磁流体粘度特性的测量研究

　　磁流体(Magnetorheology,简称MR)即磁性液体(magnetic liquid),也称磁性流体,是一种由被表面活性剂包覆的粒径为10 nm级的强磁性微粒均匀分散于基载液中形成的稳定的胶体悬浮液.它同时具有磁性材料和流体材料所具备的双重特性:静态时,该流体无磁吸引力;当外加磁场作用时,才表现出有磁性,而且其磁性与其流动性表现出极强的相关性,磁流体从具有线性粘度自由流动的牛顿流体在毫秒级的瞬间可逆地转变为具有可控屈服强度的塑性体或粘弹性体,所以磁流体又具有许多其它固体磁性材料及液体物质所不具有的特殊性质,是目前唯一的人工合成磁性流体.

　　基于磁流体的特殊性能,它被开发应用于磁流体发电、密封、润滑、抗震、减振、碾磨、分选、印刷及医疗等领域[1].由于上述领域对于磁流体的应用都集中在其磁粘特性上,而磁流体的磁粘特性与磁流体本身的构成有关,故对磁流体的粘性特征的测量就成为上述领域技术研究的基础.

　　1　磁流体粘度的测量与分析

　　目前,用于测量常规油液粘度的方法很多,如出流法、旋转法、重力法、平动法、振动法及光干涉法等[2],但基于磁流体是一种有别于常规油液的功能流体,它的流动特性受外加磁场的影响十分显著.把磁流体放置于玻璃杯中,当移动玻璃杯外的磁铁时,可观察到杯中的磁流体明显随着磁场的移动而移动,且流体形状发生变化.这是一般油液不可能发生的现象.

　　因此在磁流体粘度的测试中,当未加磁场时,可把磁流体当作普通的牛顿流体处理,一旦加上外加磁场,就需要对磁流体粘度的测试过程进行特殊设计;基于实验条件,该特殊设计以常规油液的出流法为基础.

　　1.1　测量方法与测量结果

　　由于未加外磁场的磁流体可当作牛顿流体对待,因此首先依据上述出流法原理[2]用玻璃细管测出基载液与磁流体混合液的粘度关系.对于容积10cm3,长度为70 mm,管径为10 mm,出口孔径为1mm的玻璃试管,温度为14℃时、常压下测得其出流时间,测量结果见表1.同样的玻璃细管,装入容积为20 mL流体,将其置于/20 mm×/40 mm×/80 mm(线径为/0.74)(mm)的螺旋线圈中心,使线圈处于玻璃细管的中部(图1).测得基载液和磁流体在不同电流强度作用下的流动时间.结果如表2所示.

　　测试中的磁场强度仅为参考数据,因为测量位置和测量方向由于测量条件的限制,都与玻璃细管的中心相差太远,只能作定性的参考.由于线圈做功,温度不断上升,但测试过程很短,可以认为温度影响不大.从表中明显看出随着电流的改变,磁感应强度发生变化,反映液体粘度的流动时间却没多少变化.从理论分析可知,影响磁流体流动的,除了粘度等因素外,还有彻体力磁场力.线圈置于玻璃细管的中部,对细管上、下两部分刚好形成相反的磁场强度梯度(图2).其对磁流体的作用是:一方面使上半部分磁流体加速向下流动,另一方面又阻碍下半部分磁流体向下流动.两种效应抵消,其粘度的变化效应被遮掩.