， ，

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引 言

磁流變液(Magnetorheological Fluids，MRF)是一種由磁性顆粒、載液和添加劑組成的智能材料。在沒(méi)有磁場(chǎng)的條件下，磁流變液呈自由流動(dòng)的流體狀態(tài)；在施加磁場(chǎng)后，其表觀黏度急劇增大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而由液體變?yōu)轭?lèi)固體，撤去磁場(chǎng)后又迅速恢復(fù)成流體狀態(tài)，并且這一過(guò)程非常迅速(毫秒級(jí))，是可逆且可控的。磁流變液的黏度、塑性和黏彈性等隨磁場(chǎng)變化的行為稱(chēng)為磁流變效應(yīng)(Magnetorheological Effect)[1]。磁流變液的智能可控性使其在汽車(chē)、機(jī)械、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[2-6]。然而，由磁性顆粒(懸浮相)與載液(分散相)的密度差引起的磁性顆粒的沉降會(huì)減弱磁流變液的磁流變效應(yīng)，從而限制其工程應(yīng)用。

提高磁流變液沉降穩(wěn)定性的方法主要有采用復(fù)合磁性顆粒[7]，將兩種粒徑的磁性顆?；旌鲜褂肹8]，加入合適的添加劑[9]，使用特殊形狀的磁性顆粒[10]等。其中，加入合適的添加劑是最簡(jiǎn)單的一種方法。納米SiO2是常用的一種添加劑，當(dāng)作為觸變劑加入到磁流變液中時(shí)，一方面會(huì)吸附在磁性顆粒周?chē)?，從而降低磁性顆粒的密度，另一方面可以在載液中形成三維觸變網(wǎng)絡(luò)(凝膠化)，從而減緩顆粒沉降。SiO2的凝膠化與其粒徑、表面性質(zhì)，以及分散工藝和分散介質(zhì)有關(guān)[11]。ALVES等[12]用羰基鐵粉和疏水、親水兩種類(lèi)型的SiO2制備了磁流變液并研究了其流變特性，發(fā)現(xiàn)用疏水性SiO2制備的磁流變液具有更低的零場(chǎng)黏度，在低磁場(chǎng)下具有更高的屈服應(yīng)力和彈性模量。楊健健等[11]發(fā)現(xiàn)增大SiO2粒徑能夠顯著改善磁流變液的沉降穩(wěn)定性，但降低了再分散性能。SiO2的比表面積直接影響三維觸變網(wǎng)絡(luò)的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以SiO2為觸變劑制備的磁流變液性能也必然會(huì)受到SiO2比表面積的影響。因此，作者以3種比表面積的納米SiO2為觸變劑制備了磁流變液，分析了不同比表面積納米SiO2對(duì)磁流變液流變特性和沉降穩(wěn)定性的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用磁性顆粒為羰基鐵粉，粒徑1～3 μm，基本呈球形(見(jiàn)圖1)，由陜西興化化學(xué)股份有限公司提供；載液為聚α烯烴合成油，40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度為30.5 mm2·s-1，由廣州啟杰化工科技有限公司提供；觸變劑為疏水性納米SiO2粉體，比表面積分別為150，200，380 m2·g-1，由廣州吉必盛科技實(shí)業(yè)有限公司提供；表面活性劑為低分子化合物溶液型EL-2208潤(rùn)濕分散劑，由東莞易立安化工科技有限公司提供。

圖1 羰基鐵粉的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of carbonyl iron powder

按照納米SiO2粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，EL-2208潤(rùn)濕分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%稱(chēng)取納米SiO2粉體、EL-2208潤(rùn)濕分散劑和聚α烯烴合成油。將聚α烯烴合成油加熱到55 ℃后加入納米SiO2粉體，磁力攪拌10 min后加入EL-2208潤(rùn)濕分散劑，在AD500S-H型均質(zhì)分散機(jī)中分散10 min，再緩慢加入羰基鐵粉，繼續(xù)分散2 h，得到磁流變液。在整個(gè)制備過(guò)程中溫度保持在55～65 ℃，所得磁流變液中羰基鐵粉的體積分?jǐn)?shù)均為25%。在相同條件下制備了未添加納米SiO2粉體的磁流變液。為便于描述，將添加比表面積分別為150，200，380 m2·g-1的納米SiO2粉體的磁流變液簡(jiǎn)稱(chēng)為1#，2#，3#磁流變液，未添加納米SiO2粉體的簡(jiǎn)稱(chēng)為4#磁流變液。

1.2 試驗(yàn)方法

在S-4300N型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察磁流變液的微觀形貌。

采用LakeShore 7304型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)試磁流變液的磁滯回線，得到飽和磁化強(qiáng)度，計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度和相對(duì)磁導(dǎo)率，計(jì)算公式分別為

B=μ0(H+M)

(1)

(2)

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率，取4π×10-7H·m-1；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；M為飽和磁化強(qiáng)度。

將磁流變液置于量筒中，自然沉降20 d。在沉降過(guò)程中，定時(shí)測(cè)量上層析出清液的體積V1和下層羰基鐵粉的體積V2，計(jì)算沉降率w，計(jì)算公式[13]為

(3)

采用MCR 302型模塊化智能高級(jí)流變儀測(cè)磁流變液的流變特性，使用直徑20 mm的平行板夾具，測(cè)試間隙為0.5 mm，溫度為25 ℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2 1#磁流變液中羰基鐵粉的SEM形貌Fig.2 SEM micrograph of carbonyl iron powder in 1# magnetorheological fluid

2.1 微觀形貌

1#，2#，3#磁流變液中羰基鐵粉的微觀形貌相似，以1#磁流變液為例進(jìn)行說(shuō)明。由圖2可以看出，磁流變液中的羰基鐵粉顆粒仍呈現(xiàn)較為規(guī)則的球形，但顆粒表面出現(xiàn)類(lèi)似鴨蹼狀的結(jié)構(gòu)，從而將小顆粒連結(jié)成較大顆粒。

2.2 磁滯回線

由圖3可以得到，1#，2#，3#磁流變液的飽和磁化強(qiáng)度分別為201，207，217 A·m2·kg-1。將飽和磁化強(qiáng)度代入式(1)和式(2)，計(jì)算得到當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為120 A·m-1時(shí)，1#，2#，3#磁流變液的相對(duì)磁導(dǎo)率分別為0.39，0.40，0.42。可見(jiàn)，納米SiO2的比表面積越大，磁流變液的飽和磁化強(qiáng)度和相對(duì)磁導(dǎo)率越大。

圖3 不同磁流變液的磁滯回線Fig.3 Hysteresis loops of different magnetorheological fluids

2.3 零場(chǎng)黏度

由圖4可見(jiàn)：不同磁流變液的零場(chǎng)黏度均隨剪切速率的增大而減小，呈現(xiàn)出剪切稀化現(xiàn)象；在較低的剪切速率下，4#磁流變液的零場(chǎng)黏度最低，1#，2#，3#磁流變液的零場(chǎng)黏度均為4#磁流變液的2倍以上，說(shuō)明納米SiO2的加入起到了增黏作用，這是因?yàn)榧{米SiO2的觸變性使其在磁流變液中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了載液的流動(dòng)；在較低的剪切速率下，當(dāng)納米SiO2的比表面積由150 m2·g-1(1#磁流變液)增加到200 m2·g-1(2#磁流變液)時(shí)，磁流變液的零場(chǎng)黏度的增幅很大，而由200 m2·g-1(2#磁流變液)增加到380 m2·g-1(3#磁流變液)時(shí)，磁流變液零場(chǎng)黏度略有降低，但降低幅度很小，這是因?yàn)楸缺砻娣e會(huì)影響到SiO2三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)密集程度[11]，但當(dāng)比表面積增加到一定程度時(shí)，這種影響的程度減??；當(dāng)剪切速率大于60 s-1時(shí)，不同磁流變液的零場(chǎng)黏度趨于一致，這是因?yàn)楦呒羟兴俾势茐牧薙iO2三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[14]，削弱了觸變劑SiO2對(duì)零場(chǎng)黏度的影響。

圖4 不同磁流變液的零場(chǎng)黏度隨剪切速率的變化曲線Fig.4 Off-state viscosity vs shear rate curves of different magnetorheological fluids

2.4 剪切性能

由圖5可見(jiàn)：不同磁流變液的剪切應(yīng)力均隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而增大，這是因?yàn)榇帕髯円褐械聂驶F粉磁性顆粒在磁場(chǎng)的作用下相互排列成鏈狀結(jié)構(gòu)，且隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而變粗[15]，導(dǎo)致剪切應(yīng)力增大；在磁感應(yīng)強(qiáng)度低于0.4 T時(shí)，不同磁流變液的剪切應(yīng)力幾乎相同，這是因?yàn)榇藭r(shí)的剪切應(yīng)力主要受羰基鐵粉含量的影響[16]；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度高于0.4 T時(shí)，3#磁流變液的剪切應(yīng)力高于4#磁流變液的，而1#，2#磁流變液的剪切應(yīng)力低于4#磁流變液的。在磁場(chǎng)作用下，比表面積較大的納米SiO2在羰基鐵粉顆粒沿磁場(chǎng)方向排列成鏈狀結(jié)構(gòu)時(shí)填充到羰基鐵粉顆粒的空隙中，減少了磁流變液的結(jié)構(gòu)缺陷，使得鏈狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度增大，從而增大了剪切應(yīng)力[17]；而1#和2#磁流變液中納米SiO2的比表面積較小，粒徑較大，在羰基鐵粉成鏈過(guò)程中夾雜在鏈中，增大了羰基鐵粉顆粒間的距離，降低了磁性羰基鐵粉顆粒間的吸引力，從而導(dǎo)致剪切應(yīng)力的減小。

圖5 不同磁流變液的剪切應(yīng)力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線(剪切速率30 s-1)Fig.5 Shear stress vs magnetic induction intensity curves of different magnetorheological fluids (at shear rate of 30 s-1)

由圖6可以看出：在磁場(chǎng)作用下，不同磁流變液均表現(xiàn)出顯著的Bingham流體特征，當(dāng)未受到磁場(chǎng)作用(零場(chǎng))，即磁感應(yīng)強(qiáng)度為0時(shí)，不同磁流變液則表現(xiàn)出牛頓流體特征；2#磁流變液零場(chǎng)下的剪切應(yīng)力大于1#和3#磁流變液的，與零場(chǎng)黏度的變化相對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步證明了零場(chǎng)下的磁流變液可看作是牛頓流體；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.96 T時(shí)，3#磁流變液的剪切應(yīng)力最高，其次是4#磁流變液的。對(duì)磁流變液剪切應(yīng)力有影響的因素主要是SiO2和零場(chǎng)黏度，當(dāng)SiO2的比表面積較大時(shí)，其對(duì)剪切應(yīng)力的影響會(huì)超過(guò)零場(chǎng)黏度的影響，因此3#磁流變液的剪切應(yīng)力高于4#磁流變液的。結(jié)合圖4分析可知：4#磁流變液的零場(chǎng)黏度最小，在磁場(chǎng)作用下羰基鐵粉顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的阻力較小，更容易沿磁場(chǎng)方向聚集形成鏈狀結(jié)構(gòu)，因此剪切應(yīng)力較大；1#和2#磁流變液較大的零場(chǎng)黏度阻礙了羰基鐵粉顆粒的運(yùn)動(dòng)，使得鏈狀結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度減弱，因此剪切應(yīng)力較低。

圖6 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下不同磁流變液的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線Fig.6 Shear stress vs shear rate curves of different magnetorheological fluids at different magnetic induction intensities:(a-d) 1#-4# magnetorheological fluids

對(duì)剪切應(yīng)力-剪切速率曲線進(jìn)行擬合，外推至剪切速率為0時(shí)，所得截距就是磁流變液的屈服應(yīng)力[18]。由圖7可知：1#，2#，3#磁流變液的屈服應(yīng)力都隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增大，這是因?yàn)樵诖艌?chǎng)作用下羰基鐵粉顆粒之間存在較強(qiáng)的拉力，且該拉力隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增大，導(dǎo)致需要更大的剪切應(yīng)力來(lái)破壞鏈狀結(jié)構(gòu)才能使磁流變液流動(dòng)[19]；添加比表面積較大的納米SiO2所得的磁流變液表現(xiàn)出更高的屈服應(yīng)力，這是因?yàn)镾iO2的比表面積越大，其與羰基鐵粉顆粒的接觸面積越大，二者之間的吸引力也就越大，形成的鏈狀結(jié)構(gòu)越不容易破壞。

圖7 不同磁流變液的屈服應(yīng)力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化曲線Fig.7 Yield stress vs magnetic induction intensity curves of different magnetorheological fluids

圖8 在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下不同磁流變液的轉(zhuǎn)換因子隨剪切速率的變化曲線Fig.8 Conversion factor vs shear rate curves of different magnetorheological fluids at different magnetic induction intensities

磁流變液在外加磁場(chǎng)作用下的剪切應(yīng)力與零場(chǎng)下剪切應(yīng)力的比值稱(chēng)為轉(zhuǎn)換因子，轉(zhuǎn)換因子越大表示外加磁場(chǎng)調(diào)控磁流變液屈服應(yīng)力的范圍越大。由圖8可以看出，不同磁流變液的轉(zhuǎn)換因子均隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增大，這是因?yàn)榧羟袘?yīng)力隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加而增加。在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，3#磁流變液的轉(zhuǎn)換因子最大，其剪切應(yīng)力隨磁場(chǎng)增加的可調(diào)范圍相較于1#和2#磁流變液的更廣，即可控性更優(yōu)。

2.5 沉降穩(wěn)定性

由圖9可以看出：未添加納米SiO2的4#磁流變液的沉降率最高，添加不同比表面積納米SiO2后的沉降率均顯著降低，這是因?yàn)榧{米SiO2在載液中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了黏度，從而有效降低了羰基鐵粉顆粒的沉降率，提高了磁流變液的沉降穩(wěn)定性[20]；2#和3#磁流變液的沉降率低于1#磁流變液的，這是因?yàn)楸缺砻娣e越大，SiO2越容易在磁流變液中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也越穩(wěn)定，對(duì)羰基鐵粉顆粒的支撐作用也越強(qiáng)，越有利于羰基鐵粉顆粒克服重力和分子熱運(yùn)動(dòng)作用而保持穩(wěn)定。此外，納米粒子本身的布朗運(yùn)動(dòng)也會(huì)降低羰基鐵粉顆粒的運(yùn)動(dòng)自由程，使羰基鐵粉顆粒下降時(shí)的動(dòng)能減小，從而阻礙沉降的發(fā)生，增強(qiáng)磁流變液體系的沉降穩(wěn)定性。

圖9 不同磁流變液的沉降率隨時(shí)間的變化曲線Fig.9 Sedimentation ratio vs time curves of different magnetorheological fluids

3 結(jié) 論

(1) 納米SiO2的比表面積越大，磁流變液的飽和磁化強(qiáng)度和相對(duì)磁導(dǎo)率越大。

(2) 隨著納米SiO2比表面積的增大，磁流變液的零場(chǎng)黏度先增大后略微減小，當(dāng)納米SiO2比表面積為200 m2·g-1時(shí)，零場(chǎng)黏度最大。

(3) 隨著納米SiO2比表面積的增大，磁流變液在磁場(chǎng)作用下的剪切應(yīng)力和屈服應(yīng)力增大；在磁場(chǎng)作用下，不同磁流變液均表現(xiàn)出顯著的Bingham流體特征，未受到磁場(chǎng)作用(零場(chǎng))時(shí)則表現(xiàn)出牛頓流體特征；當(dāng)SiO2比表面積為380 m2·g-1時(shí)，磁流變液的屈服應(yīng)力表現(xiàn)出更廣的可調(diào)范圍，即磁流變液的可控性?xún)?yōu)良。

(4) 添加納米SiO2能夠提高磁流變液的沉降穩(wěn)定性，且納米SiO2的比表面積越大，磁流變液的沉降穩(wěn)定性越好。