磁流变液沉降稳定性改进方法的研究

论文摘要

随着现代社会的发展,各种具有独特性质的新材料层出不穷,磁流变液以其磁流变效应在众多新材料中展现出出众的应用价值,受到了研究界的重视。在没有外磁场作用下,磁流变液具有较好的流动性,加上外磁场后则可在极短的时间内发生链化,表现出固体特性,具有很高的屈服剪力,且其固体特性还可由外磁场强度调节;磁场撤去后,能马上恢复流动性。磁流变液的这种特征,使其被应用在众多的主动和半主动控制器件上,制造出智能、灵活,工作高效,环保节能的设备,已在许多行业获得应用并呈现了广阔的应用前景。但截止目前,磁流变液尚未大规模商业化,最主要原因之一是其稳定性问题一直得不到有效解决。由于构成磁流变液的微米级磁性颗粒仅靠布朗运动不足以抵抗重力作用,所以沉降不可避免。国内外的学者在提高磁流变液稳定性上做了大量的工作,本文也从此着手,研究能够改善磁流变液沉降的方法。目前通常在制备时添加不同种类的添加剂来改善磁流变液的稳定性,本文第一部分也采用了这种方法。由于磁流变液的稳定性主要可以分为沉降稳定性和团聚稳定性,而月桂酸和油酸这两种添加剂能分别对这两种稳定性起到促进作用,所以分别制备了不同组分含量的以这两种添加剂共同作用的磁流变液样品。测量它们的零场粘度和力学特性,记录其沉降时间曲线,研究了月桂酸、油酸和羰基铁粉三种成分的含量对于磁流变液稳定性和力学性能的影响,通过分析比较找出各组分最合适的添加量。然后对油酸的作用进行了验证,使用油酸和另外三种添加剂分别共同添加,查看样品的沉降规律。结果表明合理的添加油酸和月桂酸对于制备零场粘度小且稳定性优良的磁流变液具有显著的效果,并发现油酸的改性对使用另外三种添加剂的磁流变液的稳定性也都有帮助。本文的第二部分则采用了不同的思路来改善磁流变液的稳定性:以磁性颗粒在永磁体产生的梯度磁场中受到的磁场力来抵抗沉降力的作用,达到减缓沉降速度或消除沉降的目的。首先将磁性颗粒简化为磁偶极子,计算了永磁体磁场中磁偶极子所受磁力的表达式,并讨论了磁偶极子在磁场中的稳定区域及其运动速度的规律。其次在有限元软件中建立系统模型,对磁性颗粒不做简化,计算磁性颗粒对磁场形态的影响及其在永磁体磁场中的受力情况,由于磁性颗粒在磁场中会形成链状结构,又计算了颗粒成链后的的受力情况。结果表明,由于磁化颗粒间的相互作用以及非均匀磁场的存在和非线性磁化的影响,颗粒形成链状结构后整条链受到的磁力比每个颗粒单独存在时在相同位置上受到的磁作用力的和要大,这一规律使得永磁体的作用范围更宽。最后采用实验方法验证了上置永磁体对磁流变液样品沉降的改良作用,考察在永磁体下方不同距离的磁流变液样品的沉降情况。结果表明,选择永磁体产生合适的磁场强度分布及使永磁体和试样间有合适的距离能极大的改善磁流变液的稳定性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 符号注释表
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁流变液的组成
• 1.2.1 磁性颗粒
• 1.2.2 载液
• 1.2.3 添加剂
• 1.3 磁流变液稳定性的研究现状
• 1.3.1 改进磁性颗粒性质
• 1.3.2 添加稳定剂
• 1.4 磁流变效应的机理
• 1.4.1 磁性颗粒链化假说
• 1.4.2 磁性颗粒链化形式
• 1.5 磁流变液的应用
• 1.6 本文的研究内容
• 2 使用添加剂改善磁流变液的稳定性
• 2.1 引言
• 2.2 磁性颗粒的沉降速度
• 2.3 试样稳定性的评价方法
• 2.4 实验
• 2.4.1 制备原料
• 2.4.2 制备步骤
• 2.4.3 测试方法
• 2.5 试样制备与结果分析
• 2.5.1 月桂酸体积分数的影响
• 2.5.2 羰基铁粉体积分数的影响
• 2.5.3 磁流变性能
• 2.5.4 油酸添加量的影响
• 2.5.5 油酸对磁流变液稳定性作用的验证
• 2.6 小结
• 3 上置永磁体抑制磁流变液沉降的新方法
• 3.1 引言
• 3.2 磁偶极子在永磁体磁场中受到的力
• 3.2.1 永磁体磁场的三维解析式
• 3.2.2 系数K 的测定
• 3.2.3 磁偶极子受永磁体作用力的推导
• 3.2.4 讨论
• 3.3 数值模拟分析
• 3.3.1 ANSYS 求解静态磁场的方法
• 3.3.2 模型
• 3.3.3 单颗颗粒情形
• 3.3.4 颗粒成链后的受力分析
• 3.4 实验
• 3.4.1 实验装置与材料
• 3.4.2 实验结果与分析
• 3.5 小结
• 4 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录