磁流变液稳定性影响因素研究综述_沈卓珊.pdf

文章编号：（）磁流变液稳定性影响因素研究综述沈卓珊，潘继生，阎秋生（广东工业大学 机电工程学院，广州 ）摘要：磁流变液凭其灵活、可控、稳定的特点成为应用最广的智能材料，磁流变液的稳定性对磁流变液功能的实现具有非常重要的意义。对磁流变液在机械传动、精密加工、医学、土木工程等领域的应用及其原理进行综述，总结对比了多种磁流变液沉降稳定性的检测方法。重点介绍磁流变液沉降稳定性的影响因素，通过总结不同类型添加剂的作用机理，从沉降率的角度对比分析了添加剂对磁流变液沉降稳定性的影响。同时指出改变磁性颗粒的结构、形成低密度复合材料主要是通过增大磁性颗粒与基载液之间的摩擦力和减小磁性颗粒和基载液之间的密度差来改善磁流变液的沉降性能。最后对磁流变液的发展趋势进行预测。关键词：磁流变液；磁性颗粒；添加剂；沉降稳定性中图分类号：；文献标识码：引言磁流变液是一种新型智能材料，在机械传动领域、精密加工领域、土木工程领域、医学领域都有比较广泛的应用。磁流变液的磁流变效应具有连续、可逆、迅速、易于控制等特点，在传动、减震、支承 、磁流变抛光 、癌症治疗 等都有很重要的应用。磁流变液在不同领域实现不同的功能，其对磁流变液的性能要求亦不相同。在机械传动领域，磁流变液通过外部磁场的作用下产生可控的流变效应实现传动、支承的功能。通过将磁流变液填充在驱动盘的间隙中，磁流变液体在外部磁场的作用下产生可控的流变效应，进而实现从驱动部分向被驱动部分的功率传递。不仅如此，还可通过控制外部磁场，改变局部流动阻力和压力，实现在不同载荷下轴承的间隙维持不变，提高轴承工作的稳定性。在医学领域，将磁性颗粒与药物相结合，通过控制磁场来实现药物的靶向传递。还可通过控制合理的条件，实现流体流动在血液网络中的密封，抑制对肿瘤的血液供应，达到杀死癌细胞的效果。此时，不仅要求其在零场时具有良好的流动性，对磁场有较高的灵敏性，还应尽可能减少磁流变液对生物的副作用。在精加工领域，将磨料微粒加入磁流变液中形成磁流变抛光液，磁流变抛光液在梯度磁场下形成规律的微磨头，对工件表面材料的微量进行去除。在这个过程中，磁流变液在磁场下具有较高的剪切屈服应力和磁链串的恢复能力就显得至关重要。在土木工程领域，磁流变阻尼器通过激活磁铁，在磁流变阀区域内，改变流体的表观黏度产生可控力，进而实现防震、减震的功能。磁流变液的稳定性是其实现各项功能的基础，而一直以来，磁流变液的稳定性一直是磁流变液在生产应用中比较难解决的问题。磁流变液的沉降，一方面在阻尼零件中会严重影响零件的灵敏性而使其失效，另一方面，在加工中，磁流变液的沉降会影响磁流变液在整个系统中的循环利用，堵塞系统的管道，甚至影响磁流变的加工效果。因此，对磁流变液的基础研究主要集中在分散磁粒子的沉降和再分散现象。本文总结对比了多种磁流变液沉降稳定性的检测方法，主要包括目测观察法、沉降电势法、电感法、紫外光谱谱法等。同时介绍磁流变液沉降稳定性的影响因素，如添加剂、磁性颗粒、基载液等，其中，添加剂主要通过提高磁性颗粒与基载液之间的结合力、降低磁性颗粒与基载液之间的密度差来改善磁流变液的沉降性能；改变磁性颗粒的结构、形成低密度复合材料主要是通过增大磁性颗粒与基载液之间的摩擦力、减小磁性颗粒和基载液之间的密度差来提高磁流变液的沉降稳定性。最后，基于磁流变液在不同领域的应用，指出磁流变液之后的发展趋势。磁流变液组成及磁流变效应磁流变液的组成磁流变液主要由基载液、磁性微粒和添加剂这三部分组成。基载液是在磁流变液中承载性敏微粒和其他成分的连续载体，磁性颗粒与基载液之间的界面磁流变液的性能有重要的影响。磁流变液应具有较低的黏度以方便磁流变液的无磁场作用的条件下可以自由沈卓珊 等：磁流变液稳定性影响因素研究综述基金项目：国家自然科学基金项目（，）收到初稿日期：收到修改稿日期：通讯作者：潘继生，：作者简介：沈卓珊（），女，在读硕士，师承潘继生教授，从事光学晶片超精密加工。流动，还应具有稳定的性质以防止基载液在高温或其他条件下与工件或磁流变液的其他成分发生反应而使磁流变液失效。磁性颗粒在外加磁场作用下，会迅速形成磁链串，进而实现对磨料的夹持与包裹或其他的目的。磁性颗粒的工作性质要求磁性颗粒应具有高饱和磁感应强度，使磁流变液具有较大的剪切应力。而当去掉磁场作用时，磁性颗粒又能迅速退磁分散与磁流变液中，使磁流变液只有极小的剩磁或不存在剩磁，而且具有较好的流动性。常见的磁性颗粒有羰基铁粉、钴、镍、四氧化三铁 等纯铁粉或合金。与羰基铁粉相比，软铁磁性四氧化三铁球形颗粒具有低密度耐腐蚀的特点，更适用于磁流变液系统在防震中应用。在磁流变液加入不同类型的添加剂能改变磁性颗粒的表面活性的，进而达到减缓或防止磁性颗粒产生沉降，提高混合物的稳定性、抗腐蚀性及润滑的目的。磁流变效应一般情况下，磁流变液在无外加磁场时，磁流变液中磁性颗粒自由分布，无明显规律，而当施加有外加磁场时，磁流变液中的磁性颗粒发生极化现象，而且在热运动和磁场力的共同作用下，部分颗粒会相互靠近形成有序的排列方式，从宏观上看，磁流变液在极短的时间内迅速沿磁场方向形成链串，这种可逆的转变在极短的时间内完成。等 通过提出粒子运动模型，模拟了磁流变液在不同磁场下的粒子分布。实验表明，随着磁场强度的增加，磁流变液的链串结构更加明显；在相同的外加磁场条件下，磁链串结构随着粒子体积分数的增加而更加明显。且具有高粒子体积分数的磁流变液的磁链串长度随磁场的增大而急剧增加。一般情况下，磁流变液的磁性颗粒粒径越大，饱和磁感应强度越高，磁性颗粒的体积分数越大，磁流变液的磁链串结构越好，流变性能越好。且在其他成分相同的情况下，水基磁流变液比油基磁流变液具有更好的流变性能。磁流变液稳定性的评价方法磁流变液的稳定性主要包括团聚稳定性、沉降稳定性和热稳定性等几个方面。团聚稳定性是指磁流变液在没有磁场作用的条件下，长期放置不凝聚、不抱团的现象；沉降稳定性是指磁流变液抵抗沉积，均匀地悬浮在磁流变液中的特性；热稳定性是指在较高的温度下，磁流变液仍能实现保持稳定并实现制定功能的特性。磁流变液的沉降机理磁流变液的沉降，一方面是磁流变液中颗粒的团聚凝结引起的沉降，另一方面是磁流变液长期静置而在重力作用下引起的沉降。沉降会增大磁流变液的零场黏度以及外界磁场作用下的响应时间，从而使磁流变液的流动性变差。磁流变液沉降的原因主要是磁性颗粒与基液之间的密度差和磁性颗粒间的团聚 。根据 定律可以得到，颗粒的下沉速度（）的计算公式如下：（）（）（）（）式中：和分别是油和颗粒的密度，单位为；是与黏度、颗粒半径有关的参数；由上式可以知道，磁流变液中颗粒的沉降速度与下列的因素有关：基液与磁性颗粒的密度差、基液的黏度、颗粒的半径等。通过降低基载液与磁性颗粒的密度差，选择合适黏度的基载液，适当降低磁性颗粒的半径等措施可以减小磁性颗粒下沉的速度，进而改善磁流变液的沉降稳定性。磁流变液的检测方法磁流变液的稳定性对其在生产、生活中的应用非常重要，因此很有必要进行沉降稳定性的检测。目前，沉降稳定性的检测方法有：目测观察法 、沉降电势法 、电感 法 、紫 外 光 谱 法 、激 光 束 偏 转法 、浊度计测量法、热导率测量法 等多种方法，其工作原理、评价指标如表所示。表磁流变液的检测方法及评价指标 ，：；：，年第期（）卷 ，.：；：（），：；：；：；：（）；：，（）（）（）：；（）：，（）（）：；：；：目测观察法在以上提到的多种方法中，目测观察法凭其操作简便、难度较低的特点成为应用最广的一种方法，如图所 示。、等 均使用该方法进行沉降稳定性的测量。但与此同时，该检测方法不能检测磁流变液在磁场作用下的流体行为，且实验耗时较长、数据的观测容易受到实验者的影响。因此，需要一种更客观直接的评价手段来进行悬浮体系沉降稳定性的评价。图目测观察法示意图 沉降电势法与目测观察法相比，沉降电势法可以实现磁流变液沉降性能的自动测量，通过直接读取读和简单的计算，即可得到悬浮体系的沉降状态，如图所示。年，通过分析球形软颗粒浓缩悬浮液的沉降理论，推导磁流变液的沉降速度和沉降势的一般表达式。年，等 通过测量样品周围线圈中引起的电动势的变化，研究悬浮液的沉降性。这是因为悬浮液的沉降导致了线圈内局部颗粒浓度的降低，导致 磁 导 率也 随 之 降低，进而引起电动势的降低。年，等 研发了一种沉降电位测量系统及方法，成功地应用于磁流变液的 电位测定，以评价磁流变液的稳定性，但该系统只适用于悬浮液浓度较低时的电位测量。图沉降电势法示意图 沈卓珊 等：磁流变液稳定性影响因素研究综述电感法目测观察法和沉降电势法的实验操作简单，计算量少，但这两种方法只能检测磁流变液的总体沉降特性，而没有办法监测到磁流变液的局部沉降特性，如图所示。年，等 研发了一种测量磁流变液沉降常数的方法和装置，即通过使用电感计测量的螺线管的电感降低，计算得到评价磁流变液沉降特性的沉降指数。在这之后，多位学者使用该原理进行装置的研发与改进。年，等 基于电感传感器，使用电磁阀构成沉降速度测量仪，通过评价电感的变化率来确定渗透率的变化率。年，等 研发了用于磁悬浮液沉降研究的全自动装置，通过测量电感即可得到关于磁粒子局部体积分数的信息。年，、年，、等 均采用垂直轴电感检测系统评价磁流变液柱中的颗粒浓度，以此检测磁流变液在一段时间内的沉降特性。但与此同时，电感法的测试结果在很大程度上依赖于外加磁场的强度，这会导致当磁场强度超过一定限制时，悬浮体系中的磁性颗粒会团聚或形成磁链串。图电感法示意图 紫外光谱法 年，等 首次提出使用紫外可见光谱测量来定量表征分散体体系稳定性的方法，通过对分散体体系进行检测，后将吸光度与校准曲线进行拟合来确定上清液的浓度，进而得到磁流变液的上层清液浓度与沉淀时间的关系。年，等 通过使用光谱分光光度计对磁流变悬浮液进行检测，后根据光学吸光度与时间的函数关系检测磁流变液的沉降稳定特性。在此之后 、等 通过该方法来测试记录磁流变液的沉降行为。该方法可以通过测试出来的参数，较准确地计算出磁流变液中的浓度分布，进而得出磁流变液的沉降性。但对设备的要求较高，且悬浮液的浓度越高，紫外可见光谱越模糊，测试结果存在一定误差。激光束偏转法、浊度计测量法 年，等 提出了一种基于激光束偏转的溶液中扩散系数随浓度变化的方法。当激光束穿过一个溶液体系时，出射光束在屏幕上画出一个曲线图案。通过测量不同浓度下的图形，可以确定扩散系数随浓度的变化。年，等 首次研发设计了可沿轴平移的激光光散射装置，通过校准曲线将粒子浓度值与测量的散射数据相关联，进而得出悬浮体系内颗粒的沉降情况。年，等 利用轴平移激光光散射装置，通过建立透射光与浓度的校准曲线并生成离散数据，以此推断出等浓度沉降 速 度。年，、年，等 使用轴平移激光散射装置对双峰颗粒磁流变液的沉降稳定性进行检测与分析。年，等 使用激光散射法定量评价了悬浮体系的稳定性，通过检测光传输强度随时间变化的函数，定量地观察悬浮体系的稳定性。年，等 通过使用激光束偏转法进行磁流变液的沉降研究，但由于粒子的不透明性质，当悬浮液的浓度越高时，激光束对粒子浓度的预测误差越大。图激光束偏转法示意图 图浊度计测量法示意图 激光束偏转法测量精度很高，适用于混浊的样品，但由于粒子的不透明性质，当悬浮液体系浓度较高时，年第期（）卷激光束不能准确预测粒子的浓度。浊度计测量法与激光束偏转法的唯一区别是它将探测器放置在与入射光方向有一定角度的特定角度，因此它测量的是散射光的强度，而不是通过样品的光。通过测量散射光的强度，即可分析得到磁流变液的沉降特性，如图、所示。热导率测量法 年，等 通过 方法定量测量了沉降效应导致的热导率增加的规律，并得出结论：纳米颗粒聚集物的引力效应使得纳米流体的导热系数随时间不断增加；年，等 提出了一种跟踪颗粒体积分数和体积分布的时间变化的方法，并指出悬浮体系中磁性颗粒的体积分数发生改变时，悬浮体系的热导率会发生改变，以此来评价悬浮体系的沉降特性；年，等 提出了一种利用热导率来表征磁流变液柱沉降速率的方法，如图所示。通过建立了一个将颗粒浓度与导热系数之间的关系的校