離子液體基低粘高屈服應(yīng)力磁流變液*

李小光，佟 昱，趙鵬慧，張 鑫，董旭峰

(1. 大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024; 2. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京100080)

0 引言

磁流變液(Magnetorheological fluids，MRF)是由軟磁顆粒、非磁性基液和微量添加劑組成的懸浮液體系。在磁場(chǎng)作用下，磁流變液可從液態(tài)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)固態(tài)，而當(dāng)撤去磁場(chǎng)后，又可以在幾毫秒內(nèi)恢復(fù)到初始的液體狀態(tài)。在此過(guò)程中，磁流變液的流變學(xué)參數(shù)發(fā)生實(shí)時(shí)、可逆、迅速的變化[1-3]，即所謂磁流變效應(yīng)。該效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理是：在不施加磁場(chǎng)時(shí)，磁性顆粒呈均勻分布于基液中，表觀流變行為呈Newton流體；當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，磁性顆粒形成沿磁場(chǎng)方向排列的鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予其一定的抵抗剪切破壞的能力(即剪切屈服應(yīng)力)，表觀流變行為呈Bingham流體[4-5]。磁場(chǎng)作用時(shí)磁流變液的剪切屈服應(yīng)力是評(píng)價(jià)磁流變液的重要性能指標(biāo)之一。現(xiàn)有的磁流變液雖具有優(yōu)異的磁流變性能，已在橋梁、汽車(chē)、船舶等結(jié)構(gòu)的智能減振中獲得應(yīng)用，但其剪切屈服應(yīng)力仍然有待提高，以滿足重型車(chē)輛減振、建筑結(jié)構(gòu)減震等對(duì)高剪切屈服應(yīng)力磁流變液的需求[6]。

理論及試驗(yàn)研究表明，磁流變液的剪切屈服應(yīng)力的主要受顆粒磁性能、顆粒粒徑及顆粒體積分?jǐn)?shù)等因素的影響。已有研究主要采用提高軟磁顆粒的體積分?jǐn)?shù)、改變軟磁顆粒的粒徑等方法來(lái)提高磁流變液的剪切屈服應(yīng)力[7-10]。然而，這些方法在提高剪切屈服應(yīng)力的同時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致磁流變液零場(chǎng)粘度的增大，甚至在零場(chǎng)下亦表現(xiàn)為Bingham流體行為，這一方面導(dǎo)致磁流變阻尼器的注液困難，另一方面又降低了磁流變液的剪切屈服應(yīng)力的相對(duì)調(diào)節(jié)范圍[11]。

基液是磁流變液的重要組成相，已有研究主要關(guān)注其粘度、密度、揮發(fā)性等，認(rèn)為其主要影響磁流變液體系的穩(wěn)定性，而鮮有研究分析基液成分對(duì)磁流變液剪切屈服應(yīng)力的影響[12-15]。粘度為500cSt的二甲基硅油由于粘度、密度及揮發(fā)性適宜，是目前應(yīng)用最為普遍的磁流變液基液。基于此，本研究以粘度、密度、揮發(fā)性與二甲基硅油接近的離子液體(1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽)為基液制備磁流變液，從實(shí)驗(yàn)角度研究基液成分對(duì)磁流變液剪切屈服應(yīng)力的影響，并獲得一種兼具較低零場(chǎng)粘度及較高剪切屈服應(yīng)力的磁流變液。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

原料及主要實(shí)驗(yàn)儀器包括：CN型羰基鐵粉(分析純，平均粒徑為5μm，德國(guó)BASF公司)、1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體(分析純，林州市科能材料科技有限公司)、二甲基硅油(分析純，天津市博迪化工有限公司)。兩種基液的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 兩種基液主要性能參數(shù)

1.2 磁流變液制備及流變性能測(cè)試

將羰基鐵粉以20%的體積分?jǐn)?shù)與兩種基液分別混合，充分?jǐn)嚢璧玫骄坏膽腋◇w系制得離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液，分別標(biāo)記為IL-MRF和SO-MRF。

使用MCR301旋轉(zhuǎn)流變儀(奧地利AntonPaar公司)對(duì)兩種磁流變液的流變性能進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試過(guò)程如下：首先將制備好的磁流變液樣品均勻倒入樣品臺(tái)的中心。測(cè)試過(guò)程中，流變儀會(huì)在轉(zhuǎn)子和樣品臺(tái)之間施加均勻磁場(chǎng)，隨后由流變儀內(nèi)部的精密傳感器測(cè)定磁流變液樣品所反饋的剪切應(yīng)力、粘度等數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)控制剪切速率在0～100 s-1之間線性增加，測(cè)試磁流變液在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下(0、92、187、280、365、436 kA/m)剪切應(yīng)力和粘度隨剪切速率變化的曲線，并采用Bingham模型對(duì)剪切應(yīng)力與剪切速率曲線進(jìn)行擬合，得到不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的剪切屈服應(yīng)力，進(jìn)而得到兩種磁流變液的剪切屈服應(yīng)力隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線。

2 結(jié)果與討論

圖1為離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液在不同磁場(chǎng)下粘度隨剪切速率變化的曲線圖。磁流變液內(nèi)部磁性顆粒相互作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變化，從而直接影響磁流變液的粘度[16]。磁性顆粒的相互作用在零場(chǎng)下和有外加磁場(chǎng)時(shí)是有差異的，如圖2所示。由圖1可知，離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液的粘度均隨剪切速率的增大而逐漸降低最終趨于穩(wěn)定，都表現(xiàn)出典型的剪切變稀現(xiàn)象。零場(chǎng)下，磁流變液的粘度主要取決于磁性顆粒的體積分?jǐn)?shù)和基液粘度，由于磁性顆粒為相同的羰基鐵粉，而所選擇的離子液體粘度略低于二甲基硅油，從而離子液體基磁流變液的粘度也略低于硅油基磁流變液。與零場(chǎng)時(shí)的結(jié)果不同，在外加磁場(chǎng)的作用下，離子液體基磁流變液的粘度大于硅油基磁流變液。考慮到所使用的磁性顆粒均為相同的羰基鐵粉，所施加的外加磁場(chǎng)也相同，因此排除顆粒和磁場(chǎng)對(duì)粘度的影響。對(duì)于磁流變液來(lái)說(shuō)，其粘度的變化主要是由其內(nèi)部顆粒間相互作用力所決定，顆粒間相互作用力越強(qiáng)，其粘度越高。因此可以說(shuō)明，在磁場(chǎng)作用下，離子液體基磁流變液中的磁性顆粒所形成的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。離子液體是由游離在其中的小的離子片段組成，這種離子片段可能會(huì)吸附在磁性顆粒表面。在零場(chǎng)時(shí)，磁性顆粒相距較遠(yuǎn)，其相互作用較弱，對(duì)粘度的影響不明顯；隨著外加磁場(chǎng)的施加，磁性顆粒彼此靠近，由于離子片段吸附在磁性顆粒的表面上，磁性顆粒之間除了磁性相互作用力增強(qiáng)外，還有表面離子片段之間的范德華力與庫(kù)侖力也增強(qiáng)，具有較強(qiáng)的非鍵相互作用，從而提高顆粒的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并提高磁流變液的粘度。

圖1 兩種磁流變液在不同磁場(chǎng)下粘度隨剪切速率變化的曲線圖

圖2 磁流變液在零場(chǎng)下和施加磁場(chǎng)下的剪切變稀示意圖

圖3所示為離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化的曲線圖。由圖可知，兩種磁流變液在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下的剪切應(yīng)力均隨剪切速率的增加而增大。在同一剪切速率下，兩種磁流變液的剪切應(yīng)力均隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。另外，對(duì)比兩種磁流變液發(fā)現(xiàn)，低場(chǎng)下離子液體基磁流變液的剪切應(yīng)力與硅油基磁流變液接近，高場(chǎng)下離子液體基磁流變液的剪切應(yīng)力大于硅油基磁流變液。其原因是在磁場(chǎng)的作用下，羰基鐵顆粒間的相互作用在離子液體的輔助作用下有所增強(qiáng)，形成了更為穩(wěn)定的鏈狀結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出較大的剪切應(yīng)力。采用Bingham模型(式(1))對(duì)剪切應(yīng)力與剪切速率曲線擬合可得到不同磁場(chǎng)下的剪切屈服應(yīng)力。

(1)

圖3 兩種磁流變液剪切應(yīng)力隨剪切速率變化

離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液剪切屈服應(yīng)力隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的關(guān)系曲線如圖4所示。在外加磁場(chǎng)的作用下，磁性顆粒被極化并相互吸引，沿著磁場(chǎng)方向形成鏈狀或柱狀結(jié)構(gòu)，在施加垂直于磁場(chǎng)的剪切力后，這種結(jié)構(gòu)會(huì)阻礙液體的流動(dòng)，從而表現(xiàn)出一定的剪切屈服現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的剪切屈服應(yīng)力與所形成的鏈柱狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性成正比關(guān)系[17]。由圖可知，離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力均隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大。在較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下，離子液體基磁流變液的剪切屈服應(yīng)力大于硅油基磁流變液。在436 kA/m的磁場(chǎng)強(qiáng)度下最高屈服應(yīng)力提高了29%，即離子液體基磁流變液具有更為顯著的磁流變效應(yīng)。

圖4 離子液體基磁流變液和硅油基磁流變液的屈服應(yīng)力隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化

3 結(jié)論

羰基鐵粉為分散相顆粒，以1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽離子液體與二甲基硅油為基液，制備出了體積分?jǐn)?shù)為20%的兩種磁流變液并測(cè)試了其流變性能。具體結(jié)論如下：

(1)離子液體基磁流變液具有較低的零場(chǎng)粘度，而在外加磁場(chǎng)的作用下，離子液體基磁流變液的粘度高于硅油基磁流變液。

(2)離子液體基磁流變液在436 kA/m的高磁場(chǎng)強(qiáng)度下的剪切屈服應(yīng)力相較于硅油基磁流變液提高了29%。

(3)外加磁場(chǎng)作用下吸附在磁性顆粒表面的離子片段間的范德華力與庫(kù)侖力顯著增大，提高了鏈柱狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而提高了磁流變液的粘度和剪切屈服應(yīng)力。