高稳定性磁流变液的试验及力学性能研究

摘要

磁流变液是由微米级的或纳米级的磁性颗粒均匀分散在基液中而形成的悬浮状液体，其主要成分为磁性颗粒、载液以及各种添加剂。在外加磁场的作用下，可在瞬间（毫秒级）迅速从流动的液体状态转变为类固体状态，且在撤去磁场后能够再次恢复流动状态。磁流变液的这种流变特性可以被用来设计磁流变阻尼器。磁流变液作为一种新型的智能材料，其智能可调的特性使磁流变阻尼器具有阻尼出力大、能耗少、实时控制、精度高等优点，从而具有良好的减震效果。因此磁流变液的性能优劣将直接影响到磁流变阻尼器能否正常发挥作用。为使磁流变阻尼器达到上述优点，磁流变液应具有稳定性好、不易团聚、零场粘度低、剪切屈服应力高等特点。目前，国内外的科研人员对磁流变液进行了很多研究，也取得了一定的成果，但制备高性能磁流变液、建立描述磁流变液磁流变行为的微观模型、设计剪切屈服应力测试装置等方面仍然有一些问题亟待解决，磁流变液的研究工作仍需进一步开展与深入。本文采用试验与理论结合、宏观与微观并举的研究方法，从磁流变液的基本性能出发，研究了磁流变液的制备方法、流变特性和力学行为，配制了高稳定性的磁流变液，提出了加入碳包覆颗粒的磁流变液初始倾斜链式模型，完善并发展了磁流变液剪切屈服应力一体化测试装置。本文涉及到铁磁力学、流体力学、电磁学、材料化学等学科领域，并通过试验观察和理论分析，得到了一些具有一定参考价值的结论。
　　本研究主要内容包括：⑴制备了多壁碳纳米管包覆磁性颗粒，研究各项材料的用量以及制备过程，优选出具有最佳包覆效果的复合磁性颗粒；⑵将制备的多壁碳纳米管包覆磁性颗粒与课题组先期研制的表面活性剂改性磁性颗粒相结合，并通过采用不同的体积分数与加入不同量的添加剂，研制了不同配比的磁流变液；⑶对所研制的磁流变液进行稳定性、零场粘度以及剪切屈服应力测试，研究了两种复合磁性颗粒的用量比例、磁性颗粒体积分数、添加剂用量对磁流变液性能的影响，得到了各项指标均良好的磁流变液，并验证了多壁碳纳米管包覆磁性颗粒的加入对提高磁流变液稳定性的有益作用；⑷基于磁流变液的工作模式改进设计了一种平行碟片式磁流变液剪切屈服应力一体化测试装置，通过对装置材料、构造、传感器以及数据采集的研究，发展了磁场均匀、使用方便的一体化测试装置；⑸根据磁流变液的成链规律与链化机理，基于偶极子理论，推导了加入碳包覆颗粒的磁流变液初始倾斜链式模型，从微观层面分析磁感应强度、体积分数等因素对剪切屈服应力的影响，并将该模型的理论分析结果与试验结果进行对比，验证了加入碳包覆颗粒的磁流变液初始倾斜链式模型的正确性。
　　本研究的创新之处在于：①制备了多壁碳纳米管包覆磁性颗粒，并将其与表面活性剂改性磁性颗粒一起作为混合磁性颗粒来研制磁流变液，测试结果表明多壁碳纳米管包覆磁性颗粒的加入能够提高磁流变液的稳定性，同时得到了两种磁性颗粒的用量比例对磁流变液沉降率、零场粘度的影响；②完善并发展了一种平行碟片式磁流变液剪切屈服应力一体化测试装置；③提出了加入碳包覆颗粒的磁流变液初始倾斜链式模型，并与试验结果进行对比验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 磁流变液的研究现状

1．2．1 磁流变液的制备研究

1．2．2 磁流变液的力学模型研究

1．2．3 磁流变液的应用

1．3 本文的研究意义及主要内容

1．3．1 研究意义

1．3．2 研究内容

第二章 高稳定性磁流变液的制备

2．1 磁流变液的组分研究

2．1．1 磁性颗粒

2．1．2 载液

2．1．3 添加剂

2．2 磁流变液的制备技术

2．2．1 复合磁性颗粒的制备

2．2．2 磁流变液的制备

2．3 磁流变液的试验方案

2．3．1 试验仪器与材料

2．3．2 试验思路与方案

2．3．3 羰基铁粉的改性效果

2．4 本章小结

第三章 磁流变液的性能测试

3．1 稳定性测试

3．1．1 测试原理及方法

3．1．2 抗沉降性观测

3．1．3 再分散性观测

3．2 粘度测试

3．2．1 测试原理及方法

3．2．2 零场粘度测试

3．2．3 粘温特性测试

3．3 剪切屈服应力测试

3．3．1 测试原理及方法

3．3．2 测试装置的设计

3．3．3 测试结果及分析

3．4 本章小结

第四章 磁流变液的力学模型

4．1 磁流变液的宏观力学模型

4．2 加入碳包覆颗粒的磁流变液初始倾斜链式模型

4．2．1 微观力学模型的研究思路

4．2．2 磁偶极子理论的基本方程

4．2．3 初始倾斜链式模型的推导

4．3 力学模型的验证

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表的论文

致谢