陈飞;田祖织;王建
【摘 要】荷花淀教学反思To ensure the reliable application of magnetorheological fluid,the experimental method was used to analyze the influence of temperature on performance of magnetorheological fluid.The thermal sedimentation stability,thermal magnetization,thermal apparent viscosity,thermal expand behavior and thermal yield stress are all analyzed.The results indicate that the temperature has certain effect on the performance of magnetorheo-logical fluid.When the temperature was 120 ℃,comparing with the room temperature,the sedimentation ratio increases by 11%;within the temperature of 100 ℃,the variation of thermal magnetization was small,while the temperature was 300 ℃,the thermal magnetization decreases by 16%;The influence rule of temperature on apparent viscosity of magnetorheological fluid was relationship with the viscosity-temperature properties of based fluid;the thermal expand ratio of magnetorheological fluid was very high,when the temperature was 220 ℃,the thermal expand ratio can reach to 18%;The shear yield stress
decreases with the increase of tem-perature,when the temperature was 220 ℃,comparing with the room temperature,the yield stress decreases by 1 5%.%为了保证磁流变液的可靠应用,采用实验方法,系统研究了温度对磁流变液流变性能的影响,分析了磁流变液的热沉降稳定性、热磁化强度、热表观粘度、热膨胀性以及热屈服应力,研究表明,温度对磁流变液流变特性均存在一定影响,在120℃时,其稳定沉降率较室温增加11%；在100℃以内,热磁化强度变化较小,而在300℃时热磁化强度降低16%；其表观粘度变化规律与基载液的粘温特性密切相关；在220℃时磁流变液热膨胀率达到18%,热膨胀率较高；温度升高,其剪切屈服应力变化显著,220℃时较室温剪切屈服应力降低了15%。 【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2014(000)020
【总页数】4页(P20095-20098)
斯皮尔博格【关键词】磁流变液;温度;流变性能
【作 者】陈飞;田祖织;王建
【作者单位】中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116;中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116;中国矿业大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116
峰峰值
【正文语种】中 文
【中图分类】TF125.8
1 引言
磁流变液(magnetorheological fluids，MRF)是一种含有非胶质体极细颗粒的稳定悬浮液，它主要由铁磁性的分散颗粒、基载液和稳定剂等3种成分组成［1-4］。磁流变效应是指在无磁场作用时，磁流变液表现出牛顿流体的行为，可自由流动;在外加磁场的作用下，磁流变液的粘度可在极短时间内增大几个数量级，表现出粘塑性固体的行为，失去流动性并表现出一定的剪切屈服应力，且屈服应力随着磁场的增强而增加，具有可控性。由于磁流变液具有良好可控的流变特性，其在机械工程、车辆工程、建筑结构振动控制、光学元件精密加工和军工等领域均具有广泛的应用前景［5-8］。 磁流变液的温度适用范围是磁流变液的重要技术指标，磁流变液的应用技术均与其温度特
性密切相关，因此，系统研究温度对磁流变液性能的影响具有重要价值。目前，国内外学者已对其开展了一定研究。德国Kormann等［9］研制出纳米级颗粒的磁流变液，并测试了其热稳定性，表明在150℃时制备出的磁流变液仍能表现出良好的热稳定性。重庆材料研究院唐龙等［10］测试了磁流变阻尼器在不同温度下施加不同电流时的阻尼力特性，并初步探讨了磁流变液阻尼力的温度衰减性能，Weiss［11］和潘胜等［12］分析了温度对磁流变液的屈服应力的影响。上述研究局限于磁流变液的部分温度特性，缺乏系统分析，本文将系统研究温度对磁流变液性能的影响，分析磁流变液的热沉降稳定性、热磁化强度、热表观粘度、热膨胀性能和热屈服应力，以期为磁流变液的应用技术提供实验基础。
2 实验
通过实验，分别研究磁流变液的热沉降稳定性、热磁化强度、热表观粘度、热膨胀性能和热屈服应力，实验所用仪器及测试方法如下。
(1)对于磁流变液的热沉降稳定性，通过恒温箱调节静置在量筒中的磁流变液温度，记录在不同温度和时间内量筒上层析出的基载液量a和下层磁流变液量b，得到磁流变液沉降率ν
脏弹
(2)对于磁流变液的热磁化强度，采用JDAW-2000D型振动样品磁强计(VSM)分析所配制的磁流变液，如图1所示。该振动样品磁强计由冷却水泵、真空泵、测试部分、主机柜以及控制系统组成。其中主机由微处理器控制的电磁铁电源、振动源、磁矩和磁场的测量单元等组成，主机与微机之间采用标准的232串口或USB口通信，提高了整机的成套性和硬件的可操作性，专用配套软件的操作功能强大使用方便。
图1 振动磁强计Fig 1 Vibrating samplemagnetometer(VSM)
(3)对于磁流变液的热表观粘度，采用SV-10型的振动粘度计，如图2所示。该振动粘度计原理是通过控制浸在样品中的感应器碟片的振幅并测量驱动感应器碟片的电流来测量液体的粘度，其测量范围为0．3 mPa·s～10 Pa·s，测量精度可达到1%。
图2 振动粘度计Fig 2 Vibration viscometer
(4)对于磁流变液的热膨胀特性，将量筒中的磁流变液放置在恒温箱中，记录磁流变液在室温时的初始高度h0，逐步增加恒温箱温度至220℃(100℃以后每步增加20℃)，每个温度保持5 min以使温度分布均匀，同时记录磁流变液在不同温度时的高度h t。得到磁流变液的热膨胀率σ
(5)对于磁流变液的热屈服应力，采用自制的温控式磁流变液屈服应力测试仪进行测量，如图3所示。该温控式屈服应力测试仪包括提升部分、步进电机驱动部分、屈服应力测试部分和信号检测部分。信号检测部分主要包括扭矩传感器、霍尔传感器、热电偶，分别用于检测磁流变液传递扭矩、工作磁场和工作温度。
惠尚学图3 磁流变液屈服应力测试系统图Fig 3 Shear yield stressmeasurement system of MRF
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3 结果与分析
3．1 温度对沉降稳定性的影响
本文将自制磁流变液(软磁性颗粒粒度为7μm，硅油粘度为100 cSt，质量分数为66．9%)分别放入温度为60，120℃的恒温箱中，观察其沉降稳定性，并与常温下沉降稳定性进行对比，得到其沉降率随时间的变化关系，如图4所示。由图4可以看出:(1)随着温度的升高，磁流变液中软磁性颗粒沉降速率加快，常温下达到沉降稳定需要22 d左右，在60℃时则需要10 d，而在120℃时仅需1．5 d即可达到沉降稳定，沉降速度较快。其原因是随着温度的升高，磁流变液的基载液粘度迅速降低，磁流变液中软磁性颗粒沉降速度加快;(2)随着温度
的升高，磁流变液稳定后沉降率逐渐变高，沉降稳定性变差。常温下沉降率仅为7%左右，而60℃时达到了12%，120℃时甚至达到了18%。因此，磁流变液储存及静态应用过程中应该尽量避免接触高温环境。
图4 温度对沉降稳定性的影响Fig 4 Influence of temperature on sedimentation stability of MRF
3．2 温度对磁化强度的影响
将质量分数分别为33．9%和66．9%的两种磁流变液制成测试样品，在振动样品磁强计上进行测定。设定温度变化范围为常温～300℃，得到磁流变液在不同温度下的饱和磁化强度，如图5所示。
图5 温度对磁流变液磁化强度的影响Fig 5 Influence of temperature on magnetization of MRF
由图5可以看出:(1)磁流变液的饱和磁化强度随着温度的升高而下降，当温度达到100℃时，与常温下的饱和磁化强度相比，质量分数为33．9%和66．9%的磁流变液分别下降约
3．6%和2．4%，但降幅较低，下降原因有两个:一是用郎之万自变量描述的粒子无规则热运动的增强;二是流体随温度的增加而发生的体积膨胀使单位体积中的磁性粒子数下降，即减小了流体的磁化率;(2)当温度升高到300℃时，两种不同质量分数的磁流变液的磁化强度分别下降了16．0%和16．04%，降幅较大，但两者下降幅度基本相同，说明温度对不同质量分数磁流变液的磁化强度的影响规律相同。
3．3 温度对磁流变液粘度的影响
制备粒度不同、质量分数相同的4种磁流变液，调节温度变化范围为20～45℃，采用SV-10振动粘度计测定其在不同温度下的表观粘度，得到粘度随温度的变化曲线，如图6所示。
图6 温度对磁流变液粘度的影响Fig 6 Influence of temperature on viscosity of MRF
由图6可以看出:(1)随着温度的升高，不同粒径的磁流变液的粘度均下降，且下降速率逐渐加快。粘度下降的原因有二:一是基载液粘度的降低，可以通过Einstein或Vand粘度公式进行分析;二是当磁流变液处于非静置状态时，其中的部分粒子结合成大尺度的结构，如成链、成团簇或聚集体，基载液以雾沫状存在于其中，导致磁流变液的粘度比Vand公式所决
定的粘度要大;(2)软磁性颗粒的粒度同样对磁流变液的粘度产生一定影响，可以看出相同温度下软磁性颗粒粒度越大其粘度越高。由于磁流变液的粘度对其流动性影响较大，在制备磁流变液过程中，软磁性颗粒粒度选择非常重要。
3．4 温度对磁流变液体积的影响
磁流变液具有一定的热膨胀系数，受热后其体积将会发生变化，因此需要研究磁流变液的热膨胀特性，以确定其热膨胀率，为磁流变液的应用技术提供参考。
将一定量的磁流变液及硅油同时放置于真空干燥箱中(通过两种材料的对比分析，可得到羰基铁粉颗粒的热膨胀特性)，干燥箱未抽真空，调节箱体内温度由室温逐渐升高至220℃(当温度超过100℃时，每间隔20℃记录一次液体体积)，得到磁流变液及硅油的热膨胀特性，如图7所示。
图7 热膨胀特性Fig 7 Thermal expand behavior
由图7可以看出:(1)在温度由室温变化至220℃过程，磁流变液和硅油体积均在逐渐变大。磁流变液体积由40 mL变化至47．2 mL，热膨胀率为18%;硅油体积由30．8 mL变化至36
．2 mL，热膨胀率为17．5%，对比两者变化率可以发现，磁流变液的体积膨胀主要由硅油引起，羰基铁粉颗粒体积膨胀较小;(2)实验发现，在温度达到180℃时，磁流变液中的硅油开始析出。原因是高温时硅油的表观粘度非常小，无法对颗粒进行有效支撑，同时硅油自身膨胀率较高，也是导致硅油析出的原因之一。
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