润滑剂对磁流变液屈服应力的影响

李玉青, 罗一平， 王 莹， 骆 佼， 仇 俊

(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院， 上海 201620)

磁流变液是一种智能材料，零磁场时表现为牛顿流体性质，但在磁场激励下会出现连续的、无级的可逆变化，呈现出类固体的性质。得益于这种独特的磁流变性能，该材料在许多领域均有广泛应用[1-6]。其主要构成包括磁性颗粒、基础液及添加剂3部分，磁性颗粒是磁流变液性能体现的主体，基液作为载体承载磁性颗粒，添加剂的加入可以改善、优化和升级磁流变液的整体性能，包括提高屈服应力等流变学特性。姚金光等[7]分别测试了石墨、硼酸三丙酯、四硼酸钠和四硼酸钾等4种润滑添加剂对磁流变液摩擦磨损性能的影响，结果显示四硼酸钠的减摩抗磨效果最优。胡志德等[8]研究了不同类型的固体润滑剂对磁流变液摩擦性能的影响，结果表明,无机层状结构类固体润滑剂和高分子化合物类固体润滑剂的加入均能有效地改善磁流变液的润滑性能。刘奇等[9]复合使用触变剂与表面活性剂，并加入适当的固体润滑剂合成了一种稳定性和润滑性能良好的磁流变体材料,发现该类材料半个月内无明显沉降,无板结情况。Ma等[10]通过合成2种含磷和含硫的磷酸盐化合物并将其作为水基润滑添加剂在四球试验机上研究其摩擦学性能，结果表明，这种润滑添加剂能有效地降低摩擦磨损。以上对润滑剂的研究大多只关注了润滑剂的加入所带来的最直接的影响，即可以改变磁流变液的摩擦学性能，而对其可以减缓颗粒沉积速度，提高沉降稳定性，进而影响磁流变液发生剪切时的屈服应力研究相对较少；而且许多试验都只是针对新配置的磁流变液进行研究和测试。文中，课题组研究了润滑剂的加入对磁流变液的终端影响(即对屈服应力的影响)，并对磁流变液在整个沉降周期内的剪切屈服应力进行了测量。

1 磁流变液样品制备

常见的磁流变液添加剂主要有表面活性剂、润滑剂及触变剂等，课题组重点研究润滑剂对其剪切屈服应力的影响。

课题组选取的制备磁性颗粒的材料为5 μm粒径的羟基铁粉，基础液为二甲基硅油，其在常温、零磁场下的黏度为0.001 m2/s。为保证试验时可以对润滑剂进行单一变量分析，所有磁流变液配方均用十二烷基苯黄酸钠作为表面活性剂，用二氧化硅作为触变剂。根据相关研究[11]，当磁性颗粒的质量分数在66%～76%之间，各添加剂的总体质量分数在0.5%～2.0%之间时，磁流变液的整体性能可以达到较优的水平。课题组配制的磁流变液样品磁性颗粒的质量分数为70.2%；所有添加剂的总质量分数控制在1.8%，其中表面活性剂的质量分数为0.8%，触变剂质量分数为0.5%。然后，借助实验室的球磨机、干燥箱和搅拌器等设备及仪器，经历一次研磨、干燥、二次研磨、成品等过程，设计出一系列磁流变液配方。制备流程如图1所示。表1为满足不同试验要求而设计的不同配方的磁流变液。

图1 磁流变液制备流程图Figure 1 Flow chart of magnetorheological fluid preparation

表1 基于不同润滑剂的磁流变液配方设计

2 不同润滑剂对磁流变液屈服应力的影响

课题组分别测试含有石墨、二硫化钼、氮化硼、氢化蓖麻油和聚四氟乙烯等5种润滑剂的磁流变液在静置沉降过程中剪切屈服应力变化情况；依据所得的沉降时间-剪切屈服应力变化曲线，分析屈服应力的变化特点，评价不同润滑剂对磁流变液剪切屈服应力的影响程度。课题组自主设计了磁流变液剪切屈服应力测试平台用于屈服应力的测试，该测试装置的系统图及装置的实物如图2所示。

图2 磁流变液剪切屈服应力测试平台Figure 2 Shear yield stress test platform of magnetorheological fluid

2.1 单一润滑剂对屈服应力的影响

为使试验数据更具代表性同时增强试验结果的对比效果，课题组利用该测试平台分别测试了5种配方，即表1中编号为1，2，3，4和5的配方；在3种磁感应强度分别为0.21，0.40和0.50 T下的剪切屈服应力变化情况，进而判断不同润滑剂对屈服应力的影响程度。试验时，让磁流变液静置沉淀36 d，每3 d测试一组数据，不同润滑剂的磁流变液的剪切屈服应力对比结果如图3所示。

图3 不同磁场下各配方剪切屈服应力变化曲线Figure 3 Variation curves of shear yield stress of various formulations under different magnetic fields

对比分析图3中(a)，(b)，(c)可知：

1) 在3种磁场强度下，配方5(聚四氟乙烯)的剪切屈服应力优于其余配方的磁流变液；配方1(石墨)对磁流变液剪切屈服应力的改善效果最差。

2) 在磁流变液未发生沉降时，添加不同润滑剂的磁流变液的剪切屈服应力值差值较大，随着沉降时间的延长，该差值有减小的趋势。以图3(c)为例，在沉降第0 d，磁流变液的剪切屈服应力的最大值与最小值相差10.395 kPa，在沉降周期第36 d时，剪切屈服应力的最大值与最小值相差4.131 kPa。

3) 润滑剂对磁流变液剪切屈服应力的改善效果和磁流变液所处的磁场有关，对于同一配方的磁流变液，相同沉降周期内，磁场越大，其剪切屈服应力越高。

4) 以聚四氟乙烯作为润滑剂的磁流变液，其剪切屈服应力在沉降周期内下降趋势最为明显，而其他配方的磁流变液屈服应力的下降趋势，相对而言较为平缓。如图3(a)中，在相同的36 d沉降周期内，配方5的剪切屈服应力下降了64.7%，而配方1的剪切屈服应力只下降了42.1%。

5) 不同配方的磁流变液剪切屈服应力变化曲线有交叉和重叠部分，这说明润滑剂对屈服应力的改善效果还和沉降时间有关。以图3(b)为例，在静置沉降的前18 d，以聚四氟乙烯作为润滑剂的磁流变液，其剪切屈服应力始终高于其他配方，但是沉降21 d之后，其剪切屈服应力却不及以二硫化钼或氢化蓖麻油为润滑剂的磁流变液。

6) 无论以哪种成分作为润滑剂，在磁流变液未发生沉降时，其剪切屈服应力为最大值，随着沉降时间的推移，剪切屈服应力均会下降，但下降速度不一。通常初始剪切屈服应力越大，其下降速度也越快。

上述结论对于实验室制备磁流变液选取润滑剂时具有重要参考意义，如只需要磁流变液沉降前期具有较大的屈服应力，聚四氟乙烯无疑是最好的选择；若需要保持磁流变液具有较大屈服应力的同时，还需要满足在较长的沉降周期内屈服应力值有较小的波动，此时选取氢化蓖麻油或二硫化钼作为润滑剂较为明智。

2.2 混合添加润滑剂对屈服应力的影响

课题组以二硫化钼和石墨为试验对象，探究2种润滑剂的混合使用效果与某一种润滑剂单独作用的区别。如需了解其他润滑剂混合使用对磁流变液的影响，可参考文献[12-13]。试验时，分别测试表1中编号为1，1.1和2的磁流变液样品在静置沉淀36 d内的剪切屈服应力的变化。试验中，仍选取0.21，0.40和0.50 T的3种不同的磁场，每隔3 d测试1组数据，为便于对比，将配方1.1和配方1及配方1.1和配方2的屈服应力变化曲线描绘在同一张图里，其屈服应力对比结果如图4所示。

图4 混合润滑剂与单一润滑剂剪切屈服应力对比图Figure 4 Comparison of shear yield stress of mixed lubricant and single lubricant

从图4中可知，在同一磁感应强度下，配方1.1对应剪切屈服应力明显高于配方1及配方2，这说明二硫化钼及石墨混合作为润滑剂的磁流变液的屈服应力性能优于单独添加二硫化钼或石墨作为润滑剂的磁流变液，但这个结论并不是绝对的。如图4(b)中，当磁感应强度为0.50 T时，配方1.1的剪切屈服应力在整个沉降周期内并没有始终高于配方2，而是有重合和低于配方2的部分，这种现象表明混合使用润滑剂时，其所能达到的改善磁流变液屈服应力的效果还和磁流变液所处的磁场相关。除此之外，图4(b)中另一个特点是随着磁感应强度的增大，配方1.1和配方2对应的剪切屈服应力之间差值有逐渐减小的趋势，这给我们带来的启示是，当磁流变液所处的磁场强度较大时，混合使用2种润滑剂和单独使用某一种润滑剂，其对磁流变液屈服应力的改善效果是相当的。

3 结语

课题组通过对含有石墨、二硫化钼、氮化硼、氢化蓖麻油和聚四氟乙烯等5种润滑剂的磁流变液样品剪切屈服应力的研究，得出结论：

1) 5种润滑剂单独添加时，聚四氟乙烯提高屈服应力的效果最佳；

2) 二硫化钼和石墨混合使用时对屈服应力的改善作用优于二者的单独使用。

考虑到时间和经济成本，课题组仅对目前常用的润滑剂进行了试验研究，同时对于润滑剂的混合使用情况也只进行了2组对比试验。除此之外，对于润滑剂的添加可以提高磁流变液屈服应力的作用机理，课题组未做更深层次和更细致的探讨。