一种油酸包覆磁性颗粒类磁流变液的制备和性能研究*

王四棋,李德才,居本祥

(1. 北京交通大学 机械与电子控制工程学院, 北京 100044；2. 重庆材料研究院 国家仪表功能材料工程技术研究中心，重庆 400707)



一种油酸包覆磁性颗粒类磁流变液的制备和性能研究*

王四棋1,李德才1,居本祥2

(1. 北京交通大学 机械与电子控制工程学院, 北京 100044；2. 重庆材料研究院 国家仪表功能材料工程技术研究中心，重庆 400707)

摘要：采用油酸包覆软磁颗粒的方法，分别制备出蓖麻油基含纯微米级和微纳米混合级软磁颗粒的磁流变液。纯微米级软磁颗粒质量含量83%的磁流变液具有沉降稳定性好、屈服应力高等优点，适用于减振和制动领域。纳米级软磁颗粒在微纳米级混合软磁颗粒中的含量越高，相应磁流变液的屈服应力越小，存储模量越低，该种磁流变液适用于密封，能够有效降低动密封过程中所伴随的温升及磨损。

关键词：磁流变液；屈服应力；油酸；蓖麻油；软磁颗粒

0引言

磁流变液通常由一定组分的微米级软磁颗粒、基载液和添加剂组成，是一种在外加磁场作用下，能够瞬间从自由流动的液体转变为半固体甚至固体，呈现出强烈的可控流变特性的智能材料，在磁场去除后又能瞬间逆变为自由流动的牛顿流体，此过程连续可逆[1]。磁流变液兼具液体的流动性和固体磁性材料的磁性，有着广泛的应用和很高的学术价值，近年来得到国际学术界和工程界的高度重视。基于这种流变效应，多种磁流变执行器件相继被开发出来，如阻尼减振器[2]、抛光装置[3]、密封装置[4]等。然而，目前磁流变液本身性能方面还存在一些不足，如静置过程中存在沉降问题，致使其在减振、制动方面应用的稳定性较差，从而在一定程度上制约了其广泛应用；如在磁流变液密封方面，相比磁性液体密封，磁流变液密封具有耐压高、密封间隙大等优点，能够有效解决磁性液体在密封过程中耐压能力低，及密封装置中极靴与轴的密封间隙较小等问题，然而，由于磁流变液屈服应力较大，导致动密封过程中转轴扭矩较大，使得转轴发热量大、易磨损[5]。

随着应用研究的不断深入，不同工艺多种类的高性能磁流变液被研制[6]。为了提高磁流变液的沉降稳定性，降低微米级磁性颗粒与基载液之间的密度差，通常采用聚合物包覆磁性颗粒的方法[7-8]；或通过增加添加剂的方法，选用的添加剂如表面活性剂[9]、触变剂[10]、磁性纳米颗粒[11]等。另外，通过选用不同悬浮相，如杆状铁微丝[12]、纳米纤维[13]、球状羰基铁和铁纳米丝混合物[14]，来改善磁流变液的屈服应力。本文采用油酸包覆软磁颗粒的方法，分别制备出蓖麻油基含纯微米级和微纳米混合级软磁颗粒的两种磁流变液，并研究其相关性能。

1实验

1.1试样的制备

该种磁流变液主要采用微米级软磁颗粒、纳米级软磁颗粒、表面活性剂和基载液组成，其中微米级软磁颗粒选用德国BASF公司的SQ型羰基铁粉，其平均粒径为6.5 μm，纯度为99.5%，纳米级软磁颗粒采用化学共沉法制备[15]，表面活性剂选用油酸，基载液为蓖麻油。制备过程中，首先将微纳米级软磁颗粒按照一定比例配置出46.4 g混合体，溶于80 ℃去离子水中，并用搅拌器以300 r/min的转速进行搅拌；再加入0.8 mL油酸于混合液中，搅拌持续4 h。通过磁沉法将表面包覆有油酸的微纳米软磁颗粒用去离子水清洗，直至溶液呈中性，随后将其放入真空干燥箱中， 60 ℃条件下真空干燥12 h，待其充分干燥后将其研磨成粉状。按照不同质量比与蓖麻油混合，并采用球磨机进行高速分散研磨数小时，即制得油酸包覆软磁颗粒的磁流变液样品。微纳米级软磁颗粒的不同配比量对应着不同的磁流变液样品，具体如表1所示。

表1　磁流变液样品中磁性颗粒的含量

1.2实验分析

采用静置法来分析磁流变液的沉降稳定性，即将不同质量比同体积量的磁流变液分别装入清洁的试管中，室温条件下，静置一段时间，视觉观察磁流变液的分层情况，具体可测量计算出清液层在整个磁流变液中的析出比例。采用Anton Paar公司的MCR301型流变仪测量不同磁流变液样品的流变性能[16]:(1) 对各试样剪切应力与剪切速率间的关系进行测试，剪切速率在0.01～100 s-1变化范围内线性增长，共测试11个点；(2) 测量试样在不同磁场强度下对应的屈服强度，其中外加磁场线圈的电流在0～4 A范围内线性变化；(3) 测量不同剪切速率条件下试样的粘度，及加载有试样的流变仪平板转子其转速与转矩间的变化关系。

2结果及讨论

2.1微米级软磁颗粒含量对磁流变液的性能影响

磁流变液的沉降稳定性是其能否满足工程应用的一个重要评价指标，磁流变液沉降的直接原因在于基载液与微米级软磁颗粒间存在的密度差。根据实验，选取4种不同微米级铁磁颗粒含量的磁流变液进行沉降性分析。图1为试样的静置沉降图，将制备好的同体积磁流变液放置于试管中，包覆了油酸的微米级软磁颗粒表面呈非极性，在蓖麻油中均匀分散。

图1含有不同质量分数微米级铁磁颗粒磁流变液的静置沉降图

Fig 1 Sedimentation images of magnetorheological(MR) fluids with different mass fractions of pure micrometer carbonyl iron particles

静置20 d后，发现含60%和70%微米级软磁颗粒的磁流变液有明显沉降，静置3个月后，含80%微米级软磁颗粒的磁流变液也出现沉降，但含83%微米级软磁颗粒的磁流变液仍未出现沉降，表现出一定的稳定性，可以看出，83%微米级软磁颗粒含量为该种磁流变液不产生沉降的一个临界值。图2为不同磁场作用下含83%微米级软磁颗粒磁流变液对应的剪切应力和表观粘度分别随剪切率变化的关系图。无外磁场作用下，磁流变液常表现为牛顿粘性流体，而在磁场作用下，为非牛顿流体，其展现出一定的屈服应力，该屈服应力随外磁场的增加而增大，直至磁场达到饱和，通常用Bingham模型来分析其流变行为[17]，即

(1)

图2不同磁场强度下含83%微米级软磁颗粒的磁流变液对应的剪切应力

Fig 2 Shear stress and apparent viscosity changing with shear rate of MR fluidsample D under different magnetic fields

图3为不同磁通密度下，不同微米级铁磁颗粒含量磁流变液对应的屈服应力。磁流变液的屈服应力随着铁磁颗粒含量的增加明显增强，在磁通密度为993 mT时，含83%微米级软磁颗粒磁流变液对应的屈服应力达62 kPa。高屈服应力为磁流变液在减振、制动方面应用的一个重要技术目标[18]，是相关器件轻量化设计的重要技术参数。

图3不同微米级铁磁颗粒含量磁流变液的屈服应力与磁通密度对应关系图

Fig 3 Yield stresses of MR fluids with different mass fraction of pure micrometer carbonyl iron particles under different magnetic fields

2.2纳米级软磁颗粒含量对磁流变液性能的影响

制备的微纳米级混合软磁颗粒的磁流变液，软磁颗粒的质量百分比为83%。相比试样D采用的微米级软磁颗粒，试样E和F相当于分别将试样D中2/3和1/2质量比的微米级软磁颗粒置换为纳米级软磁颗粒。图4为试样对应的储能模量与磁场密度变化关系图。

图4不同含量纳米级软磁颗粒磁流变液的存储模量与磁场密度对应关系图

Fig 4 Storage modulus of MR fluids with different mass fraction of micro-nanometer carbonyl iron particles under different magnetic fields

由图4可知，纳米级软磁颗粒含量越高，对应磁流变液试样的储能模量越小，由于颗粒沿外磁场的方向呈链状分布，对磁流变液储能模量有影响的主要就是链状方向分布的磁场。在此借助Ansoft的分析工具对颗粒之间的磁场进行计算，分析颗粒间沿链状方向的磁场分布。首先假设: (1) 羰基铁粉颗粒在原始状态下为不带磁性的软磁颗粒，当受到外加磁场作用时，软磁颗粒被磁化，将每个软磁颗粒等效为充磁的永磁体看待；(2) 假设微米级软磁颗粒与纳米级软磁颗粒直径之比为1 000∶1，颗粒之间间距设为颗粒的半径；(3) 颗粒沿外磁场方向按照链状结构排列。所计算相邻颗粒沿链状方向的磁场分布如图5所示，从磁场的分布可以看出，微米级的颗粒之间的磁感应强度在链状排列方向明显比纳米级颗粒大，因此颗粒之间能产生更强的相互作用力，即表现为在相同的磁场作用下拥有更大的储能模量，相应的抗变形能力较强。

图5微米级软磁颗粒和纳米级软磁颗粒沿链状方向分布的磁场

Fig 5 Magnetic flux density distributions of micrometer magnetic particles and nonometer magnetic particles in the direction of the magnetic chains

含不同质量百分比微纳米软磁颗粒磁流变液的屈服应力与磁通密度对应关系如图6所示。

图6含不同质量百分比微纳米软磁颗粒磁流变液的屈服应力与磁通密度对应关系图

Fig 6 Yield stresses of MR fluids with different mass fraction of micro-nanometer carbonyl iron particles under different magnetic fields

由图6可知，微米级软磁颗粒含量越多的磁流变液对应的屈服应力越大，试样D的屈服应力为试样F屈服应力的2.7倍，这主要由于微米级软磁颗粒较微纳米级软磁颗粒间的磁链作用力大，且该磁链作用力随微米级软磁颗粒含量的增大而增强。可见纳米级软磁颗粒的加入减弱了磁流变液的屈服应力，相应的磁流变液不利于减振、制动方面的应用，然而，该磁流变液适用于密封。由于磁流变液中含有微米级软磁颗粒，相比含有纳米级软磁颗粒的磁性液体具有较高的磁化强度，密封应用过程中对应的耐压能力较高，但由于磁流变液的高屈服应力使得其在动密封应用过程中易带来高温、磨损等问题[19-21]。图7为流变仪测试的3种试样对应的转速与转矩关系曲线，由图可知，在外磁场强度为750 mT作用下，含1/2质量比纳米级软磁颗粒的磁流变液(试样F)对应流变仪转矩为含纯微米级软磁颗粒磁流变液(试样D)对应流变仪转矩的2/5倍，在动密封应用过程中，能够有效降低密封器件的发热量，且减少器件接触面的磨损。

图7在750 mT磁场强度作用下流变仪测试的不同试样对应的转速-转矩关系图

Fig 7 Measured torque of rheometer with different rotate speeds for three samples under the magnetic field 750 mT

3结论

采用油酸包覆微纳米级软磁颗粒法制备磁流变液，含质量比83%微米级软磁颗粒的磁流变液具有较好的沉淀稳定性，且在993 mT 磁场强度作用下其屈服应力可达62 kPa，在减振、制动方面具有一定的应用前景。微纳米级软磁颗粒混合型磁流变液随纳米级软磁颗粒含量的增加屈服应力减小，储能模量降低。在750 mT外磁场作用下，含微纳米级软磁颗粒1∶1质量比的磁流变液对应流变仪转矩为纯微米级软磁颗粒的磁流变液对应流变仪转矩的2/5倍。由此可见，含微纳米级软磁颗粒的磁流变液能够有效降低密封过程中所带来的温升及磨损，其在密封方面具有广阔的应用前景。

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文章编号：1001-9731(2016)07-07153-04

基金项目：北京市自然科学基金资助项目(4142046)；北京交通大学人才基金资助项目(2016RC010)

作者简介：王四棋(1980-)，男，河南灵宝人，讲师，博士，主要从事智能结构系统研究。

中图分类号：O631

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.029

Preparation and properties of a magnetorheological fluid with oleic acid-coated magnetic particles

WANG Siqi1， LI Decai1, JU Benxiang2

(1. School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing Jiaotong University,Beijing 100044, China;2. Chongqing Materials Research Institute，National Instrument Functional Materials Engineering Technology Research Center, Chongqing 400707, China)

Abstract:In this paper, the magnetic micron/nano particles were coated by oleic acid to prepare castor oil-based magnetorheological(MR) fluids. MR fluids with mass fraction of pure micrometer carbonyl iron particles 83% show good sedimentary stability and high yield stress. These MR fluids are suit for vibration and brake applications. The yield stress and storage modulus of the MR fluids with micro-nanometer carbonyl iron particles reduce with the nanometer carbonyl iron particle increasing. And these MR fluids are suit for seal application, which can decrease the temperature rise and wear of the seal devices.

Key words：magnetorheological fluid; yield stress; oleic acid; castor oil; soft magnetic particle

收到初稿日期：2015-07-06 收到修改稿日期：2015-10-26 通讯作者：李德才，E-mail: dcli@bjtu.edu.cn