一种含超细非晶材料的磁流变液

摘要

本发明属于智能材料领域，特别涉及一种含超细非晶材料的磁流变液。该磁流变液的化学组成成分体积％为：磁性颗粒占10～50％，为晶态的还原羰基铁和非晶态的铁基非晶软磁合金；其中晶态的还原羰基铁为球形颗粒，占磁性颗粒的90～95％，粒度范围在1～30μm之间；非晶态的铁基非晶软磁合金为针状颗粒，占磁性颗粒的5～10％，长径为0.5～1μm，短径为200～500nm；载液占45～89％，为聚α－烯烃，室温粘度为1～300mPa.s；表面活性剂占1～5％，为钛酸酯偶联剂和复合铝钛偶联剂。本发明与现有技术相比具有较低零场粘度系数、高屈服应力、优良的抗沉降稳定性及磁性能优异的优点。

说明书

技术领域

本发明属于智能材料领域，具体涉及一种含超细非晶材料的磁流变液。

背景技术

在现有技术中，磁流变液是微米级的磁性颗粒在载液中形成的悬浮液。在外加磁场作用下，磁流变液能够在液态与固态之间进行可逆的变化，是一种新型的智能材料。

磁流变液与磁流体都是用磁性微粒分散在合适的液体中而形成的悬浊液，有不少文章不加以区分，但实际上两者是有区别的，它们的悬浮粒子的尺寸范围是不同的，所以性能与应用都不相同。

磁流体又称磁性液体，是由纳米级(1～10nm)磁性微粒通过表面活性剂高度分散于载液中所构成的稳定胶体体系。由于悬浮粒子小，在采用合适的表面活性剂后，布郎运动可以阻止悬浮粒子的团聚。磁性液体同时具有流动性和强磁性，纳米级的磁性微粒在磁场的存在下不会形成有序结构，只会趋向于磁场的方向流动，磁流体作为一种功能材料在很多方面具有十分重要的应用，如磁密封、磁浮选、探测器、扬声器等。

磁流变液是由大小在0.1～100μm范围内的软磁颗粒，与一定量的表面活性剂和防沉剂在适当的载液中形成的一种悬浮体系。磁流变液在磁场的作用下，由于软磁颗粒的磁化产生磁力排成链状或柱状结构使得磁流变液在毫秒级的时间内由液体转变为具有一定剪切应力和屈服强度的固体，当磁场消失，软磁颗粒失去磁性，磁流变液又由固体变为液体。磁流变液的这种基本性能使得它成为当前智能材料研究范畴的一个重要分支，具有广泛的应用领域。如汽车的传动离合器和可控减振器，无阀芯的各种液体压阀，电压传感器，机器人活动关节，机械卡具，光学抛光，密封，磁流变液综合锻炼器等。

自从50年代以来，对磁流变液的研究和制备已取得了一定的进展，并有一部分商品化的磁流变液器件在一些场合得到了应用。但由于磁性颗粒与载液的比重相差很大，大多数磁流变液的沉降稳定性较差，而且容易发生磁性颗粒的沉降结板，影响了磁流变液的再分散性能，极大地限制了磁流变液的应用场合和领域。

为了解决磁性颗粒的沉降和团聚问题，一般加入各种表面活性剂，但事实上，加入过多的表面活性剂不仅会大大增加磁流变液的零场粘度，而且如果添加了不恰当的表面活性剂还很容易在磁性颗粒沉降后形成难以再分散的死板。另一种方法是向磁性材料中加入非磁性的轻质材料制成比重较轻的复合粒子来改善磁流变液的沉降稳定性，例如：2005年3月16日公开的中国专利CN 1595558A《一种磁流变液及其制备方法》中，采用了表面包覆有氧化硅和氧化铝的磁性颗粒，虽然在一定程度上提高了磁流变液的稳定性，但由于引入了非磁性材料，导致了复合粒子的磁性能下降，使得所配制的磁流变液的屈服强度也降低。另外2005年1月5日公开的中国专利CN 1560209A《瓜尔豆胶磁流变液》中，是在现有的磁流变液技术上，采用瓜尔豆胶粉作为沉降稳定剂，虽然瓜尔豆胶粉对环境无害，对提高磁流变液稳定性及防止结板都有作用，但是由于瓜尔豆胶以粉粒的形式加入，在一定程度上增加了体系的粘度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较低零场粘度系数、高屈服应力、优良的抗沉降稳定性及磁性能优异的磁流变液。

根据上述目的，本发明的技术方案和工作原理为：

本发明所涉及的磁流变液的组成包括：晶态及非晶态磁性颗粒、载液和表面活性剂。

本发明克服现有磁流变液的不足，研制出了一种同时含有晶态及非晶态软磁颗粒的磁流变液。这里的晶态材料是指原子在三维空间作规则排列、有周期性的点阵结构的材料，例如具有软磁性能优良的铁、钴、镍等金属或其合金的晶态磁性颗粒，本发明优选还原羰基铁粉；非晶态材料是指内部原子空间排列无序、无周期点阵结构的材料，例如具有软磁性能优良的铁基、铁镍基和钴基非晶合金颗粒，本发明优选铁基非晶软磁合金材料。以上优选的还原羰基铁粉及铁基非晶软磁合金材料都具有优良的软磁性能：磁导率高、矫顽力低，饱和磁化强度高。另外，晶态磁性颗粒为球形颗粒，非晶态磁性颗粒为超细的针状颗粒；在没有磁场的情况下，所有这些颗粒能在载液中形成一种稳定的空间网络结构，有效地提高了磁流变液的抗沉降稳定性；而当磁流变液发生磁流变效应时，这些颗粒能形成结实坚固的链状结构，有效地提高了磁流变液的屈服应力。

所述的载液一般为无极性、不挥发，不含水的非磁性能良好的油，如矿物油、硅油或合成烃油等。本发明优先选用聚α-烯烃，室温粘度为1～300mPa.s，选用聚α-烯烃是因为其不仅具有高粘度指数、低挥发性、低倾点、高闪点、高温氧化稳定性优良且对环境安全的油品性能，更是因为聚α-烯烃能与较多的表面活性剂相作用，能实现添加剂的预期效果。

所述的表面活性剂可以是离子型表面活性剂、非离子型的表面活性剂的一种或几种。主要有油酸、Tween-20、含酸性基团的共聚物D-110、磷酸酯盐F-108、8018-M-1、T152、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、复合铝钛偶联剂等。本发明优选钛酸酯偶联剂和复合铝钛偶联剂。

根据上述目的和工作原理，本发明的具体技术方案为：

该含超细非晶材料的磁流变液，其特征在于该磁流变液的化学组成成分体积％为：

磁性颗粒占10～50％，为晶态的还原羰基铁和非晶态的铁基非晶软磁合金；其中晶态的还原羰基铁为球形颗粒，占磁性颗粒的90～95％，粒度范围在1～30μm之间；非晶态的铁基非晶软磁合金为针状颗粒，占磁性颗粒的5～10％，长径为0.5～1μm，短径为200～500nm；

载液占45～89％，为聚α-烯烃，室温粘度为1～300mPa.s；

表面活性剂占1～5％，为钛酸酯偶联剂和复合铝钛偶联剂。

本发明采用与现有技术相似的磁流变液的制备方法：

取磁性颗粒与表面活性剂先机械搅拌活化1小时，然后再向此混合物中加入载液，继续搅拌1小时，再将混合后的样品置于容积为250ml的配有直径分别为5mm，3mm的ZrO₂球的不锈钢球磨罐内，连续球磨10h，将磨球与样品分离，即得到磁流变液。

本发明与现有的技术相比，具有较低零场粘度系数、高屈服应力、优良的抗沉降稳定性及磁性能优异的优点。具体为：本发明的磁流变液所含有的球形及针状颗粒能相互作用相互支撑，形成一种稳定的空间网络结构，有效地提高了磁流变液在零磁场时的沉降稳定性以及固化后的屈服应力；另外，晶态及非晶态磁性颗粒较之单种材料在软磁的综合性能上也得到了提高，同时改善了所配制的磁流变液的性能。本发明的磁流变液零场粘度为0.2-0.5Pa.s；沉降稳定性好，绝对不结板，静置一个月，沉降率为6％-15％，并且极易再分散；在600mT场强下的剪切屈服应力为7-80kPa；流变性能优于其他类型的磁流变液。

具体实施方式：

根据本发明磁流变液的化学组成成分，采用现有技术的制备方法，取磁性颗粒与表面活性剂先机械搅拌活化1小时，然后再向此混合物中加入载液，继续搅拌1小时，再将混合后的样品置于容积为250ml的配有直径分别为5mm，3mm的ZrO₂球的不锈钢球磨罐内，连续球磨10h，将磨球与样品分离，即得到磁流变液，制备了4批磁流变液，其中表1为本发明磁流变液实施例的化学组成成分表，表2为本发明磁流变液实施例测试的性能表。

表1为本发明磁流变液实施例的化学组成成分表体积％

  序  号  合  计  ％  磁性颗粒％  载液％  表面活性剂％  晶态还原羰基  铁  非晶态铁基软磁合金  聚α  烯烃  ％  室温  粘度  mpa.s  钛酸酯  偶联剂  ％  复合铝钛  偶联剂  ％  球形％  粒度范围  1-30μm  针状％  粒度范围  μm  1  10  9  1  长径  0.5-1  短径  0.2-0.5  89  25.2  1  /  2  21  19.5  1.5  77  /  3  3  30  28  2  66  4  /  4  45  42.5  2.5  50  5  /

表2为本发明磁流变液实施例的测试性能表

  序号 零场粘度(室 温)Pa.s  剪切屈服应力  (600mT)kPa 沉降率(静置 一个月)％，  再分散性  1 0.195  7 15  好，无死板  2 0.25  33.8 12  好，无死板  3 0.36  54.2 8  好，无死板  4 0.48  77 6  好，无死板