磁流變液制備及性能指標研究＊

余龍

（江蘇信息職業技術學院智能工程學院，江蘇 無錫214153）

1 引言

磁流變液（Magnetorheological Fluids，MRF）是一種新型智能材料，目前主要應用于減振、拋光、密封等領域，未來在軍事和醫療領域也有較好的發展前景。磁流變液的主要組成部分有磁性顆粒、基載液、添加劑[1]。當外部無磁場時，磁流變液具有低粘度的流體特性；當外部存在磁場時，磁流變液具有高粘度的類固體特性。只需要通過控制磁場就可以切換兩種狀態，并且切換的速度在毫米級。因為響應時間短、控制方便，所以能夠滿足需要兩種工況并迅速轉換的場合。雖然磁流變液功能強大，但是還有一些技術指標有待提高，如長時間靜置后存在沉降并結塊，從而影響正常工作；工作過程中產生大量的熱，溫度過高也會影響磁流變液性能等。

評價磁流變液的性能指標主要有三個：剪切屈服應力、沉降穩定性和零場粘度。剪切屈服應力是磁流變液最重要的特征，也是區別于液體的最大不同。影響剪切屈服應力的因素主要有磁性顆粒的質量分數、顆粒粒徑、剪切速率和溫度等[2]。由于磁性顆粒和基載液兩者密度相差甚遠，所以磁性顆粒在基載液中會出現沉降的現象，沉降又會對磁流變液性能產生負面影響，所以沉降穩定性是磁流變液工作的重要指標[3]。為了減低沉降率，可以采用選擇合適的磁性顆粒粒徑、添加抗沉降的活性劑和對磁性顆粒進行表面包覆等。零場粘度是在零磁場情況下磁流變液的粘度，零場粘度越低越能發揮牛頓流體力學特性，因為基載液的體積分數占據磁流變液的一大半，所以零場粘度通常是通過基載液的粘度來控制的[4]。

2 磁流變液機理研究

目前，磁流變液的工作機理暫時還沒有定論，但是可以從宏觀和微觀兩個方面進行分析。宏觀磁流變液性質可以采用觀察法來總結有無磁場下磁流變液的表現形式[5]。在無磁場情況下，磁流變液體現良好的流動性；在有磁場情況下，磁流變液變為類固體狀。這種切換響應速度非?？?，并且可以完成連續可逆操作。

采用高速攝像機拍攝可以得到磁流變液特性的微觀結構[6]。在無磁場環境下，磁性顆粒雜亂無章的分布在基載液里；在外加磁場環境下，磁性顆粒馬上呈現鏈狀形態，所以在磁場環境下磁流變液具有較高的剪切屈服應力。

磁流變液工作模式主要有三種：流動模式、剪切模式和擠壓模式，如圖1所示。流動模式主要是上下板不動，磁流變液在兩板之間流動，通過控制磁場來改變流動速度；剪切模式主要是上下板存在相對水平運動，調節磁場強度來控制運動速度；擠壓模式主要是上下板沿著磁場方向運動，磁流變液被擠壓體現阻尼特性。

圖1 磁流變液的三種工作模式

3 磁流變液的制備

磁流變液的制備方法目前主要有兩類：傳統制備法和基載液置換法[7]。傳統制備法是將成比例的磁性顆粒、基載液和添加劑混合到一起制成磁流變液樣品；基載液置換法是先將磁性顆粒和添加劑放入無離子水或者乙醇中進行改性，然后再將改性的材料加入基載液。兩種方法相比較，基載液置換法可以提高磁流變液的綜合性能。

磁性顆粒。選擇合適的磁性顆粒不僅可以減小沉降，更能加強剪切屈服應力，所以選擇磁性顆粒就顯得尤為重要。主要考慮較高磁化率、較低磁滯率及較高的飽和磁感應強度，一般選取的為微米級的軟磁球形顆粒。目前多數選擇的為羰基鐵粉、四氧化三鐵、鈷、鎳及其合金顆粒等。但每種材料都有缺點，所以材料性能上還需要進一步改良。

基載液。為了使磁性顆粒可以懸浮在基載液中，選擇合適參數就可以保證磁流變液的穩定性。主要考慮基載液的粘度、密度、化學穩定性、經濟性等因素，目前用的較多的有硅油、礦物油、合成油和植物油等，水基磁流變液主要應用于拋光領域。

添加劑。為了進一步防止降低沉降率，可以加入少量的添加劑。主要包括表面活性劑、偶聯劑和觸變劑等，其中表面活性劑具有親水性和親油性兩個特性，進而降低張力。

4 磁流變液評價指標

磁流變液的主要評價指標為剪切屈服應力、沉降率和零場粘度。為了提高磁流變液的綜合性能，從以下幾個方面進行改進。

剪切屈服應力。在外加磁場的作用下，磁性顆粒排成了鏈狀結構，為了使鏈狀結構斷裂而產生的力直接影響著剪切屈服應力，所以提高鏈狀結構的穩定性可以增強剪切屈服應力。既然鏈狀結構是由磁性顆粒組成，所以顆粒的飽和磁化強度對于剪切屈服應力起著重要的作用，在選擇磁性顆粒時，要考慮材料的飽和磁化強度。環境的磁場強度對磁流變液的剪切屈服應力產生直接影響，在未達到飽和磁化強度之前，兩者呈現線性正相關關系。磁性顆粒越多，鏈狀結構越穩定，即在一定范圍內磁性顆粒的質量分數越高，剪切屈服應力越大。

沉降率。由于磁性顆粒和基載液的密度相差很大，磁性顆粒不溶于基載液，所以在磁流變液不工作時會產生磁性顆粒的沉降，通常采用靜置法來標定沉降率，如圖2所示。將制備好的磁流變液倒入量筒中后靜置一段時間，基載液和磁性顆粒發生了分離沉降的現象，其中a為新增基載液的高度，b為沉淀層的高度，則沉降率為。這種計算方法比較簡單，已被多數研究者所接受，但由于靜置時間相對較短，對于一些需要長時間待機的設備，此種標定方法還有待優化。特別是長時間靜置后磁性顆粒是否存在結塊，并且是否能夠正常完成可逆工作，均需要進一步探究。

圖2 靜置法

零場粘度。在零磁場的環境下，磁流變液體現的粘度稱為零場粘度。越小的零場粘度，磁流變液在零磁場環境下流動性越好。由于磁流變液中基載液的體積分數占了一大半，所以基載液的粘度直接影響到磁流變液的零場粘度，并且零場粘度會隨磁性顆粒的體積分數的增大而提高。

5 結語

目前國內的磁流變液研究學者大多還屬于理論研究階段，未來的工程應用還需要很長的路要走，但是磁流變液具有非常大的潛力。磁流變液的工作機理還需要進一步探究，長時間間歇工作過程中還有很多需要解決的問題。未來可以從材料的選擇、制備工藝上可以逐步提高磁流變液綜合性能指標。