李玉青, 羅一平， 王 瑩， 駱 佼， 仇 俊

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 上海 201620)

磁流變液是一種智能材料，零磁場時(shí)表現(xiàn)為牛頓流體性質(zhì)，但在磁場激勵(lì)下會(huì)出現(xiàn)連續(xù)的、無級(jí)的可逆變化，呈現(xiàn)出類固體的性質(zhì)。得益于這種獨(dú)特的磁流變性能，該材料在許多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1-6]。其主要構(gòu)成包括磁性顆粒、基礎(chǔ)液及添加劑3部分，磁性顆粒是磁流變液性能體現(xiàn)的主體，基液作為載體承載磁性顆粒，添加劑的加入可以改善、優(yōu)化和升級(jí)磁流變液的整體性能，包括提高屈服應(yīng)力等流變學(xué)特性。姚金光等[7]分別測試了石墨、硼酸三丙酯、四硼酸鈉和四硼酸鉀等4種潤滑添加劑對(duì)磁流變液摩擦磨損性能的影響，結(jié)果顯示四硼酸鈉的減摩抗磨效果最優(yōu)。胡志德等[8]研究了不同類型的固體潤滑劑對(duì)磁流變液摩擦性能的影響，結(jié)果表明,無機(jī)層狀結(jié)構(gòu)類固體潤滑劑和高分子化合物類固體潤滑劑的加入均能有效地改善磁流變液的潤滑性能。劉奇等[9]復(fù)合使用觸變劑與表面活性劑，并加入適當(dāng)?shù)墓腆w潤滑劑合成了一種穩(wěn)定性和潤滑性能良好的磁流變體材料,發(fā)現(xiàn)該類材料半個(gè)月內(nèi)無明顯沉降,無板結(jié)情況。Ma等[10]通過合成2種含磷和含硫的磷酸鹽化合物并將其作為水基潤滑添加劑在四球試驗(yàn)機(jī)上研究其摩擦學(xué)性能，結(jié)果表明，這種潤滑添加劑能有效地降低摩擦磨損。以上對(duì)潤滑劑的研究大多只關(guān)注了潤滑劑的加入所帶來的最直接的影響，即可以改變磁流變液的摩擦學(xué)性能，而對(duì)其可以減緩顆粒沉積速度，提高沉降穩(wěn)定性，進(jìn)而影響磁流變液發(fā)生剪切時(shí)的屈服應(yīng)力研究相對(duì)較少；而且許多試驗(yàn)都只是針對(duì)新配置的磁流變液進(jìn)行研究和測試。文中，課題組研究了潤滑劑的加入對(duì)磁流變液的終端影響(即對(duì)屈服應(yīng)力的影響)，并對(duì)磁流變液在整個(gè)沉降周期內(nèi)的剪切屈服應(yīng)力進(jìn)行了測量。

1 磁流變液樣品制備

常見的磁流變液添加劑主要有表面活性劑、潤滑劑及觸變劑等，課題組重點(diǎn)研究潤滑劑對(duì)其剪切屈服應(yīng)力的影響。

課題組選取的制備磁性顆粒的材料為5 μm粒徑的羥基鐵粉，基礎(chǔ)液為二甲基硅油，其在常溫、零磁場下的黏度為0.001 m2/s。為保證試驗(yàn)時(shí)可以對(duì)潤滑劑進(jìn)行單一變量分析，所有磁流變液配方均用十二烷基苯黃酸鈉作為表面活性劑，用二氧化硅作為觸變劑。根據(jù)相關(guān)研究[11]，當(dāng)磁性顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在66%～76%之間，各添加劑的總體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.5%～2.0%之間時(shí)，磁流變液的整體性能可以達(dá)到較優(yōu)的水平。課題組配制的磁流變液樣品磁性顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70.2%；所有添加劑的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.8%，其中表面活性劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%，觸變劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。然后，借助實(shí)驗(yàn)室的球磨機(jī)、干燥箱和攪拌器等設(shè)備及儀器，經(jīng)歷一次研磨、干燥、二次研磨、成品等過程，設(shè)計(jì)出一系列磁流變液配方。制備流程如圖1所示。表1為滿足不同試驗(yàn)要求而設(shè)計(jì)的不同配方的磁流變液。

圖1 磁流變液制備流程圖Figure 1 Flow chart of magnetorheological fluid preparation

表1 基于不同潤滑劑的磁流變液配方設(shè)計(jì)

2 不同潤滑劑對(duì)磁流變液屈服應(yīng)力的影響

課題組分別測試含有石墨、二硫化鉬、氮化硼、氫化蓖麻油和聚四氟乙烯等5種潤滑劑的磁流變液在靜置沉降過程中剪切屈服應(yīng)力變化情況；依據(jù)所得的沉降時(shí)間-剪切屈服應(yīng)力變化曲線，分析屈服應(yīng)力的變化特點(diǎn)，評(píng)價(jià)不同潤滑劑對(duì)磁流變液剪切屈服應(yīng)力的影響程度。課題組自主設(shè)計(jì)了磁流變液剪切屈服應(yīng)力測試平臺(tái)用于屈服應(yīng)力的測試，該測試裝置的系統(tǒng)圖及裝置的實(shí)物如圖2所示。

圖2 磁流變液剪切屈服應(yīng)力測試平臺(tái)Figure 2 Shear yield stress test platform of magnetorheological fluid

2.1 單一潤滑劑對(duì)屈服應(yīng)力的影響

為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具代表性同時(shí)增強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比效果，課題組利用該測試平臺(tái)分別測試了5種配方，即表1中編號(hào)為1，2，3，4和5的配方；在3種磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.21，0.40和0.50 T下的剪切屈服應(yīng)力變化情況，進(jìn)而判斷不同潤滑劑對(duì)屈服應(yīng)力的影響程度。試驗(yàn)時(shí)，讓磁流變液靜置沉淀36 d，每3 d測試一組數(shù)據(jù)，不同潤滑劑的磁流變液的剪切屈服應(yīng)力對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同磁場下各配方剪切屈服應(yīng)力變化曲線Figure 3 Variation curves of shear yield stress of various formulations under different magnetic fields

對(duì)比分析圖3中(a)，(b)，(c)可知：

1) 在3種磁場強(qiáng)度下，配方5(聚四氟乙烯)的剪切屈服應(yīng)力優(yōu)于其余配方的磁流變液；配方1(石墨)對(duì)磁流變液剪切屈服應(yīng)力的改善效果最差。

2) 在磁流變液未發(fā)生沉降時(shí)，添加不同潤滑劑的磁流變液的剪切屈服應(yīng)力值差值較大，隨著沉降時(shí)間的延長，該差值有減小的趨勢。以圖3(c)為例，在沉降第0 d，磁流變液的剪切屈服應(yīng)力的最大值與最小值相差10.395 kPa，在沉降周期第36 d時(shí)，剪切屈服應(yīng)力的最大值與最小值相差4.131 kPa。

3) 潤滑劑對(duì)磁流變液剪切屈服應(yīng)力的改善效果和磁流變液所處的磁場有關(guān)，對(duì)于同一配方的磁流變液，相同沉降周期內(nèi)，磁場越大，其剪切屈服應(yīng)力越高。

4) 以聚四氟乙烯作為潤滑劑的磁流變液，其剪切屈服應(yīng)力在沉降周期內(nèi)下降趨勢最為明顯，而其他配方的磁流變液屈服應(yīng)力的下降趨勢，相對(duì)而言較為平緩。如圖3(a)中，在相同的36 d沉降周期內(nèi)，配方5的剪切屈服應(yīng)力下降了64.7%，而配方1的剪切屈服應(yīng)力只下降了42.1%。

5) 不同配方的磁流變液剪切屈服應(yīng)力變化曲線有交叉和重疊部分，這說明潤滑劑對(duì)屈服應(yīng)力的改善效果還和沉降時(shí)間有關(guān)。以圖3(b)為例，在靜置沉降的前18 d，以聚四氟乙烯作為潤滑劑的磁流變液，其剪切屈服應(yīng)力始終高于其他配方，但是沉降21 d之后，其剪切屈服應(yīng)力卻不及以二硫化鉬或氫化蓖麻油為潤滑劑的磁流變液。

6) 無論以哪種成分作為潤滑劑，在磁流變液未發(fā)生沉降時(shí)，其剪切屈服應(yīng)力為最大值，隨著沉降時(shí)間的推移，剪切屈服應(yīng)力均會(huì)下降，但下降速度不一。通常初始剪切屈服應(yīng)力越大，其下降速度也越快。

上述結(jié)論對(duì)于實(shí)驗(yàn)室制備磁流變液選取潤滑劑時(shí)具有重要參考意義，如只需要磁流變液沉降前期具有較大的屈服應(yīng)力，聚四氟乙烯無疑是最好的選擇；若需要保持磁流變液具有較大屈服應(yīng)力的同時(shí)，還需要滿足在較長的沉降周期內(nèi)屈服應(yīng)力值有較小的波動(dòng)，此時(shí)選取氫化蓖麻油或二硫化鉬作為潤滑劑較為明智。

2.2 混合添加潤滑劑對(duì)屈服應(yīng)力的影響

課題組以二硫化鉬和石墨為試驗(yàn)對(duì)象，探究2種潤滑劑的混合使用效果與某一種潤滑劑單獨(dú)作用的區(qū)別。如需了解其他潤滑劑混合使用對(duì)磁流變液的影響，可參考文獻(xiàn)[12-13]。試驗(yàn)時(shí)，分別測試表1中編號(hào)為1，1.1和2的磁流變液樣品在靜置沉淀36 d內(nèi)的剪切屈服應(yīng)力的變化。試驗(yàn)中，仍選取0.21，0.40和0.50 T的3種不同的磁場，每隔3 d測試1組數(shù)據(jù)，為便于對(duì)比，將配方1.1和配方1及配方1.1和配方2的屈服應(yīng)力變化曲線描繪在同一張圖里，其屈服應(yīng)力對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 混合潤滑劑與單一潤滑劑剪切屈服應(yīng)力對(duì)比圖Figure 4 Comparison of shear yield stress of mixed lubricant and single lubricant

從圖4中可知，在同一磁感應(yīng)強(qiáng)度下，配方1.1對(duì)應(yīng)剪切屈服應(yīng)力明顯高于配方1及配方2，這說明二硫化鉬及石墨混合作為潤滑劑的磁流變液的屈服應(yīng)力性能優(yōu)于單獨(dú)添加二硫化鉬或石墨作為潤滑劑的磁流變液，但這個(gè)結(jié)論并不是絕對(duì)的。如圖4(b)中，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.50 T時(shí)，配方1.1的剪切屈服應(yīng)力在整個(gè)沉降周期內(nèi)并沒有始終高于配方2，而是有重合和低于配方2的部分，這種現(xiàn)象表明混合使用潤滑劑時(shí)，其所能達(dá)到的改善磁流變液屈服應(yīng)力的效果還和磁流變液所處的磁場相關(guān)。除此之外，圖4(b)中另一個(gè)特點(diǎn)是隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，配方1.1和配方2對(duì)應(yīng)的剪切屈服應(yīng)力之間差值有逐漸減小的趨勢，這給我們帶來的啟示是，當(dāng)磁流變液所處的磁場強(qiáng)度較大時(shí)，混合使用2種潤滑劑和單獨(dú)使用某一種潤滑劑，其對(duì)磁流變液屈服應(yīng)力的改善效果是相當(dāng)?shù)摹?/p>

3 結(jié)語

課題組通過對(duì)含有石墨、二硫化鉬、氮化硼、氫化蓖麻油和聚四氟乙烯等5種潤滑劑的磁流變液樣品剪切屈服應(yīng)力的研究，得出結(jié)論：

1) 5種潤滑劑單獨(dú)添加時(shí)，聚四氟乙烯提高屈服應(yīng)力的效果最佳；

2) 二硫化鉬和石墨混合使用時(shí)對(duì)屈服應(yīng)力的改善作用優(yōu)于二者的單獨(dú)使用。

考慮到時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，課題組僅對(duì)目前常用的潤滑劑進(jìn)行了試驗(yàn)研究，同時(shí)對(duì)于潤滑劑的混合使用情況也只進(jìn)行了2組對(duì)比試驗(yàn)。除此之外，對(duì)于潤滑劑的添加可以提高磁流變液屈服應(yīng)力的作用機(jī)理，課題組未做更深層次和更細(xì)致的探討。