一種低密度高穩定性磁流變液制備與性能分析

侯中福

摘? 要：本次研究，在傳統磁流變液中加入帶有磁性的納米級鐵磁礦顆粒和不帶磁性的納米級二氧化硅顆粒作為新配方并進行實驗，結果顯示，與傳統的未加入納米鐵磁顆粒的磁流變液相比，新型磁流變液其流變性能有了明顯的提高。另一方面，加入了納米級別的觸變劑之后磁流變液的沉淀率也同時有了顯著的降低。同時，在所有合成的磁流變液樣品中都觀察到了剪切變稀現象。

關鍵詞：磁流變液;組成;納米顆粒;二氧化硅;磁鐵礦

中圖分類號：TB34? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）27-0051-02

Abstract： In this study， magnetic nano-sized ferromagnetic particles and non-magnetic nano-sized silica particles were added to the traditional magnetorheological fluid as new formulations and experiments were carried out. Compared with the traditional magnetorheological fluid without nano-ferromagnetic particles， the rheological properties of the new magnetorheological fluid have been improved obviously. On the other hand， the sedimentation rate of magnetorheological fluid decreased significantly after the addition of nano-scale thixotropic agent. At the same time， shear thinning was observed in all synthetic magnetorheological fluid samples.

Keywords： magnetorheological fluid; composition; nanoparticles; silica; magnetite

引言

磁流變液是智能工程材料中較為活躍的一支，在汽車，機械，建筑，醫療，航空等各領域有非常廣泛的應用前景[1]。在無磁場作用的情況下磁流變液保持其原有的流動狀態。但是當有外加磁場加入后，磁流變液將會以毫秒級別的響應速度迅速凝固并可控的改變其流變性能。在這個過程中磁流變液的屈服應力，剪切粘度，儲存模量等參數都會發生顯著的改變[2]。因此，磁流變液在工程領域應用方面吸引了相當多的關注，例如磁流變制動器，磁流變減振器以及磁流變拋光裝置等[1]。

磁流變液是一種兩相流體，傳統的磁流變液通常是由三種主要成分所組成：載液，磁性顆粒和觸變劑。本研究在傳統的磁流變液基礎上進行改進，在傳統磁性顆粒微米級羰基鐵粉中加入納米級鐵磁礦顆粒改變其組分。觸變劑選用實驗室自制的稻殼基納米級二氧化硅。結果表明，添加了納米級鐵磁礦后的磁流變液其流變性能增加了數倍。添加了自制的納米級不可磁化二氧化硅顆粒之后磁流變液的穩定性得到了顯著的提高。

1 所選材料和制備方法

1.1 觸變劑的制備

準確稱取一定質量稻殼，用去離子水反復水洗并干燥后放入到燒瓶中。按照固液比1：6，濃度4%加入稀硫酸溶液，用冷凝回流的辦法在130℃，5h的條件下常壓加熱回流，過濾，洗中性，沉淀得到殘渣Ⅰ。將殘渣Ⅰ準確稱量后與體積分數65%濃度的乙醇溶液按照1：10的比例加入到反應釜中，擰緊釜蓋，放入已經升好溫度的鼓風干燥箱中。在220℃的條件下反應5h通過乙醇自催化法提取木質素。將所得溶液過濾，洗中性，沉淀，得到殘渣Ⅱ。準確稱取殘渣Ⅱ，與0.2%稀硫酸按照固液比1：10的比例放入反應釜，然后放入到鼓風干燥箱中在190℃的條件下水解5h。將所得溶液過濾，洗中性，沉淀，得到殘渣Ⅲ。對于水解纖維素后的殘渣Ⅲ，通過兩步法制備出分散性強，粒徑約為幾十納米的超細二氧化硅顆粒。第一步：在650℃的條件下先通入氬氣熱解0.5h，此時，殘渣Ⅲ中的剩余有機物在惰性氣氛下分解形成碳可以有效阻止二氧化硅的團聚從而控制二氧化硅保持在納米級尺寸。第二步：在同樣的溫度下再在空氣中熱解0.5h，在此條件下混合物中的碳發生氧化反應，形成二氧化碳等氣態物質離開體系，得到二氧化硅產品，產品分散性極強，粒徑為幾十納米，為超細級別，作為磁流變液的觸變劑成分。

1.2 磁流變液的制備

將微米級羰基鐵粉球形顆粒（平均粒徑小于5微米;密度7.86g/cm3;德國巴斯夫公司）與納米級鐵磁礦顆粒（平均粒徑12納米）的混合顆粒用作分散相，并按照一定比例配成混合體。具體比例如表1所示。隨后，將混合體溶于80℃的準確量取的載液二甲基硅油當中。用機械攪拌器以300r/min的轉速充分攪拌30分鐘，然后再適量加入稻殼基超細納米二氧化硅顆粒并繼續用攪拌器攪拌，攪拌至形成均勻的懸浮液后，再采用球磨機進行高速分散后即制得磁流變液樣品。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

針對于每一種樣品的磁流變性能檢測，我們使用旋轉流變儀（MCR300;德國）連接到磁流變設備上（MRD180）使其產生均勻的磁場。在每一次實驗中，在1mm的間隙距離下對樣品施加高達1.5kA/m的磁場。為了確保結果的可重復性，在做測試之前，每個樣品先攪拌30分鐘時間并重復每一個測試，最后報告平均值。圖1為樣品的零場粘度測試結果。在不同的剪切速度下，三種樣品展現出了不同的粘度特性，隨著剪切速率的增加磁流變液的粘度逐漸下降并趨于較低的穩定值。含有觸變劑的樣品3的零場粘度要明顯高于樣品1和2，這是由于納米鐵顆粒粒徑較小，同等質量下顆粒數目較多。另外，從圖中可以得出二氧化硅粒子比磁鐵礦粒子對粘度的影響更為顯著。

圖2為不同磁場強度下樣品剪切速率與剪切應力之間的關系。在施加磁場后，磁流變液中內部的磁性顆粒在磁場作用下沿著磁場方向排列成鏈狀結構，因此三種磁流變液的粘度均有顯著提高，且隨著磁場強度的增大而增大。同時，隨著磁場強度的增加以及剪切速率的增大，樣本都顯示出了明顯的剪切變稀的現象。另外，隨著磁場的加入并且逐漸增強，添加了磁鐵礦的樣本2對剪切應力有著更大增強作用，這是由于磁鐵礦納米粒子通過增加流體磁性飽和度使得懸浮體更具有磁性，并增加了磁流變效應。

2.2 結論分析

我們綜合了所有實驗的結果分析，可以得出納米級磁鐵礦由于其磁飽和程度比較高的特點，適當的摻雜到羰基鐵粉當中可以顯著的提高磁流變液的流變性能。而納米級二氧化硅由于其自身高比表面積小尺寸的天然結構優勢，適當的加入不但可以提高零場粘度，還可以提高磁流變液的抗沉淀穩定性。但是需要注意的是磁鐵礦和二氧化硅的加入不宜過量，過量加入會使得磁流變液的性能顯著下降。

參考文獻：

[1]汪建曉，孟光.磁流變液研究進展[J].航空學報，2002（1）：6-12.

[2]Yang， G.， Spencer， B. F.， Carlson， J. D. & Sain， M. K. Large-scale MR fluid dampers： modeling and dynamic performan

ce considerations[J]. Eng. Struct. 24， 309-323.