水基Fe3O4磁流變體的制備與密封性驗證

劉亮，吳勝舉，于旭光，孫海濤，唐香珺

（陸軍工程大學石家莊校區，河北 石家莊 050003）

磁流變體(Magneto - Rheological Fluids 簡稱為MRF) 是一種新型智能材料，性能和形態受到外加磁場的影響。其在零磁場條件下一般會呈現出低粘度的牛頓流體特性；在強磁場作用下一般呈現出低流動性和高粘度的Bingham體特性。這使其在材料密封領域具有獨特的作用。磁流變體主要由2部分組成：一是微米級別的軟磁材料顆粒；二是作為分散劑，保證軟磁顆粒穩定分散的懸浮液。Fe3O4顆粒具有高的磁化率、低的矯頑力、高的飽和磁感應強度，對環境因素如溫度和震動的穩定性好。而且Fe3O4顆粒來源廣泛、制作簡單，是一種理想的軟磁材料。水具有良好的化學穩定性和低粘度，加入合適的表面活性劑后，可以制成磁流變體的懸浮液。

1 磁流變體的制備流程及穩定性研究

1.1 磁流變體的制備

將所選的表面活性劑（濃度為90%）和水按質量比4：1混合，機械攪拌30min后再超聲分散30min，制成所需的懸浮液；再將Fe3O4顆粒（尺寸為0～0．154mm即100目以下顆粒）和懸浮液按質量比24：5混合，機械攪拌30min后再超聲分散30min，得到磁流變體。

1.2 磁流變體的穩定性研究

磁流變體的穩定性決定了它能否能長期穩定的使用，特別是在密封中，不能頻繁的更換密封介質。因此必須對制備的磁流變體進行穩定性研究。磁流變體進行穩定性研究分2個方面。

（1）長期密封狀態下，磁流變體是否會出現了大量沉淀和分層。

（2）制備的磁流變體最高使用溫度。為驗證所制得的磁流變體穩定性特做以下試驗：在試管中取14g磁流變體放置一段時間，觀察是否出現沉淀和分層現象。如表1。

靜置6個月，磁流變體仍無大量沉淀和分層，試管刻度的減少是磁流變體中水部分蒸發的結果。試驗證明磁流變體整體具有很高的穩定性。制備的磁流變體最高使用溫度，可以通過測量不同溫度下，磁流變體的粘度來得到。磁流變體的粘度對密封作用影響很大，粘性力有平衡密封內外壓力差的作用力，磁流變體的粘度越大，粘性力就越大，能起到的密封效果越好。微觀上粘度是指液體受外力作用移動時，分子間產生的內磨擦力。宏觀上粘度是衡量流體流動性的指標，表示流體流動的分子間摩擦而產生阻力的大小。磁流變體的粘度，不僅與磁性固體顆粒即Fe3O4顆粒所占的體積分量和顆粒度有關，還由添加的表面活性劑和基液有關。磁流變體粘度受到外磁場的影響。外加磁場對磁流變體粘度的影響有方向性。粘度隨著磁化強度的增加而增加。磁流變體的粘度與溫度有關，而與壓強幾乎無關。使用旋轉粘度計測量溫度與粘度的關系結果，如表2。

表1 沉淀試驗表

表2 粘度與溫度的關系表

隨著溫度的提高，磁流變體粘度降低。在70℃降低的比較緩慢，70℃之后粘度迅速減小。在80～90℃時粘度只有室溫的一半。考慮到磁流變體的粘性在磁場密封中的重要作用，因此，該磁流變體的使用溫度越低越好。

2 磁流變體密封性試驗

2.1 自制試驗設備-磁場密封裝置

為驗證制備的磁流變體密封性，特自制磁場密封裝置，如圖1。

圖1 自制磁場密封裝置圖

圖2 加熱系統實物圖

且該磁場密封裝置內部用電阻爐加熱，試驗在不同溫度下，磁流變體的密封能力，如圖2。圖2中磁場密封裝置外殼由鋼鐵材料制成，在電阻爐的外圈采用釹鐵硼永磁合金，圓周布置，做磁場源；在上面蓋一個鋼鐵材料制成的上蓋，上蓋中間與電爐部分緊密接觸，上蓋延伸邊與磁場源之間留有空隙；空隙填充磁流變體后，如圖3，磁場密封裝置將被密封，內外空間被隔離，上蓋延伸邊與磁場源之間產生磁場，其磁場強度的大小不僅與磁場源有關也與空隙尺寸相關，空隙越小，延伸邊與磁場源之間的磁場強度就越大。延伸邊與磁場源之間的磁場強度越大，磁流變體密封能力就越強。但延伸邊與磁場源之間尺寸越小，自制磁場密封裝置的安裝難度就越大。綜合考慮后，其尺寸設置為10mm。

圖3 填充磁流變體后效果圖

對該磁場密封裝置內部抽真空，來試驗不同溫度下，該磁流變體的密封能力。為保證磁流變體的使用溫度低于最高使用溫度，采用冷卻水循環降溫，磁場密封裝置冷卻水系統。

2.2 高溫下的磁流變體密封

磁流變體表面的溫度越高，磁流變體的壓力差越小。這是由于溫度對磁流變體密封能力的影響主要是通過磁流變體粘度來體現。前面已經得出溫度越高，磁流變體的粘度越小，磁流變體之間的粘性力越小，從而磁流變體的密封能力就差。這由于磁流變體隨著溫度升高，介質中有序的自旋結構逐漸加強，磁化率減小。可以說升溫可以使磁流變體中的微粒在磁場方向上有規則排布，但是升溫同時大大減弱了磁子之間的耦合（某種粘合力），減弱單個磁子對其周圍以至整個順磁體的影響，使磁流變體中微粒在垂直于磁場方向上的黏性力大大減小。因此溫度高將使磁流變體的密封性能減弱。在加熱磁場密封裝置3h后，磁流變體各處的溫度達到平衡。具體試驗條件是對磁場密封裝置通冷卻水流速為0．000174m3/s，電爐絲功率1750W下，加熱3h，記錄3h后磁流變體各處的溫度。測量的溫度結果顯示見圖4。

圖4 磁場密封介質各處溫度示意圖

將磁流變體中的各處溫度，按水平位置從內向外分布，以磁場密封裝置中磁流變體內側表面處為0mm開始測量，如表3。

表3 磁流變體內各處與溫度關系表

在磁流變體各處溫度穩定后，各處溫度不同，有些地方例如磁流變體表面處溫度達560℃，不僅遠高于磁流變體穩定工作溫度，而且高于磁場密封介質中表面活性劑的分解溫度。磁流變體在磁場密封裝置中，長期穩定工作后。在高于磁流變體中表面活性劑分解溫度的部分，主要是水平位置0～10mm處，磁流變體中只有磁性固體顆粒的存在，它們主要起著隔熱的作用，所起的密封能力有限。在水平位置10～15mm處，溫度處于114～180℃之間，但仍在磁流變體穩定工作溫度以上，磁流變體中水雖然被蒸發了，但是磁流變體的粘度還是很小，這一段的磁流變體所能起的密封作用有限。在20～45mm處溫度基本都處于磁流變體穩定工作溫度以下，并且磁場源也主要在該處，因此這段磁場密封介質起到了主要的密封作用。經過試驗，溫度與密封能力的關系，如表4。

表4 溫度與密封壓力差關系表

最終經過試驗，在磁流變體添加入自制磁場密封裝置中，采用釹鐵硼為磁場源，其最大磁能積 407．6kJ/m3，矯頑力 2244．7ka/m，密封 間隙高度為10mm時，室溫25℃時密封，該裝置的壓力差達60kPa。

3 結語

本研究制備了一種新的水基Fe3O4磁流變體，所選的表面活性劑（濃度為90%）和水按質量比4：1混合制成懸浮液，選用100目以下的Fe3O4顆粒和懸浮液按質量比24：5混合制成磁流變體。該磁流變體具有優良的磁性能，良好的穩定性。其穩定工作的溫度范圍，在70℃以下，且越低越好。自制了一套磁場密封裝置，來驗證制備的磁流變體密封性能。該裝置充分考慮了高溫下的磁流變體密封情況。通過實驗，驗證了磁流變體具有的密封性能，密封后，最大壓力差可達60kPa。