羥基鐵粉基懸浮液的磁流變特性

1、羥基鐵粉基懸浮液的磁流變特性摘要目的：本文的主要目的是陳述磁流變液由羰基鐵粉粒組成這一調(diào)查結(jié)果， 并分析通過一個(gè)控制的應(yīng)用外磁場(chǎng)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成的條件下它們的流動(dòng)行 為，以及研究它們的形態(tài)，磁特性，沉降穩(wěn)定性和所檢驗(yàn)的磁流變液的磁 流變性能。設(shè)計(jì)/方式/方法：新型磁流變液由硅油1050 OK番口羰基鐵粉相混合。此 外，為了減少沉淀二氧化硅氣凝膠 200被用來當(dāng)做穩(wěn)定劑來添加。為了達(dá)到 確定被分析的流液的性質(zhì)這一目的，對(duì)流體的沉積度和其動(dòng)力粘度進(jìn)行了 調(diào)查。調(diào)查結(jié)果 ：調(diào)查磁流變液的動(dòng)力粘度變化急劇并且可逆來響應(yīng)外部施加 磁場(chǎng)。而且氣相二氧化硅所添加的粒子抑制了羰基鐵顆粒的沉淀。研究限制 / 問題

2、：磁流變液具有優(yōu)異的性能并且可以應(yīng)用于土木工程，工 程安全，交通和生活科學(xué)的各種領(lǐng)域。他們提供了機(jī)械性能的主動(dòng)控制這 一優(yōu)秀的性能，但是對(duì)于磁流變液的耐久性的影響因素和裝置現(xiàn)在還沒有 一個(gè)系統(tǒng)出版的研究。很少有信息是關(guān)于揭示不同的磁流變液體的溫度的 影響。正是因?yàn)檫@個(gè)原因還需要進(jìn)一步努力，以取得更好的成績(jī)。獨(dú)創(chuàng)性/ 價(jià)值：這個(gè)調(diào)查結(jié)果是可靠的，并且對(duì)設(shè)計(jì)者和許多工業(yè)部門的 從業(yè)人員是非常有用。關(guān)鍵詞 ：磁流變智能材料；磁流變材料；羰基鐵粉；磁流變性能1.序言磁場(chǎng)響應(yīng)流體包括磁流變液，磁流體和電流變液。在大多數(shù)情況下，這 些材料的共同的財(cái)產(chǎn)是他們都是粒子在載體液體中的分散化并且流變學(xué)的 某些方面

3、是由外部電場(chǎng)或磁場(chǎng)控制的。典型的磁流變液是微米大小的，帶 有磁化粒子（鐵，鐵氧化物，氮化鐵，鐵合金，降低羰基鐵，羰基鐵粉減 數(shù)，二氧化鉻，碳鋼，硅，鎳，鉆，以及它們的組合）的懸浮物體。這些 磁化粒子懸浮在一個(gè)合適的液體載體上，如礦物油，合成油，水或乙二醇。 這種液體載體起著分散介質(zhì)和確保顆粒在流體中分布均勻。通常情況下， 磁化的粒子的直徑的范圍是從 3微米到5微米之間。磁流變液的磁流響應(yīng) 的關(guān)鍵在于通過應(yīng)用外部磁場(chǎng)來極化誘導(dǎo)的懸浮顆粒。在這個(gè)結(jié)果之間的 相互作用產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極使粒子形成的柱狀結(jié)構(gòu)，與應(yīng)用領(lǐng)域相互平行，如 圖1所展示。這些類似鏈狀的結(jié)構(gòu)限制了流體的運(yùn)動(dòng)，因此增加懸浮物的 粘性。 “

4、 A .4圖1.磁流變液具有/不具有的微觀結(jié)構(gòu)外部磁場(chǎng) 。從本質(zhì)上說，當(dāng)外部磁場(chǎng)被應(yīng)用，磁流變液行為從一種液體狀態(tài)轉(zhuǎn)變 到一種類似固體凝膠。急劇轉(zhuǎn)變的磁流變液的速度可以相當(dāng)快速，一般為 10 - 3和10 - 4秒。因此，磁流變液可用于執(zhí)行各種阻尼方案。根據(jù)磁場(chǎng) 改變磁流變液的屈服強(qiáng)度的能力，使磁流變液改變結(jié)構(gòu)剛度和阻尼系數(shù)， 從而使結(jié)構(gòu)“聰明”或“智能”。該磁流變液的性能流體允許其在許多商 用產(chǎn)品方面使用。例子包括小型的、實(shí)時(shí)線性阻尼器。半主動(dòng)振動(dòng)車輛和旋轉(zhuǎn)剎車控制。地震運(yùn)動(dòng)在建筑和橋梁、磁性磨料流加工、磁性浮動(dòng)拋光 的應(yīng)用的大型半主動(dòng)控制線性阻尼器。并且支持康復(fù)過程的特殊用途的設(shè) 備。2.

5、實(shí)驗(yàn)羰基鐵粉被選定（減少羥基鐵，氧化硅涂層，巴斯夫，德國(guó)）作為一個(gè) 模型粒子懸浮系統(tǒng)。這是因?yàn)轸驶F粉是軟磁材料并具有高飽和磁化強(qiáng)度 的特點(diǎn)。平均顆粒大小和密度分別是 6.0-8.0微米和4.3克/立方厘米。濃 度固定在質(zhì)量分?jǐn)?shù)20呀口 40%為了減少沉降的顆粒附加組件（1對(duì)詞量） 被添加到液體中間。氣相二氧化硅的硅油（氣相二氧化硅 200,德固賽，德 國(guó)）被選擇。載體液體的功能主要是提供了一種液體，在這種液體中磁性的有源相 顆粒懸浮其中。載體液體應(yīng)該也在很大程度上對(duì)磁性粒子沒有反應(yīng)。同樣 的情況，載體液體應(yīng)該對(duì)在設(shè)備中使用的組成或材料沒有反應(yīng)。當(dāng)選擇了 一種載體液體，要考慮的沸騰溫度、高溫下

6、的蒸氣壓和冰點(diǎn)是非常重要的。 由于這些原因這樣的磁顆粒分散在無色硅油（一氧化硫，OKS德國(guó)）。磁流變特征的研究利用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)，它可以作為粘度也可以作為實(shí)驗(yàn)室離 合器的功能（圖2）。-JF| 圖2.磁共振效應(yīng)測(cè)量裝置(a b)1軸（驅(qū)動(dòng)）和內(nèi)筒，外筒2-，3 -，4 -針和角位移規(guī)模 R鼓。（ 1）被沉浸在磁流液中并且通過驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。電流在線圈（ 3）中 流動(dòng)，產(chǎn)生了磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)你能夠增加磁流體的粘度。通過增加提供給 線圈的電壓，在磁流體粘度的變化是可以觀察到的。適用的扭矩轉(zhuǎn)移到內(nèi) 筒（ 1）來移動(dòng)外圓柱形容器（ 2）。彈簧停止了外筒的運(yùn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)變角位移 量表的適當(dāng)?shù)奈恢蒙系尼槪?4）。

7、電壓逐漸從 1.25 伏以上變化到了 6伏，并以 0.5 伏的步法增長(zhǎng)。每次測(cè)量都會(huì)重復(fù)三次，然后取平均值。通過在室溫下 載體油在清澈和混濁部分邊界的位置變化的視覺觀察來測(cè)量沉降 4 。制備 的樣品被放置在圓柱形玻璃測(cè)試管（長(zhǎng) 1米，直徑 30毫米）內(nèi)幾天。沉降率 的計(jì)算公式為（ 1）：在公式中：a 代表透明液體的長(zhǎng)度b 代表渾濁液體的長(zhǎng)度線圈電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度是可控的并且使用一個(gè)單獨(dú)的控制單元 材料結(jié)構(gòu)的金相檢查和其化學(xué)構(gòu)成是由飛利浦 xl - 30 掃描電鏡和在 20 千伏加速電壓下的能量色散 X 射線光譜儀譜。3. 結(jié)果與分析 觀察羰基鐵鑄鐵及應(yīng)用穩(wěn)定劑后的磁流變液體 - 在使用掃描電子顯微

8、鏡 進(jìn)行二氧化硅（ Aerosil 200 ）的微觀觀察。圖 3 顯示的是掃描電子顯微鏡 下鑄鐵的形態(tài)及特征。羰基鐵粒子的大小分布一般呈球形。當(dāng)處于外加磁 場(chǎng)條件下，通過鏈的斷裂和轉(zhuǎn)化，剪切變形會(huì)促使初步構(gòu)建的這些粒子的 鏈結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為個(gè)別鏈的組合式結(jié)構(gòu)。此外，為了確定用于制備磁流變液的 羰基鐵高純度，進(jìn)行了化學(xué)成分的調(diào)查（見圖 4）。為了避免羰基鐵粒子發(fā)生附聚，鑄鐵表面涂有二氧化硅涂10 OOOx and 75 OOOx圖3掃描電子顯微鏡觀察到的用于產(chǎn)生磁流變液體的羰基鐵粒子。放大倍率為在進(jìn)行觀察的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)離子硅呈現(xiàn)不規(guī)則形狀（見圖5）。二氧化硅包裹著球形鐵粒子，防止處于懸浮狀的類似鐵

9、粒子發(fā)生凝聚。圖4掃描電子顯微鏡下羰基鐵的化學(xué)成分的形態(tài)和特殊逐點(diǎn)式微量分析為了確定應(yīng)用硅的化學(xué)組成，進(jìn)行了 X射線微量分析，并且使用了 20千 伏加速電壓下的能譜分析儀的能量分散和 X射線光譜儀。圖6展示的是離 子硅化學(xué)組成的分析結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)觀察到添加劑對(duì)于磁流變流體的穩(wěn)定性的影響。填充的磁流變液體成分各不相同，均處于靜止?fàn)顟B(tài)，直到它達(dá) 到漸近值。分析粘度約為50毫帕秒和羰基鐵濃度為40%左右的液態(tài)磁流 變液體，觀察顯示不論流體中是否含有硅，沉降系數(shù)均在緩慢下降（見圖7）。 我們還發(fā)現(xiàn)，觀察液加入穩(wěn)定劑后，穩(wěn)定性有所提高。硅膠提供的網(wǎng)罩， 防止羰基鐵粒子的集聚和水庫(kù)底部類似因子的團(tuán)聚。粘度

10、約為500毫帕秒和鑄鐵濃度約為40%的磁流變液體，在研究流體中穩(wěn)定性最高。經(jīng)過30小 時(shí)的下降后，沉降系數(shù)值范圍約為 93-95% （見圖8）。圖6掃描電子顯微鏡下氣相二氧化硅化學(xué)組成的形態(tài)及特殊逐點(diǎn)式微量分析（Aerosil200 ）為了描述穩(wěn)定劑的作用，沉淀過程應(yīng)被延長(zhǎng)至60小時(shí)。觀察的主要目 的是研究外部磁場(chǎng)條件對(duì)原型磁形變流體動(dòng)態(tài)粘度的影響。出于這個(gè)原因,考慮到下列因素：(羰基鐵)磁性微粒的濃度，載體液體的粘度和應(yīng)用穩(wěn)定 劑的影響(Aerosil200 )。在進(jìn)行調(diào)查基礎(chǔ)上，擴(kuò)大磁性微粒(鑄鐵)的濃 度加大了分析液的動(dòng)態(tài)粘度和外部磁場(chǎng)的強(qiáng)度，這是肯定的。鑄鐵液的高 濃度同樣加大了研究流

11、體的穩(wěn)定性。在磁形變流體(OKS 1050, 50 mPa -s)的情況下，動(dòng)力粘度值升至21kg/ms2,而磁形變流體的動(dòng)力粘度(OKS050, 500 mPas)處于26kg/m s2。圖9和圖10所示為磁流變流體的動(dòng)力粘度和 外部磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。25-J- a ”0 二E二 耳匚理一召J<一Q:HQ-2 lrQwlr=Junp 眾 noMabib/ers, Cl ?" a AcrnRil 2tM>. Cl 4(1%0510152025 XTime, t h)圖8.磁流變液的沉降率 (OKS 1050,500 mPa -s)M；mntui； field intcn

12、fih. H |A ni I-rEB蘭 £#035 二I Cl 40%hhiynwhc field iniusih. H | A m圖10.依賴磁流體(OKS 1050, 500 mPa )動(dòng)態(tài)粘度的磁場(chǎng)強(qiáng)度25-no Uatiih/CT. Cl #0%Acraail 200, % £ 40%15、1：出MTi* Cild- H A mlT3Q圖11.影響穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)粘度磁流體(OKS 1050, 50 mPa s)3CM咯itclic Geld irdaiMl%. H | A m 25影響穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)粘度磁流體 (OKS 1050, 500 mPa s)一 f=*-r'

13、;yoaT二呈佇后匸A'一fieldJI (A in 2520HP Acrmil 2(KJt l%_ 50 mPa.*Acrtwil 2( M 1,00 mRoSfield mtcnutv t H A in 圖14.承載液體粘度動(dòng)力粘度磁流體的影響（CI 40%）對(duì)于磁流變性能最重要的是存在的的穩(wěn)定添加劑，這可以進(jìn)一步提高磁 流變效應(yīng)。此外，穩(wěn)定的磁流變液更均勻并且能在低磁場(chǎng)強(qiáng)度下能更快的 響應(yīng)外部磁場(chǎng)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上可以加以肯定的是，研究液體的動(dòng)態(tài) 粘度隨著外部磁場(chǎng)強(qiáng)度的擴(kuò)大而增加與擴(kuò)大后的二氧化硅相當(dāng)（圖11和12）。這是因?yàn)樘砑佣趸璺乐菇Y(jié)果粒子的集中以形成凝膠網(wǎng)格。正是因 為這個(gè)原因，鐵的粒子慢慢地落在鼓的底部，更多的磁性粒子一直受到外 部應(yīng)用磁場(chǎng)的力量。如圖13和圖14所示，一般磁流變液的動(dòng)態(tài)粘度隨著油 的密度的增加而增大，這都是因?yàn)榉欠€(wěn)定懸浮的物體和氣相法白炭黑的添 加。4.結(jié)論在調(diào)查