magnetic field

磁流變液的剪切應(yīng)力和外加磁場的關(guān)系如圖5所示，由圖可見：隨著外加磁場增強，剪切應(yīng)力顯著增大，其范圍為200Pa～11kPa。當(dāng)磁場較小時，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)力快速增大。隨著磁場的增大，磁流變液內(nèi)的鐵磁性顆粒局部磁化飽和，剪切應(yīng)力增加趨于平穩(wěn)，宏觀表現(xiàn)為剪切應(yīng)力呈現(xiàn)近似線性增長?？梢灶A(yù)測，如果磁場繼續(xù)增大，顆粒接近完全磁化飽和時，剪切應(yīng)力變化很小，待顆粒完全磁化飽和后，剪切應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值。由此可以得出，隨著外加磁場的增強，磁流變液的剪切應(yīng)力顯著增加。

5 結(jié) 論

外加磁場作用下，磁流變液的剪切應(yīng)力和表觀粘度顯著增大，剪切應(yīng)力變化范圍為1.08～12kPa，表觀粘度變化范圍為2.5Pa·s～28.7kPa·s。磁場恒定時，隨著剪切速率的增加，剪切應(yīng)力增大并趨于穩(wěn)定值，存在剪切稀化現(xiàn)象。采用Bingham和Casson模型擬合計算的剪切屈服應(yīng)力為1043～8825Pa。隨著外加磁場的增強，磁流變液的剪切應(yīng)力顯著增加，其變化范圍為200Pa～11kPa。

[ 1] 張華輝,羅明強,等.不同體積分?jǐn)?shù)羰基鐵粉對磁流變液性能的影響[J].實驗技術(shù)與管理, 2016, 33(4): 61～64+67.

[ 2] 陳飛,田祖織,王建.溫度對磁流變液流變性能的影響研究[J].功能材料, 2014, 45(20): 20095～20098.

[ 3] 黃煉,查長松.磁流變彈性體的磁致性能[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報, 2016, 34(1): 139～141.

[ 4] 王宇飛,何琳,楊雪,帥長庚.磁流變彈性體的研究現(xiàn)狀及工程應(yīng)用[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報, 2010, 28(4): 633～636+632.

[ 5] 陳飛.磁流變液制備及動力傳動技術(shù)研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,侯友夫,徐州,中國礦業(yè)大學(xué), 2013.

[ 6] 魏齊龍,王超,羅清,何建國.磁場作用下磁流變液的流變行為[J].磁性材料及器件, 2013, 44(1): 6～9+43.

[ 7] G.Bossis, P.Khuzir, S.Lacis, O.Volkova. Yield behavior of magnetorheological suspensions[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2003, 258～259(258): 456～458.

[ 8] A.A.Alghamai, R.L.Lostado, A.G.Olabi. Magneto-Rheological Fluid Technology [M]. Modern Mechanical Engineering. Springer Berlin Heidelberg, 2014, 252(1～3):43～62.

[ 9] 趙春偉,彭向和,史旭東.磁流變液微結(jié)構(gòu)的實驗觀測[J].功能材料, 2014, 45(10): 10049～10054.