磁流體密封(共5頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上磁流體密封   磁流體就是以液體形式存在的磁性材料，它是由粒徑約為10nm的強(qiáng)磁性粒子，通過表面吸附界面活性劑分子而穩(wěn)定分散于合適基液中所形成的一種膠態(tài)體系。根據(jù)所含的磁性粒子不同，可分為鐵氧體系、金屬系和氮化鐵系3類。根據(jù)基液的不同可為水基、油基、醚基和酯基。 磁流體是功能材料中的一支新秀，它既具有磁性又具有流動性, 在重力和磁力作用下能夠保持穩(wěn)定, 不會出現(xiàn)沉淀或分層現(xiàn)象。與其他液體相比，磁流體具有以下特點(diǎn)： (1) 在外加磁場下, 有懸浮在載體中的能力。 (2) 既具有液體的流動性, 又具有固體磁性材料的特性, 有感應(yīng)磁通的能力。 (3) 調(diào)

2、節(jié)外加磁場強(qiáng)度, 可以改變磁流體的表觀比重和粘度, 能使磁性的固體穩(wěn)定地懸浮在其中。 (4) 超聲波在磁流體中傳播時, 其速度以及衰減與外磁場有關(guān), 并顯示各向異性。它的介電常數(shù)也是各向異性的。光通過稀釋的磁流體時, 或磁流體的薄層時, 會產(chǎn)生光的雙折射現(xiàn)象。當(dāng)磁化時, 使相對于磁場方向具有光的各向異性, 具有高的折射率。此外, 在交變磁場中還具有磁粘滯現(xiàn)象。 (5) 在垂直磁場的作用下, 會自發(fā)地形成穩(wěn)定的波峰。 (6) 對外加磁場的響應(yīng)速度快, 撤去外磁場后,磁流體中的磁性粒子很快呈現(xiàn)無規(guī)則分布 , 即在無外加磁場時, 磁流體本身是不顯磁性的。 (7) 磁流體在外加磁場的作用中, 將流向并

3、固定在磁場強(qiáng)度高的一方。 對磁流體的研究起源于50 年代,標(biāo)志是美國的Papell 在1963 年獲得的第一個磁流體制備專利,并于1965 年在美國的NASA 航天產(chǎn)品的密封中獲得成功應(yīng)用。自此引發(fā)了對這種新型材料的研究開發(fā)和應(yīng)用,并不斷的取得新的進(jìn)展,一步步的從實(shí)驗(yàn)室邁向?qū)嵱没?0 年代我國開始進(jìn)行磁流體的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用探索。磁流體最通常的制備方法是借助于共同沉淀法制得粒度約為10nm 的磁鐵礦之類鐵氧體之后,吸附以界面活性劑,然后分散于油或水中即制成磁流體。新近又開發(fā)成功了將比鐵氧體飽和磁化強(qiáng)應(yīng)更大的納米金屬鐵粉分散于液體中的磁流體,它是在水中添加粒徑大的正離子或負(fù)離子(取代界面活性劑)

4、 而將鐵磁性納米顆粒分散于液體中的離子性磁流體。當(dāng)前,在磁流體中分散的鐵磁性顆粒僅限于10nm 左右的大小,但可以通過改變所分散的鐵磁性微粉和分散介質(zhì)溶劑的性質(zhì)來適應(yīng)其各種用途。如果作為鐵磁性微粉采用感溫性鐵氧體時可作磁流體泵和熱泵使用;溶劑采用液態(tài)金屬時則可制備成導(dǎo)電性磁流體;溶劑采用彈性橡膠時可制成磁性橡膠;如果采用氣體作為介質(zhì)還可制成磁性氣體。目前,應(yīng)用最廣的典型用途便是磁流體密封,還有利用磁流體的重力分選技術(shù),以及加速度計(jì)等方面均已實(shí)用化。磁流體的應(yīng)用現(xiàn)已擴(kuò)展到機(jī)械、電子、能源、化工、冶金、船舶、航天、遙測、儀表、印刷、環(huán)保、衛(wèi)生、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域, 在密封、冷卻、潤滑、醫(yī)學(xué)、發(fā)動機(jī)、壓

5、縮機(jī)、換能器、計(jì)量閥、造影劑、生物學(xué)、精密研磨、阻尼減振、礦物分離、油水分離、快速印刷、定向淬火、執(zhí)行元件、磁疇觀察、各向異性以及其它方面有著新的應(yīng)用, 是唯一具有工業(yè)實(shí)用價值的液體磁性智能化功能材料。如圖所示，磁流體密封件由永磁體、轉(zhuǎn)軸、磁極、磁流體和磁回路組成。由于磁極齒尖處磁場力最強(qiáng)，磁流體集中于齒尖處，在密封間隙內(nèi)形成一個 “O”型液體密封環(huán)，將密封間隙充滿而達(dá)到密封的目的 用鐵磁流體封堵泄漏通道的半流體動密封(見圖 磁流體密封示意圖 )。Fe3O4CrO2等鐵磁性超細(xì)微粒懸浮在低揮發(fā)性的液體中形成鐵磁流體。將鐵磁流體置於密封間隙中在磁場力作用下鐵磁流體能形成強(qiáng)韌的液體膜藉以阻止泄漏。

6、磁流體密封常用於密封氣體適用於密封高真空系統(tǒng)。它可用於高速但不耐高溫和高壓。 磁流體密封所具有的優(yōu)異密封性能,是靠它獨(dú)特而又先進(jìn)的密封原理所保證,這樣就可以使從普通裝置到高、精、尖設(shè)備儀器的密封長期穩(wěn)定工作。磁流體密封與其它密封相比,雖然是較晚被人們發(fā)明并得到應(yīng)用的一種密封形式,但隨著社會發(fā)展,人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,它卻不同于有些密封形式,這些密封形式如機(jī)械密封、填料密封、浮環(huán)密封,迷宮密封等。其密封性能已無法滿足當(dāng)今社會密封的使用要求,逐步從各種設(shè)備中淘汰出去,而磁流體密封卻得到更深入的研究和應(yīng)用,它正不斷向很多領(lǐng)域發(fā)展。    半導(dǎo)體材料單晶硅的生產(chǎn)設(shè)備單晶爐,它的內(nèi)部需

7、要很高的密封條件,來保證整支單晶在拉制生產(chǎn)中不被空氣污染。而其中最為關(guān)鍵的就是單晶爐上部的籽晶桿旋轉(zhuǎn)密封和下部的坩堝桿旋轉(zhuǎn)密封,即所謂動密封。這兩處要使用磁流體密封。下面介紹一下它的密封原理和主要性能。    2 磁流體密封原理    磁流體密封是依靠磁流體的強(qiáng)順磁性,在外加強(qiáng)磁場作用下,磁流體沿著磁力線存在于密封的間隙中,保持易流動狀態(tài)。圖1為磁流圖1體密封裝置的結(jié)構(gòu)簡圖。 磁流體密封裝置的結(jié)構(gòu)圖由磁鐵、磁極、外套、磁流體、旋轉(zhuǎn)軸這5個主要部件組成。一般情況下,旋轉(zhuǎn)軸為運(yùn)動部件,其余設(shè)計(jì)為靜止部件,在靜止與運(yùn)動部件之間保持一定的間隙,這樣在這個間隙中,

8、充滿磁流體。由磁流體、磁極、磁鐵和旋轉(zhuǎn)軸組成一個有效的磁路,磁場總是存在這樣一個連續(xù)的磁路中,基本上沒有漏磁現(xiàn)象,磁路中將會長期穩(wěn)定地保持一定的磁場強(qiáng)度,磁流體就會永久地保存在間隙中,來承擔(dān)動密封作用。在這個間隙中,磁流體排斥一切外來的非磁性物質(zhì),即是我們需要密封的介質(zhì)。這些非磁性物質(zhì)包括氣體、液體、固體。固體一般是指較微小的固體顆粒,它是可流動的。我們在應(yīng)用中,無論是在正壓還是在負(fù)壓條件下,密封都是由多級組成,只有在無壓狀態(tài)下,如防塵等情況使用一級密封。圖2為多級密封的工作情況,密封的總耐壓差為P1-P6,而其中的后幾級密封中,P4=P5=P6,并無壓差,即耐壓是由前三級共同承擔(dān),后兩級是處

9、于“待命”狀態(tài),起到備用作用。在這里可以看到,當(dāng)壓差較大時,所需要的密封級數(shù)將相應(yīng)增多。單晶爐內(nèi)的籽晶桿密封和坩堝桿密封,所設(shè)制的密封級數(shù)為4級,這是由設(shè)備的使用壓力和密封壽命來決定的。單晶爐內(nèi)壓力范圍是±0.1MPa,連續(xù)使用密封壽命可達(dá)10年以上,是其它密封形式壽命的幾倍,甚至十幾倍,使人們對密封裝置是一易損件的概念得到了更正。國內(nèi)做磁流體的廠商大概在78家,水平參差不齊,大多數(shù)是公司都是只有寫字樓,加工全部外委.要不是小作坊式的小公司.做的最大最好的應(yīng)當(dāng)是株洲眾欣科技公司,他們在株洲栗雨工業(yè)園有15畝的廠房和設(shè)備.近二年來.在海外市場磁流體應(yīng)用相對集中的微電子行業(yè)液晶再生行業(yè)發(fā)

10、現(xiàn)了該公司的產(chǎn)品3 磁流體密封性能    3.1 適用壓力范圍   磁流體密封采用的是多級結(jié)構(gòu)共同分擔(dān)壓力,但又不可能無限制的增加級數(shù)來達(dá)到密封壓力的提高,而是多采用提高磁流體的性能,或是在結(jié)構(gòu)上、磁路設(shè)計(jì)方面進(jìn)一步合理來達(dá)到一定的承壓能力。一般磁流體密封使用壓力范圍在0.5MPa以下,負(fù)壓可達(dá)1.3×10-4Pa汞柱,特殊還可提高。我們在實(shí)驗(yàn)室研究它的密封壓力時,其穩(wěn)定狀態(tài)下達(dá)到0.87MPa,這是在軸向尺寸和密封級數(shù)受到限制情況下獲得的。這就是說磁流體密封適合在低壓至高真空情況下使用,密封的兩側(cè)都可以承受正壓或者負(fù)壓,沒有方向性要求。

11、60;   3.2 適用溫度    磁流體密封裝置一般都設(shè)有水泠卻,用于保障磁流體總是處在常溫狀態(tài)下工作,單晶爐內(nèi)晶體溫度在1400左右,密封裝置在正常冷卻的情況下,工作良好,未受到影響。在設(shè)有溫度調(diào)節(jié)裝置時,磁流體密封一般可在-20至75范圍內(nèi)使用,超過此范圍將降低密封的使用壽命 3.3 線速度    磁流體密封線速度為0100m/s,即不僅在低速下能正常工作,高速下同樣能達(dá)到滿意的密封效果。我們在1984年研制的磁流體密封裝置就在化工行業(yè)上的設(shè)備得到應(yīng)用,其中轉(zhuǎn)速達(dá)到8000轉(zhuǎn)/分,在真空條件下使用。而其它形式密封是很難做到的。這是因?yàn)榇帕?/p>

12、體密封屬于非接觸式密封,超高速度下,摩擦發(fā)熱不大,并且沒有磨損,功率損耗就很小,相對振動和噪聲也較小。    3.4 泄漏率    磁流體密封裝置是多級密封。前面接觸介質(zhì)壓力的幾級密封,負(fù)責(zé)分擔(dān)全部壓力,后面幾級密封處于“待命”狀態(tài),未參加密封,已無壓差,所以介質(zhì)的泄漏率近似是零,在用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行檢查時,無任何泄漏反應(yīng),這方面其它形式密封是無法做到的。單晶爐在生產(chǎn)過程中,就是在真空或氬氣保護(hù)下進(jìn)行的,用磁流體密封兩個旋轉(zhuǎn)部件,大大降低了整臺設(shè)備的漏氣率,確保了產(chǎn)品質(zhì)量。    3.5 維護(hù)方面    磁流體密封

13、比接觸式密封如機(jī)械密封、填料密封、油封等維護(hù)量小得多,因?yàn)榇帕黧w密封壽命長。北京某單位從1985年陸續(xù)購買美國某公司單晶爐5臺,一直使用生產(chǎn)單晶硅,一般情況下,沒有任何維護(hù)工作。只有其中1臺1987年使用的單晶爐中籽晶桿密封在1991年發(fā)生泄漏而影響到整臺設(shè)備無法繼續(xù)工作。我62半導(dǎo)體技術(shù) 1997年4月第2期們檢查此密封裝置,因?yàn)橥獗砻鏇]有磁流體補(bǔ)充孔,只好將密封裝置全部拆開,磁流體已經(jīng)很少,無法承受壓差,其它零部件完好,通過加進(jìn)一部分我們制造的真空用磁流體后,密封安裝又繼續(xù)投入使用,至今情況很好。這些年還給其他單位的單晶爐用的磁流體密封進(jìn)行檢修,也主要是為密封補(bǔ)充磁流體。因此,磁流體密封在正常使用中,無需保養(yǎng)維修或更換零部件,根據(jù)使用情況可補(bǔ)充磁流體。    3.6 密封尺寸    磁流體密封從結(jié)構(gòu)圖中可以看到,主要零件是磁極和磁鐵。這兩個零件結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì),整個密封裝置的尺寸,軸向或是徑向可以限制在很小的范圍,來適應(yīng)機(jī)器設(shè)備密封處尺寸的需要。再