磁流變液的流變特性分析和實驗驗證

(青島黃海學院，山東 青島 266427)

1 前 言

磁流變液是由鐵磁性顆粒、非導磁性載液和添加劑三個部分組成的懸浮液。無磁場作用下，鐵磁性顆粒隨機分散在非導磁性載液中，在磁場作用下，這些鐵磁性顆粒相互吸引，沿磁場方向排成鏈狀結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了抵抗剪切應力的作用，外觀表現(xiàn)為類固態(tài)。磁流變液的抗剪能力隨磁場變化而變化，當移去磁場之后，磁流變液又立即恢復到自由流動狀態(tài)[1-2]。磁流變效應的響應時間很短，一般為毫秒級，并且固液態(tài)之間的轉(zhuǎn)化具有可逆性。因此磁流變液作為一種智能材料，具有變化迅速、連續(xù)、高效率、安全可靠等優(yōu)點。相對其他器件，磁流變液器件具有以下優(yōu)點：控制和調(diào)節(jié)具有連續(xù)變化的性能，可以實行精確的實時控制；具有結(jié)構(gòu)簡單，工作柔和、噪音低，響應速度快等特點[3]。利用磁流變效應開發(fā)的新產(chǎn)品與已有的產(chǎn)品相比，在性能、制造、使用以及價格上有明顯的優(yōu)勢和市場競爭力，己被應用于航空、航天、機械、汽車、精密加工、控制等領(lǐng)域[4]。隨著研究的深入，磁流變液將會展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

對磁流變液這類流體，一般采用Bingham模型、Casson模型及Herschel-Bulkley模型來描述其流變行為[5]。Herschel-Bulkley模型為三變量模型，計算比較復雜，而Bingham模型和Casson模型計算精度高且計算簡單，現(xiàn)階段多使用這兩種模型來模擬磁流變液的流變行為[6]。Bossis等[7]對磁流變液的屈服應力進行了研究，發(fā)現(xiàn)屈服應力和磁場之間存在依賴關(guān)系；Alghamdi等[8]對磁流變液在傳動技術(shù)中的應用進行了分析。趙春偉等[9]對磁流變液微結(jié)構(gòu)進行了實驗觀測，分析了磁場作用下磁流變液微結(jié)構(gòu)的形成與演化。本實驗研究一種磁流變液在磁場作用下的流變行為，分別運用Bingham模型和Casson模型來擬合磁場作用下磁流變液剪切應力和剪切速率之間的關(guān)系，分析磁場作用下磁流變液剪切應力的變化。

2 磁流變液的本構(gòu)模型

Bingham模型可表示為：

(1)

Casson模型可表示為：

(2)

3 磁流變液的制備和實驗

3.1 磁流變液的制備

磁流變液的制備材料，使用最多的磁性顆粒是羰基鐵粉，因為它是工業(yè)化的產(chǎn)品，產(chǎn)量大，價格便宜，具有較高的磁導率和低的磁矯頑力，它的磁飽和度約為2.1T，且具有優(yōu)良的軟磁性能。磁流變液的載液應具有如下特點：高沸點、低凝固點、化學穩(wěn)定性好、無毒、無異味、價格低廉等。目前非磁性載液主要有硅油、礦物油、合成油、水和乙二醇等，本實驗中運用二甲基硅油作為載液。

制備羰基鐵粉體積分數(shù)為10%的磁流變液，按計算的配比稱取羰基鐵粉、基液和硬脂酸，羰基鐵粉的平均粒徑為3.3μm，基液采用二甲基硅油，其粘度為25cst，表面活性劑采用硬脂酸，硬脂酸的質(zhì)量分數(shù)為羰基鐵粉的2%。將羰基鐵粉和硬脂酸混合置入不銹鋼容器內(nèi)，用攪拌器高速攪拌數(shù)小時，取出處理后的混合物在真空干燥箱中干燥，使磁性顆粒表面凈化，然后將預處理干燥后的懸浮相粉體與二甲基硅油在不銹鋼磨罐中混合，經(jīng)高速研磨分散，即得到磁流變液。

3.2 實 驗

本實驗所使用的測試儀器為安東帕Physica MCR 301平板測試流變儀。實驗測試時，將磁流變液放入流變儀上、下平板之間，在無磁場的條件下以50s-1的剪切速率剪切150s，以保證磁流變液良好的分散性。然后在不同條件下測量磁流變液的剪切應力。

設(shè)置電流分別為1、2、3及4A，根據(jù)儀器手冊數(shù)據(jù)，上述電流分別對應磁場的磁感應強度為0.23、0.44、0.65和0.86T，設(shè)置剪切速率在0～1000s-1范圍內(nèi)變化，溫度為25℃，剪切時間為10s，每0.1s取樣一次，測量磁流變液剪切應力和表觀粘度的變化。設(shè)置剪切速率為300s-1，磁場在0～0.5T范圍內(nèi)變化，溫度為25℃，剪切時間為10s，每0.1s取樣一次，測量磁流變液剪切應力的變化。

4 實驗結(jié)果與分析

外加磁場時，磁流變液的剪切應力與剪切速率的關(guān)系如圖1所示。由圖可見：恒定磁場作用下，隨著剪切速率的增加，剪切應力先略下降后逐漸增大并趨于穩(wěn)定;外加磁場越強，剪切應力最初下降越明顯。在同一剪切速率下，隨著外加磁場的增強，剪切應力顯著增大，范圍為1.08～12kPa。磁流變液的表觀粘度與剪切速率的關(guān)系如圖2所示。從圖2可見：恒定磁場作用下，隨著剪切速率的增加，表觀粘度顯著減??；在同一剪切速率下，隨著外加磁場的增大，表觀粘度增大，范圍為2.5Pa·s～28.7kPa·s。

圖1 剪切應力與剪切速率的關(guān)系Fig.1 Dependence of shear stress on shear rate

圖2 表觀粘度與剪切速率的關(guān)系Fig.2 Dependence of apparent viscosity on shear rate

4.1 運用Bingham模型進行擬合

采用Bingham模型對磁流變液的流變行為進行擬合,擬合計算結(jié)果如圖3和表1所示，由圖3和表1可見，磁流變液剪切應力和剪切速率有良好的線性關(guān)系，當外加磁場從0.23T增大到0.86T，采用Bingham模型擬合計算的剪切應力從1369Pa增大到8825Pa，即磁場增高了274%，剪切屈服應力增大了545%。

圖3 采用Bingham模型對磁流變液剪切應力擬合結(jié)果Fig.3 Fitting of the shear stress of MRFs using Bingham model

B/TFittingequationR2τy/Paη/Pa·s023y=115x+136909911369115044y=241x+370309803703241065y=273x+649109766491273086y=279x+8825099588252790

4.2 運用Casson模型進行擬合

采用Casson模型對磁流變液的流變行為進行擬合計算，如圖4所示，擬合計算結(jié)果如表2所示，由圖4和表2可見，磁流變液剪切應力和剪切速率有良好的線性關(guān)系，磁場從0.23T增大到0.86T，采用Casson模型擬合計算的剪切屈服應力從1043Pa增大7624Pa，增高了274%，剪切屈服應力增大了631%。由此可以得出，磁流變液剪切應力采用兩個模型擬合所得結(jié)果均具有較好的線性相關(guān)性，采用Bingham模型擬合所得剪切屈服應力數(shù)值略高一些。

圖4 采用Casson模型對磁流變液剪切應力擬合Fig.4 Fitting of the shear stress of MRFs using using Casson model

B/TFittingequationR2τy/Paη/Pa·s023y=055x+32309971043030044y=060x+55509923080036065y=064x+7509855625041086y=065x+87409927627042

在外加磁場作用下，磁流變液中的鐵磁性顆粒排列成鏈狀結(jié)構(gòu)，當磁流變液開始剪切時，平板之間的顆粒鏈突然被破壞，不能及時恢復，宏觀表現(xiàn)為剪切應力下降。隨著剪切速率的增大，磁場作用下新的顆粒鏈形成，剪切應力逐漸增加，表觀粘度下降。當剪切速率增加到一定程度時，顆粒鏈的斷裂和形成會達到平衡，剪切應力達到一個穩(wěn)定值。并且外加磁場越強，磁流變液中的顆粒鏈之間相互作用力越強，宏觀表現(xiàn)為剪切應力越大。由此可以得出，剪切速率增加時，剪切應力增大并趨于穩(wěn)定值，剪切應力存在剪切稀化現(xiàn)象。

圖5 剪切應力和磁場的關(guān)系Fig.5 Dependence of shear stress on magnetic field

磁流變液的剪切應力和外加磁場的關(guān)系如圖5所示，由圖可見：隨著外加磁場增強，剪切應力顯著增大，其范圍為200Pa～11kPa。當磁場較小時，磁流變液內(nèi)的鐵磁性顆粒遠未達到磁化飽和，在磁場作用下，顆粒相互作用，形成鏈柱結(jié)構(gòu)，宏觀表現(xiàn)為剪切應力快速增大。隨著磁場的增大，磁流變液內(nèi)的鐵磁性顆粒局部磁化飽和，剪切應力增加趨于平穩(wěn)，宏觀表現(xiàn)為剪切應力呈現(xiàn)近似線性增長?？梢灶A測，如果磁場繼續(xù)增大，顆粒接近完全磁化飽和時，剪切應力變化很小，待顆粒完全磁化飽和后，剪切應力達到穩(wěn)定值。由此可以得出，隨著外加磁場的增強，磁流變液的剪切應力顯著增加。

5 結(jié) 論

外加磁場作用下，磁流變液的剪切應力和表觀粘度顯著增大，剪切應力變化范圍為1.08～12kPa，表觀粘度變化范圍為2.5Pa·s～28.7kPa·s。磁場恒定時，隨著剪切速率的增加，剪切應力增大并趨于穩(wěn)定值，存在剪切稀化現(xiàn)象。采用Bingham和Casson模型擬合計算的剪切屈服應力為1043～8825Pa。隨著外加磁場的增強，磁流變液的剪切應力顯著增加，其變化范圍為200Pa～11kPa。

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