納米磁性液體材料在動態密封中的應用前景展望

李項和

摘 要：作為一種新的密封方式，磁性液體密封的優點有零泄漏、無固體磨損、能耗小、壽命長等，因為它具有這一系列的優點，所以傳統動態密封中的一系列問題得到了解決，現今在真空領域范疇內人們已經廣泛應用磁性液體密封技術了。本文就磁性液體密封的原理、優點，制備方式、密封方式以及納米磁性液體的其他應用展開了探究。

關鍵詞：物理；動態密封；納米材料

中圖分類號：TM27 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0233-01

作為一種新的密封方式，磁性液體密封的優點有零泄漏、無固體磨損、能耗小、壽命長等，因為它具有這一系列的優點，所以傳統動態密封中的一系列問題得到了解決，作為第一個被開發、被商業化的磁性液體產品，納米磁性液體是最成熟的商業應用之一。然而，因其難度大、所需技術水平高等問題，迄今鮮有公開報道。南京大學固體微結構實驗室研制出了新型憎油基磁性液體，并將其應用在旋轉軸動態密封上，同時成果顯著；北京交通大學李德才[1]等人也對此展開了探究，一致認為磁性液體密封具有非常可觀的應用前景。

1 納米磁性液體密封的原理、優點

磁性液體密封技術是一種非接觸式密封技術，其介質是磁性液體，由于磁性液體對磁場的響應特性，把磁性液體注入到由高性能的永磁體、導磁性良好的極靴和轉軸所構成的導磁回路的間隙中，會形成數個磁性液體“O”型圈，當磁性液體受到壓差作用時，會在非均勻磁場中移動，不均勻磁場就會使磁性液體產生對抗壓差的磁力，今兒達到新的平衡，這樣就起到了密封的作用。

磁性液體密封的優點是零泄漏、無固體磨損、能耗小、壽命長等，能夠解決傳統密封中材料泄露、高耗能等問題。液體密封圖見圖1。

2 納米磁性液體的制備方法

2.1 化學共沉淀法

目前制備磁性液體的方法中化學共沉淀法是使用最多、應用最廣泛的方法之一，它的特點是速度快、回收率高、效果好等。磁性微粒的尺寸是可以根據工藝參數的改變而改變的，不僅如此，加入其它金屬粒子可以使磁性微粒的性能得以改善，通過上述步驟，可以制備性能良好的磁性液體。其具體操作方法：將可溶的亞鐵鹽和鐵鹽按比例生成三氧化四鐵理論量（摩爾比為1：2）較小的比例混合后，加入堿性沉淀劑，生成三氧化四鐵超微粒子，然后將三氧化四鐵粒子加入到含有表面活性劑的載液中煮沸，分離后便可的磁性液體。

2.2 真空蒸鍍法

真空蒸鍍法缺點是設備復雜程度高，對真空度程度要求高，雖然其條件苛刻，但因此制備的磁性微粒顆粒度小，粒度均勻，分散好，具體操作方步驟為：在旋轉滾筒中加入含有表面活性劑的低揮發性溶劑，將筒真空化，在金屬被蒸發的同時，表面活性劑也被蒸發，滾筒表面有大量金屬吸附，并在載液中分散，從而制備出磁性液體。

此外還有熱分解法、機械球磨法、解膠法，等離子體法等方法。

3 磁性液體的密封方法

許多學者對以磁性液體為介質的密封方式進行了很長時間的探索和研究，其中，以下研究最具代表性：M.D.Cowley和R.E.Rosenseig對磁性液體界面穩定性進行了深入研究后，得出了影響磁性液體界面穩定性的因素之一為磁場的結論[2]：北京航空航天大學的王之珊等人曾經做到持續密封時間達48h[3]；中國礦業大學的楊志伊等人曾經做到零泄漏持續密封高達上千小時，但長時間密封磁性液體失敗[4]。使用磁性液體密封技術對液體進行密封難以實現長時間零泄漏的原因是：在磁性液體與被密封液體之間的界面存在著一種隨著旋轉速度的加快和密封壓力的加大而加劇的不穩定性。因此，要實現以液體為密封介質的磁性液體密封，必須要使密封液體的速度和被密封液體的速度差額盡量縮小，降低作用于被密封液體的壓力。

組合式磁性液體密封的原理為：磁性液體密封技術和雙螺旋密封技術的組合，在密封領域發展越來越迅速的是螺旋密封，因為其結構簡單，耐壓能力較強。但是雙螺旋密封裝置有一個致命的缺點：其在低速運行時被密封介質出現泄漏是無法避免的，若想使其密封效果達到最優則必須盡量提高轉速，但是前文所述磁性液體密封技術相比傳統密封方式具有零泄漏、長壽命等優點，并且無論在靜止密封，還是旋轉密封都可以使液體介質零泄漏。

4 納米磁性液體密封的其他應用

4.1 磁性液體在往復軸密封中的應用[5]

磁性液體往復密封技術成為一種嶄新的動密封技術的原因是：磁流體往復密封裝置不僅可以在一定程度上取代傳統的旋轉軸密封而且可以完成往復運動密封，從而達到往復加旋轉復合運動密封的效果，因此在21世紀以來此密封技術得到了突飛猛進的發展。

4.2 磁性液體在直線型密封中的應用[6]

磁性液體直線密封技術的結構包括非導磁性軸、軸套、環形永久磁鐵、極靴和磁性液體。

磁性液體密封技術的原理：在永磁鐵的磁場作用下，磁性液體被束縛在極靴齒和軸套內表面之間的空隙中，構成液體密封環，因而該密封裝置不僅能夠承受一定壓差的作用，同時還能實現往復的直線運動的動密封。

磁性液體直線運動的密封裝置不僅能夠傳遞直線運動，還能傳遞扭矩。因為直線密封裝置包含了轉軸密封裝置在內，而且轉軸密封裝置具有轉速越高，密封性能越好的特點。因此，直線運動、轉動或直線運動+轉動的復合運動的動密封均可通過磁性液體直線密封裝置來實現，這是直線密封裝置的一個突出的優點。磁性液體直線密封裝置對轉動密封的抗壓能力高，密封性能好；該裝置對直線運動的密封能力低于轉動密封能力；而直線+轉動的密封性能與直線密封的性能相似，但也能實現壓差密封。

5 結語

在中小軸，中低速的真空、氣體方面，磁性液體密封技術應用已經非常廣泛，發展勢頭迅速，并且其發展方向是大軸徑、高轉速的密封。但目前來說以液體為介質時技術問題還沒有得到解決，假若解決了密封液體方面的問題，磁性液體密封技術前景廣闊，同時在往復軸密封和直線型密封中有應用前景。

參考文獻

[1]李德才.磁性液體密封理論及應用[M].北京：科學出版社，2010.

[2]Moskowitz R.Dynamic sealing with magnetic fluids[J].ASLE Transactions，1975，18（2）：135 -143.

[3]王之珊，陳建平，趙丕智.一種新型組合密封系統的實驗研究[J].北京航空航天大學學報，2000，26（4）：451-453.

[4]劉同岡，楊志伊.磁流體液體動密封結構的優化設計[J].摩擦學學報，2003，23（4）：353-355.

[5]王虎軍.國外磁性液體在往復軸密封中的應用[J].科技創新與應用，2013，（36）：56-57.

[6]李德才，宋登軒，袁祖貽.磁性液體在直線型密封中的應用研究[J].功能材料，1997，（01）：97-99.