納米磁性液體材料在動(dòng)態(tài)密封中的應(yīng)用前景展望

李項(xiàng)和

摘 要：作為一種新的密封方式，磁性液體密封的優(yōu)點(diǎn)有零泄漏、無固體磨損、能耗小、壽命長等，因?yàn)樗哂羞@一系列的優(yōu)點(diǎn)，所以傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)密封中的一系列問題得到了解決，現(xiàn)今在真空領(lǐng)域范疇內(nèi)人們已經(jīng)廣泛應(yīng)用磁性液體密封技術(shù)了。本文就磁性液體密封的原理、優(yōu)點(diǎn)，制備方式、密封方式以及納米磁性液體的其他應(yīng)用展開了探究。

關(guān)鍵詞：物理；動(dòng)態(tài)密封；納米材料

中圖分類號(hào)：TM27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0233-01

作為一種新的密封方式，磁性液體密封的優(yōu)點(diǎn)有零泄漏、無固體磨損、能耗小、壽命長等，因?yàn)樗哂羞@一系列的優(yōu)點(diǎn)，所以傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)密封中的一系列問題得到了解決，作為第一個(gè)被開發(fā)、被商業(yè)化的磁性液體產(chǎn)品，納米磁性液體是最成熟的商業(yè)應(yīng)用之一。然而，因其難度大、所需技術(shù)水平高等問題，迄今鮮有公開報(bào)道。南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室研制出了新型憎油基磁性液體，并將其應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)密封上，同時(shí)成果顯著；北京交通大學(xué)李德才[1]等人也對(duì)此展開了探究，一致認(rèn)為磁性液體密封具有非常可觀的應(yīng)用前景。

1 納米磁性液體密封的原理、優(yōu)點(diǎn)

磁性液體密封技術(shù)是一種非接觸式密封技術(shù)，其介質(zhì)是磁性液體，由于磁性液體對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)特性，把磁性液體注入到由高性能的永磁體、導(dǎo)磁性良好的極靴和轉(zhuǎn)軸所構(gòu)成的導(dǎo)磁回路的間隙中，會(huì)形成數(shù)個(gè)磁性液體“O”型圈，當(dāng)磁性液體受到壓差作用時(shí)，會(huì)在非均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)，不均勻磁場(chǎng)就會(huì)使磁性液體產(chǎn)生對(duì)抗壓差的磁力，今兒達(dá)到新的平衡，這樣就起到了密封的作用。

磁性液體密封的優(yōu)點(diǎn)是零泄漏、無固體磨損、能耗小、壽命長等，能夠解決傳統(tǒng)密封中材料泄露、高耗能等問題。液體密封圖見圖1。

2 納米磁性液體的制備方法

2.1 化學(xué)共沉淀法

目前制備磁性液體的方法中化學(xué)共沉淀法是使用最多、應(yīng)用最廣泛的方法之一，它的特點(diǎn)是速度快、回收率高、效果好等。磁性微粒的尺寸是可以根據(jù)工藝參數(shù)的改變而改變的，不僅如此，加入其它金屬粒子可以使磁性微粒的性能得以改善，通過上述步驟，可以制備性能良好的磁性液體。其具體操作方法：將可溶的亞鐵鹽和鐵鹽按比例生成三氧化四鐵理論量（摩爾比為1：2）較小的比例混合后，加入堿性沉淀劑，生成三氧化四鐵超微粒子，然后將三氧化四鐵粒子加入到含有表面活性劑的載液中煮沸，分離后便可的磁性液體。

2.2 真空蒸鍍法

真空蒸鍍法缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜程度高，對(duì)真空度程度要求高，雖然其條件苛刻，但因此制備的磁性微粒顆粒度小，粒度均勻，分散好，具體操作方步驟為：在旋轉(zhuǎn)滾筒中加入含有表面活性劑的低揮發(fā)性溶劑，將筒真空化，在金屬被蒸發(fā)的同時(shí)，表面活性劑也被蒸發(fā)，滾筒表面有大量金屬吸附，并在載液中分散，從而制備出磁性液體。

此外還有熱分解法、機(jī)械球磨法、解膠法，等離子體法等方法。

3 磁性液體的密封方法

許多學(xué)者對(duì)以磁性液體為介質(zhì)的密封方式進(jìn)行了很長時(shí)間的探索和研究，其中，以下研究最具代表性：M.D.Cowley和R.E.Rosenseig對(duì)磁性液體界面穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究后，得出了影響磁性液體界面穩(wěn)定性的因素之一為磁場(chǎng)的結(jié)論[2]：北京航空航天大學(xué)的王之珊等人曾經(jīng)做到持續(xù)密封時(shí)間達(dá)48h[3]；中國礦業(yè)大學(xué)的楊志伊等人曾經(jīng)做到零泄漏持續(xù)密封高達(dá)上千小時(shí)，但長時(shí)間密封磁性液體失敗[4]。使用磁性液體密封技術(shù)對(duì)液體進(jìn)行密封難以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間零泄漏的原因是：在磁性液體與被密封液體之間的界面存在著一種隨著旋轉(zhuǎn)速度的加快和密封壓力的加大而加劇的不穩(wěn)定性。因此，要實(shí)現(xiàn)以液體為密封介質(zhì)的磁性液體密封，必須要使密封液體的速度和被密封液體的速度差額盡量縮小，降低作用于被密封液體的壓力。

組合式磁性液體密封的原理為：磁性液體密封技術(shù)和雙螺旋密封技術(shù)的組合，在密封領(lǐng)域發(fā)展越來越迅速的是螺旋密封，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐壓能力較強(qiáng)。但是雙螺旋密封裝置有一個(gè)致命的缺點(diǎn)：其在低速運(yùn)行時(shí)被密封介質(zhì)出現(xiàn)泄漏是無法避免的，若想使其密封效果達(dá)到最優(yōu)則必須盡量提高轉(zhuǎn)速，但是前文所述磁性液體密封技術(shù)相比傳統(tǒng)密封方式具有零泄漏、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，并且無論在靜止密封，還是旋轉(zhuǎn)密封都可以使液體介質(zhì)零泄漏。

4 納米磁性液體密封的其他應(yīng)用

4.1 磁性液體在往復(fù)軸密封中的應(yīng)用[5]

磁性液體往復(fù)密封技術(shù)成為一種嶄新的動(dòng)密封技術(shù)的原因是：磁流體往復(fù)密封裝置不僅可以在一定程度上取代傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸密封而且可以完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封，從而達(dá)到往復(fù)加旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)密封的效果，因此在21世紀(jì)以來此密封技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

4.2 磁性液體在直線型密封中的應(yīng)用[6]

磁性液體直線密封技術(shù)的結(jié)構(gòu)包括非導(dǎo)磁性軸、軸套、環(huán)形永久磁鐵、極靴和磁性液體。

磁性液體密封技術(shù)的原理：在永磁鐵的磁場(chǎng)作用下，磁性液體被束縛在極靴齒和軸套內(nèi)表面之間的空隙中，構(gòu)成液體密封環(huán)，因而該密封裝置不僅能夠承受一定壓差的作用，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)密封。

磁性液體直線運(yùn)動(dòng)的密封裝置不僅能夠傳遞直線運(yùn)動(dòng)，還能傳遞扭矩。因?yàn)橹本€密封裝置包含了轉(zhuǎn)軸密封裝置在內(nèi)，而且轉(zhuǎn)軸密封裝置具有轉(zhuǎn)速越高，密封性能越好的特點(diǎn)。因此，直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)+轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)的動(dòng)密封均可通過磁性液體直線密封裝置來實(shí)現(xiàn)，這是直線密封裝置的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。磁性液體直線密封裝置對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)密封的抗壓能力高，密封性能好；該裝置對(duì)直線運(yùn)動(dòng)的密封能力低于轉(zhuǎn)動(dòng)密封能力；而直線+轉(zhuǎn)動(dòng)的密封性能與直線密封的性能相似，但也能實(shí)現(xiàn)壓差密封。

5 結(jié)語

在中小軸，中低速的真空、氣體方面，磁性液體密封技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，發(fā)展勢(shì)頭迅速，并且其發(fā)展方向是大軸徑、高轉(zhuǎn)速的密封。但目前來說以液體為介質(zhì)時(shí)技術(shù)問題還沒有得到解決，假若解決了密封液體方面的問題，磁性液體密封技術(shù)前景廣闊，同時(shí)在往復(fù)軸密封和直線型密封中有應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]李德才.磁性液體密封理論及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[2]Moskowitz R.Dynamic sealing with magnetic fluids[J].ASLE Transactions，1975，18（2）：135 -143.

[3]王之珊，陳建平，趙丕智.一種新型組合密封系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，26（4）：451-453.

[4]劉同岡，楊志伊.磁流體液體動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23（4）：353-355.

[5]王虎軍.國外磁性液體在往復(fù)軸密封中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013，（36）：56-57.

[6]李德才，宋登軒，袁祖貽.磁性液體在直線型密封中的應(yīng)用研究[J].功能材料，1997，（01）：97-99.