水基Fe3O4磁流变体的制备与密封性验证

刘亮，吴胜举，于旭光，孙海涛，唐香珺

（陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄 050003）

磁流变体(Magneto - Rheological Fluids 简称为MRF) 是一种新型智能材料，性能和形态受到外加磁场的影响。其在零磁场条件下一般会呈现出低粘度的牛顿流体特性；在强磁场作用下一般呈现出低流动性和高粘度的Bingham体特性。这使其在材料密封领域具有独特的作用。磁流变体主要由2部分组成：一是微米级别的软磁材料颗粒；二是作为分散剂，保证软磁颗粒稳定分散的悬浮液。Fe3O4颗粒具有高的磁化率、低的矫顽力、高的饱和磁感应强度，对环境因素如温度和震动的稳定性好。而且Fe3O4颗粒来源广泛、制作简单，是一种理想的软磁材料。水具有良好的化学稳定性和低粘度，加入合适的表面活性剂后，可以制成磁流变体的悬浮液。

1 磁流变体的制备流程及稳定性研究

1.1 磁流变体的制备

将所选的表面活性剂（浓度为90%）和水按质量比4：1混合，机械搅拌30min后再超声分散30min，制成所需的悬浮液；再将Fe3O4颗粒（尺寸为0～0．154mm即100目以下颗粒）和悬浮液按质量比24：5混合，机械搅拌30min后再超声分散30min，得到磁流变体。

1.2 磁流变体的稳定性研究

磁流变体的稳定性决定了它能否能长期稳定的使用，特别是在密封中，不能频繁的更换密封介质。因此必须对制备的磁流变体进行稳定性研究。磁流变体进行稳定性研究分2个方面。

（1）长期密封状态下，磁流变体是否会出现了大量沉淀和分层。

（2）制备的磁流变体最高使用温度。为验证所制得的磁流变体稳定性特做以下试验：在试管中取14g磁流变体放置一段时间，观察是否出现沉淀和分层现象。如表1。

静置6个月，磁流变体仍无大量沉淀和分层，试管刻度的减少是磁流变体中水部分蒸发的结果。试验证明磁流变体整体具有很高的稳定性。制备的磁流变体最高使用温度，可以通过测量不同温度下，磁流变体的粘度来得到。磁流变体的粘度对密封作用影响很大，粘性力有平衡密封内外压力差的作用力，磁流变体的粘度越大，粘性力就越大，能起到的密封效果越好。微观上粘度是指液体受外力作用移动时，分子间产生的内磨擦力。宏观上粘度是衡量流体流动性的指标，表示流体流动的分子间摩擦而产生阻力的大小。磁流变体的粘度，不仅与磁性固体颗粒即Fe3O4颗粒所占的体积分量和颗粒度有关，还由添加的表面活性剂和基液有关。磁流变体粘度受到外磁场的影响。外加磁场对磁流变体粘度的影响有方向性。粘度随着磁化强度的增加而增加。磁流变体的粘度与温度有关，而与压强几乎无关。使用旋转粘度计测量温度与粘度的关系结果，如表2。

表1 沉淀试验表

表2 粘度与温度的关系表

随着温度的提高，磁流变体粘度降低。在70℃降低的比较缓慢，70℃之后粘度迅速减小。在80～90℃时粘度只有室温的一半。考虑到磁流变体的粘性在磁场密封中的重要作用，因此，该磁流变体的使用温度越低越好。

2 磁流变体密封性试验

2.1 自制试验设备-磁场密封装置

为验证制备的磁流变体密封性，特自制磁场密封装置，如图1。

图1 自制磁场密封装置图

图2 加热系统实物图

且该磁场密封装置内部用电阻炉加热，试验在不同温度下，磁流变体的密封能力，如图2。图2中磁场密封装置外壳由钢铁材料制成，在电阻炉的外圈采用钕铁硼永磁合金，圆周布置，做磁场源；在上面盖一个钢铁材料制成的上盖，上盖中间与电炉部分紧密接触，上盖延伸边与磁场源之间留有空隙；空隙填充磁流变体后，如图3，磁场密封装置将被密封，内外空间被隔离，上盖延伸边与磁场源之间产生磁场，其磁场强度的大小不仅与磁场源有关也与空隙尺寸相关，空隙越小，延伸边与磁场源之间的磁场强度就越大。延伸边与磁场源之间的磁场强度越大，磁流变体密封能力就越强。但延伸边与磁场源之间尺寸越小，自制磁场密封装置的安装难度就越大。综合考虑后，其尺寸设置为10mm。

图3 填充磁流变体后效果图

对该磁场密封装置内部抽真空，来试验不同温度下，该磁流变体的密封能力。为保证磁流变体的使用温度低于最高使用温度，采用冷却水循环降温，磁场密封装置冷却水系统。

2.2 高温下的磁流变体密封

磁流变体表面的温度越高，磁流变体的压力差越小。这是由于温度对磁流变体密封能力的影响主要是通过磁流变体粘度来体现。前面已经得出温度越高，磁流变体的粘度越小，磁流变体之间的粘性力越小，从而磁流变体的密封能力就差。这由于磁流变体随着温度升高，介质中有序的自旋结构逐渐加强，磁化率减小。可以说升温可以使磁流变体中的微粒在磁场方向上有规则排布，但是升温同时大大减弱了磁子之间的耦合（某种粘合力），减弱单个磁子对其周围以至整个顺磁体的影响，使磁流变体中微粒在垂直于磁场方向上的黏性力大大减小。因此温度高将使磁流变体的密封性能减弱。在加热磁场密封装置3h后，磁流变体各处的温度达到平衡。具体试验条件是对磁场密封装置通冷却水流速为0．000174m3/s，电炉丝功率1750W下，加热3h，记录3h后磁流变体各处的温度。测量的温度结果显示见图4。

图4 磁场密封介质各处温度示意图

将磁流变体中的各处温度，按水平位置从内向外分布，以磁场密封装置中磁流变体内侧表面处为0mm开始测量，如表3。

表3 磁流变体内各处与温度关系表

在磁流变体各处温度稳定后，各处温度不同，有些地方例如磁流变体表面处温度达560℃，不仅远高于磁流变体稳定工作温度，而且高于磁场密封介质中表面活性剂的分解温度。磁流变体在磁场密封装置中，长期稳定工作后。在高于磁流变体中表面活性剂分解温度的部分，主要是水平位置0～10mm处，磁流变体中只有磁性固体颗粒的存在，它们主要起着隔热的作用，所起的密封能力有限。在水平位置10～15mm处，温度处于114～180℃之间，但仍在磁流变体稳定工作温度以上，磁流变体中水虽然被蒸发了，但是磁流变体的粘度还是很小，这一段的磁流变体所能起的密封作用有限。在20～45mm处温度基本都处于磁流变体稳定工作温度以下，并且磁场源也主要在该处，因此这段磁场密封介质起到了主要的密封作用。经过试验，温度与密封能力的关系，如表4。

表4 温度与密封压力差关系表

最终经过试验，在磁流变体添加入自制磁场密封装置中，采用钕铁硼为磁场源，其最大磁能积 407．6kJ/m3，矫顽力 2244．7ka/m，密封 间隙高度为10mm时，室温25℃时密封，该装置的压力差达60kPa。

3 结语

本研究制备了一种新的水基Fe3O4磁流变体，所选的表面活性剂（浓度为90%）和水按质量比4：1混合制成悬浮液，选用100目以下的Fe3O4颗粒和悬浮液按质量比24：5混合制成磁流变体。该磁流变体具有优良的磁性能，良好的稳定性。其稳定工作的温度范围，在70℃以下，且越低越好。自制了一套磁场密封装置，来验证制备的磁流变体密封性能。该装置充分考虑了高温下的磁流变体密封情况。通过实验，验证了磁流变体具有的密封性能，密封后，最大压力差可达60kPa。