不同比表面積SiO2對磁流變液流變特性和沉降穩(wěn)定性的影響

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(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，南京 210094)

0 引 言

磁流變液(Magnetorheological Fluids，MRF)是一種由磁性顆粒、載液和添加劑組成的智能材料。在沒有磁場的條件下，磁流變液呈自由流動的流體狀態(tài)；在施加磁場后，其表觀黏度急劇增大幾個數(shù)量級，從而由液體變?yōu)轭惞腆w，撤去磁場后又迅速恢復(fù)成流體狀態(tài)，并且這一過程非常迅速(毫秒級)，是可逆且可控的。磁流變液的黏度、塑性和黏彈性等隨磁場變化的行為稱為磁流變效應(yīng)(Magnetorheological Effect)[1]。磁流變液的智能可控性使其在汽車、機械、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[2-6]。然而，由磁性顆粒(懸浮相)與載液(分散相)的密度差引起的磁性顆粒的沉降會減弱磁流變液的磁流變效應(yīng)，從而限制其工程應(yīng)用。

提高磁流變液沉降穩(wěn)定性的方法主要有采用復(fù)合磁性顆粒[7]，將兩種粒徑的磁性顆粒混合使用[8]，加入合適的添加劑[9]，使用特殊形狀的磁性顆粒[10]等。其中，加入合適的添加劑是最簡單的一種方法。納米SiO2是常用的一種添加劑，當(dāng)作為觸變劑加入到磁流變液中時，一方面會吸附在磁性顆粒周圍，從而降低磁性顆粒的密度，另一方面可以在載液中形成三維觸變網(wǎng)絡(luò)(凝膠化)，從而減緩顆粒沉降。SiO2的凝膠化與其粒徑、表面性質(zhì)，以及分散工藝和分散介質(zhì)有關(guān)[11]。ALVES等[12]用羰基鐵粉和疏水、親水兩種類型的SiO2制備了磁流變液并研究了其流變特性，發(fā)現(xiàn)用疏水性SiO2制備的磁流變液具有更低的零場黏度，在低磁場下具有更高的屈服應(yīng)力和彈性模量。楊健健等[11]發(fā)現(xiàn)增大SiO2粒徑能夠顯著改善磁流變液的沉降穩(wěn)定性，但降低了再分散性能。SiO2的比表面積直接影響三維觸變網(wǎng)絡(luò)的形成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以SiO2為觸變劑制備的磁流變液性能也必然會受到SiO2比表面積的影響。因此，作者以3種比表面積的納米SiO2為觸變劑制備了磁流變液，分析了不同比表面積納米SiO2對磁流變液流變特性和沉降穩(wěn)定性的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用磁性顆粒為羰基鐵粉，粒徑1～3 μm，基本呈球形(見圖1)，由陜西興化化學(xué)股份有限公司提供；載液為聚α烯烴合成油，40 ℃運動黏度為30.5 mm2·s-1，由廣州啟杰化工科技有限公司提供；觸變劑為疏水性納米SiO2粉體，比表面積分別為150，200，380 m2·g-1，由廣州吉必盛科技實業(yè)有限公司提供；表面活性劑為低分子化合物溶液型EL-2208潤濕分散劑，由東莞易立安化工科技有限公司提供。

圖1 羰基鐵粉的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of carbonyl iron powder

按照納米SiO2粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，EL-2208潤濕分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.7%稱取納米SiO2粉體、EL-2208潤濕分散劑和聚α烯烴合成油。將聚α烯烴合成油加熱到55 ℃后加入納米SiO2粉體，磁力攪拌10 min后加入EL-2208潤濕分散劑，在AD500S-H型均質(zhì)分散機中分散10 min，再緩慢加入羰基鐵粉，繼續(xù)分散2 h，得到磁流變液。在整個制備過程中溫度保持在55～65 ℃，所得磁流變液中羰基鐵粉的體積分?jǐn)?shù)均為25%。在相同條件下制備了未添加納米SiO2粉體的磁流變液。為便于描述，將添加比表面積分別為150，200，380 m2·g-1的納米SiO2粉體的磁流變液簡稱為1#，2#，3#磁流變液，未添加納米SiO2粉體的簡稱為4#磁流變液。

1.2 試驗方法

在S-4300N型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察磁流變液的微觀形貌。

采用LakeShore 7304型振動樣品磁強計(VSM)測試磁流變液的磁滯回線，得到飽和磁化強度，計算磁感應(yīng)強度和相對磁導(dǎo)率，計算公式分別為

B=μ0(H+M)

(1)

(2)

式中：B為磁感應(yīng)強度；μr為相對磁導(dǎo)率；μ0為真空磁導(dǎo)率，取4π×10-7H·m-1；H為磁場強度；M為飽和磁化強度。

將磁流變液置于量筒中，自然沉降20 d。在沉降過程中，定時測量上層析出清液的體積V1和下層羰基鐵粉的體積V2，計算沉降率w，計算公式[13]為

(3)

采用MCR 302型模塊化智能高級流變儀測磁流變液的流變特性，使用直徑20 mm的平行板夾具，測試間隙為0.5 mm，溫度為25 ℃。

2 試驗結(jié)果與討論

圖2 1#磁流變液中羰基鐵粉的SEM形貌Fig.2 SEM micrograph of carbonyl iron powder in 1# magnetorheological fluid

2.1 微觀形貌

1#，2#，3#磁流變液中羰基鐵粉的微觀形貌相似，以1#磁流變液為例進(jìn)行說明。由圖2可以看出，磁流變液中的羰基鐵粉顆粒仍呈現(xiàn)較為規(guī)則的球形，但顆粒表面出現(xiàn)類似鴨蹼狀的結(jié)構(gòu)，從而將小顆粒連結(jié)成較大顆粒。

2.2 磁滯回線

由圖3可以得到，1#，2#，3#磁流變液的飽和磁化強度分別為201，207，217 A·m2·kg-1。將飽和磁化強度代入式(1)和式(2)，計算得到當(dāng)磁場強度為120 A·m-1時，1#，2#，3#磁流變液的相對磁導(dǎo)率分別為0.39，0.40，0.42。可見，納米SiO2的比表面積越大，磁流變液的飽和磁化強度和相對磁導(dǎo)率越大。

圖3 不同磁流變液的磁滯回線Fig.3 Hysteresis loops of different magnetorheological fluids

2.3 零場黏度

由圖4可見：不同磁流變液的零場黏度均隨剪切速率的增大而減小，呈現(xiàn)出剪切稀化現(xiàn)象；在較低的剪切速率下，4#磁流變液的零場黏度最低，1#，2#，3#磁流變液的零場黏度均為4#磁流變液的2倍以上，說明納米SiO2的加入起到了增黏作用，這是因為納米SiO2的觸變性使其在磁流變液中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了載液的流動；在較低的剪切速率下，當(dāng)納米SiO2的比表面積由150 m2·g-1(1#磁流變液)增加到200 m2·g-1(2#磁流變液)時，磁流變液的零場黏度的增幅很大，而由200 m2·g-1(2#磁流變液)增加到380 m2·g-1(3#磁流變液)時，磁流變液零場黏度略有降低，但降低幅度很小，這是因為比表面積會影響到SiO2三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的節(jié)點密集程度[11]，但當(dāng)比表面積增加到一定程度時，這種影響的程度減小；當(dāng)剪切速率大于60 s-1時，不同磁流變液的零場黏度趨于一致，這是因為高剪切速率破壞了SiO2三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[14]，削弱了觸變劑SiO2對零場黏度的影響。

圖4 不同磁流變液的零場黏度隨剪切速率的變化曲線Fig.4 Off-state viscosity vs shear rate curves of different magnetorheological fluids

2.4 剪切性能

由圖5可見：不同磁流變液的剪切應(yīng)力均隨磁感應(yīng)強度的增大而增大，這是因為磁流變液中的羰基鐵粉磁性顆粒在磁場的作用下相互排列成鏈狀結(jié)構(gòu)，且隨磁感應(yīng)強度的增大而變粗[15]，導(dǎo)致剪切應(yīng)力增大；在磁感應(yīng)強度低于0.4 T時，不同磁流變液的剪切應(yīng)力幾乎相同，這是因為此時的剪切應(yīng)力主要受羰基鐵粉含量的影響[16]；當(dāng)磁感應(yīng)強度高于0.4 T時，3#磁流變液的剪切應(yīng)力高于4#磁流變液的，而1#，2#磁流變液的剪切應(yīng)力低于4#磁流變液的。在磁場作用下，比表面積較大的納米SiO2在羰基鐵粉顆粒沿磁場方向排列成鏈狀結(jié)構(gòu)時填充到羰基鐵粉顆粒的空隙中，減少了磁流變液的結(jié)構(gòu)缺陷，使得鏈狀結(jié)構(gòu)的強度增大，從而增大了剪切應(yīng)力[17]；而1#和2#磁流變液中納米SiO2的比表面積較小，粒徑較大，在羰基鐵粉成鏈過程中夾雜在鏈中，增大了羰基鐵粉顆粒間的距離，降低了磁性羰基鐵粉顆粒間的吸引力，從而導(dǎo)致剪切應(yīng)力的減小。

圖5 不同磁流變液的剪切應(yīng)力隨磁感應(yīng)強度的變化曲線(剪切速率30 s-1)Fig.5 Shear stress vs magnetic induction intensity curves of different magnetorheological fluids (at shear rate of 30 s-1)

由圖6可以看出：在磁場作用下，不同磁流變液均表現(xiàn)出顯著的Bingham流體特征，當(dāng)未受到磁場作用(零場)，即磁感應(yīng)強度為0時，不同磁流變液則表現(xiàn)出牛頓流體特征；2#磁流變液零場下的剪切應(yīng)力大于1#和3#磁流變液的，與零場黏度的變化相對應(yīng)，進(jìn)一步證明了零場下的磁流變液可看作是牛頓流體；當(dāng)磁感應(yīng)強度為0.96 T時，3#磁流變液的剪切應(yīng)力最高，其次是4#磁流變液的。對磁流變液剪切應(yīng)力有影響的因素主要是SiO2和零場黏度，當(dāng)SiO2的比表面積較大時，其對剪切應(yīng)力的影響會超過零場黏度的影響，因此3#磁流變液的剪切應(yīng)力高于4#磁流變液的。結(jié)合圖4分析可知：4#磁流變液的零場黏度最小，在磁場作用下羰基鐵粉顆粒運動時所受的阻力較小，更容易沿磁場方向聚集形成鏈狀結(jié)構(gòu)，因此剪切應(yīng)力較大；1#和2#磁流變液較大的零場黏度阻礙了羰基鐵粉顆粒的運動，使得鏈狀結(jié)構(gòu)的強度減弱，因此剪切應(yīng)力較低。

圖6 不同磁感應(yīng)強度下不同磁流變液的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線Fig.6 Shear stress vs shear rate curves of different magnetorheological fluids at different magnetic induction intensities:(a-d) 1#-4# magnetorheological fluids

對剪切應(yīng)力-剪切速率曲線進(jìn)行擬合，外推至剪切速率為0時，所得截距就是磁流變液的屈服應(yīng)力[18]。由圖7可知：1#，2#，3#磁流變液的屈服應(yīng)力都隨磁感應(yīng)強度的增加而增大，這是因為在磁場作用下羰基鐵粉顆粒之間存在較強的拉力，且該拉力隨著磁感應(yīng)強度的增加而增大，導(dǎo)致需要更大的剪切應(yīng)力來破壞鏈狀結(jié)構(gòu)才能使磁流變液流動[19]；添加比表面積較大的納米SiO2所得的磁流變液表現(xiàn)出更高的屈服應(yīng)力，這是因為SiO2的比表面積越大，其與羰基鐵粉顆粒的接觸面積越大，二者之間的吸引力也就越大，形成的鏈狀結(jié)構(gòu)越不容易破壞。

圖7 不同磁流變液的屈服應(yīng)力隨磁感應(yīng)強度的變化曲線Fig.7 Yield stress vs magnetic induction intensity curves of different magnetorheological fluids

圖8 在不同磁感應(yīng)強度下不同磁流變液的轉(zhuǎn)換因子隨剪切速率的變化曲線Fig.8 Conversion factor vs shear rate curves of different magnetorheological fluids at different magnetic induction intensities

磁流變液在外加磁場作用下的剪切應(yīng)力與零場下剪切應(yīng)力的比值稱為轉(zhuǎn)換因子，轉(zhuǎn)換因子越大表示外加磁場調(diào)控磁流變液屈服應(yīng)力的范圍越大。由圖8可以看出，不同磁流變液的轉(zhuǎn)換因子均隨磁感應(yīng)強度的增加而增大，這是因為剪切應(yīng)力隨磁感應(yīng)強度的增加而增加。在相同的磁感應(yīng)強度下，3#磁流變液的轉(zhuǎn)換因子最大，其剪切應(yīng)力隨磁場增加的可調(diào)范圍相較于1#和2#磁流變液的更廣，即可控性更優(yōu)。

2.5 沉降穩(wěn)定性

由圖9可以看出：未添加納米SiO2的4#磁流變液的沉降率最高，添加不同比表面積納米SiO2后的沉降率均顯著降低，這是因為納米SiO2在載液中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了黏度，從而有效降低了羰基鐵粉顆粒的沉降率，提高了磁流變液的沉降穩(wěn)定性[20]；2#和3#磁流變液的沉降率低于1#磁流變液的，這是因為比表面積越大，SiO2越容易在磁流變液中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并且形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也越穩(wěn)定，對羰基鐵粉顆粒的支撐作用也越強，越有利于羰基鐵粉顆粒克服重力和分子熱運動作用而保持穩(wěn)定。此外，納米粒子本身的布朗運動也會降低羰基鐵粉顆粒的運動自由程，使羰基鐵粉顆粒下降時的動能減小，從而阻礙沉降的發(fā)生，增強磁流變液體系的沉降穩(wěn)定性。

圖9 不同磁流變液的沉降率隨時間的變化曲線Fig.9 Sedimentation ratio vs time curves of different magnetorheological fluids

3 結(jié) 論

(1) 納米SiO2的比表面積越大，磁流變液的飽和磁化強度和相對磁導(dǎo)率越大。

(2) 隨著納米SiO2比表面積的增大，磁流變液的零場黏度先增大后略微減小，當(dāng)納米SiO2比表面積為200 m2·g-1時，零場黏度最大。

(3) 隨著納米SiO2比表面積的增大，磁流變液在磁場作用下的剪切應(yīng)力和屈服應(yīng)力增大；在磁場作用下，不同磁流變液均表現(xiàn)出顯著的Bingham流體特征，未受到磁場作用(零場)時則表現(xiàn)出牛頓流體特征；當(dāng)SiO2比表面積為380 m2·g-1時，磁流變液的屈服應(yīng)力表現(xiàn)出更廣的可調(diào)范圍，即磁流變液的可控性優(yōu)良。

(4) 添加納米SiO2能夠提高磁流變液的沉降穩(wěn)定性，且納米SiO2的比表面積越大，磁流變液的沉降穩(wěn)定性越好。