纳米磁性液体黏性和流体润滑力学性能研究

论文摘要

由于纳米颗粒具有尺寸小、比表面积大、表面键形态不同于颗粒内部、表面原子配位不全及表面活性强等特性,在高技术新材料领域具有重要的研究和应用价值。正因如此,针对纳米微粒摩擦学性能的研究受到了广泛关注。业已发现,纳米颗粒作为润滑油添加剂通常表现出良好的抗磨性能、优异的极压性能和一定的减摩性能;此外,纳米材料在磨损表面的沉积可能对磨损表面起一定的修复作用。纳米磁性颗粒具有磁性材料的特性,将其作为润滑油的添加剂,具有良好的摩擦学性能,可以提高基础油的抗磨和承载能力,并且具备普通润滑剂不具备的一系列优点:如在磁场作用下良好的自密封性能,不发生泄漏,不产生污染等,有非常好的应用前景。目前针对磁性液体润滑的研究很少涉及磁场作用下纳米磁性液体润滑性能的研究,而关于变磁感应强度下磁性液体润滑性能的研究则更少,因此本文通过对MS-800四球试验机油杯的改进,在测试区域内产生可调磁场;利用改进后的油杯在四球机上测定了磁场作用下和无磁场作下时添加锰锌铁氧纳米磁性颗粒润滑油的摩擦学性能。四球机试验表明,纳米磁性颗粒可以明显改善基础油的摩擦学性能;另外通过对传统的旋转黏度计进行改进,测定了不同磁感应强度下纳米磁性液体的黏度,由于在磁场作用下磁粒将沿磁力线运动,这种运动会使悬浮粒子流动阻力增大,从而表现为黏度的增大,呈现了非牛顿特性;磁性液体黏度值随磁感应强度的增强而增大,是提高添加锰锌铁氧磁性颗粒润滑油的综合磨损值的主要要原因之一,综合磨损值最大可达基础液的1.43倍;其次纳米磁性颗粒中的Zn元素充当了极压剂作用,使润滑油的最大无卡绞负荷PB值提高26%,烧结负荷PD值提高100%。研究表明在所测定的试样中,质量分数为6%磁性流体的摩擦学性能最佳,相对于基础液而言磨斑直径降低了18.2%,综合磨损值提高了40%;然后通过对质量分数为6%的纳米磁性液体在不同磁感应强度下摩擦学性能的研究表明,对于质量分数为6%的纳米磁性液体而言,22mT为最佳磁感应强度。通过对磨痕表面的SEM（扫描电镜）以及EDS（能量色散谱仪）分析,对添加纳米磁性颗粒在不同润滑状态下的减摩机理进行了讨论,认为纳米粒子对油品摩擦学性能改善主要是以下三个方面的原因:首先,由于吸附、微电磁场作用,导致纳米粒子在摩擦表面富集,使表面润滑膜的厚度和强度增加;其次,部分吸附在摩擦表面的纳米粒子发生摩擦化学反应,形成新的润滑膜;最后,纳米粒子可以对摩擦表面进行优化,如抛光、修复表面纳米级微坑和表面微损伤等。对于纳米磁性液体而言,在磁场作用下可以加速磁性颗粒在磨损表面的沉积,加速了润滑膜的形成和对表面纳米微坑和表面微损伤的修复,从而起到了良好的润滑效果。最后本文对磁性液体润滑的径向滑动轴承问题进行了理论和数值研究,推导出了纳米磁性液体润滑作用下的Reynolds方程,并可扩展到其他非牛顿流体润滑问题,为进行基于磁性液体的滑动轴承流体动力润滑分析提供了理论依据。根据所推导得到的基于磁性液体润滑的广义雷诺方程,利用有限差分法,对磁性液体润滑轴径轴承的静特性进行了数值模拟,研究了不同浓度、间隙和磁感应强度对磁性液体轴承润滑性能的影响。数值研究表明,无磁场作用时,随着纳米磁性颗粒添加量的增加,有助于提高轴承的无量纲承载能力,最大增加了24.54%;在外加磁场作用下的磁性液体润滑轴承和无磁场作用时相比,油膜压力有所提高,摩擦学性能得到进一步改善;偏心率越大,轴承承载能力增加的幅度也越大;并且如果合理设计磁场分布,则完全可以达到零泄漏,这是普通轴承无法实现的,显示了磁性液体润滑轴承的优越性。数值模拟的结果与试验结果基本一致。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 纳米磁性液体的特性及其应用（Application and Properties of Magnetic Fluids）
• 1.1.1 纳米磁性液体的特性（Properties of Magnetic Fluids）
• 1.1.2 纳米磁性液体的典型应用（Application of Magnetic Fluids）
• 1.2 纳米磁性液体润滑研究概况（Magnetic Fluids Lubrication Introduction）
• 1.2.1 磁性液体流动特性基础理论研究（Basic Theory of Magnetic Fluid Flow）
• 1.2.2 磁性液体润滑研究进展（Research on Magnetic Fluid Lubrication）
• 1.3 研究目的和意义（Aim and Meaning of the Research）
• 1.4 主要工作和研究方法（Main Work and Research Method）
• 1.5 小结（Summary）
• 2 纳米磁性液体的制备和黏度测定
• 2.1 引言 （Introduction）
• 2.2 纳米磁性液体的制备方法 （Preparation Method of Magnetic Fluids）
• 2.2.1 金属氧化物磁性液体 （Metallic Oxides Magnetic Fluids）
• 2.2.2 金属磁性液体 （Metal Magnetic Fluids）
• 2.2.3 氮化磁性液体 （FeN Magnetic Fluids）
• 2.2.4 制备方法的选择（Choice of Preparation Method）
• 2.3 实验仪器及试剂（Experiment Instruments and Reagents）
• 2.4 制备工艺流程（Process Routing of Experiment）
• 2.5 颗粒粒度与形貌分析（Particle Size of Distribution and Ropography Analysis）
• 2.6 不同浓度磁性液体的配制（Preparation of Different Concentration Magnetic Fluid）
• 2.6.1 基载液种类及选择（Choosing of Base Oil）
• 2.6.2 磁性液体的配制（Preparation of Magnetic Fluids）
• 2.7 黏度与浓度和磁场之间的关系（Relation of Magnetic Fluid Viscosity with Magnetic Field and Concentration）
• 2.7.1 基载液的黏度测量（Viscosity of Base Oil）
• 2.7.2 不同体积分量磁性液体黏度的实验测定（Viscosity Experiment of Different Concentration Magnetic Fluids）
• 2.7.3 磁场作用下不同体积浓度磁性液体黏度的实验测定（Viscosity Experiment of Different Concentration Magnetic Fluids under Effect of Magnetic Field）
• 2.8 小结（Summary）
• 3 纳米磁性液体润滑摩擦学性能试验研究
• 3.1 引言（Introduction）
• 3.2 试验设备与方案（Test Equipment and Plan）
• 0.78Zn_0.22Fe₂O₄ Magnetic Fluid without Magnetic Field)'>3.3 无磁场作用锰锌铁氧磁性液体摩擦学性能(Tribological Properties of Mn_0.78Zn_0.22Fe₂O₄ Magnetic Fluid without Magnetic Field)
• 3.3.1 极压性能测定（Extreme Pressure）
• 3.3.2 综合磨损值（Load Carrying Capacity）
• 3.3.3 磨斑直径和摩擦系数测定（Wear Scar Diameter and Friction Coefficient）
• 3.3.4 磨斑表面形貌的观察分析（SEM Morphologies Analysis of Worn Steel Surface）
• 0.78Zn_0.22Fe₂O₄ Magnetic Fluid with Magnetic Field)'>3.4 磁场作用情况下锰锌铁氧磁性液体摩擦学性能(Tribological Properties of Mn_0.78Zn_0.22Fe₂O₄ Magnetic Fluid with Magnetic Field)
• 3.4.1 极压性能测定（Extreme Pressure）
• 3.4.2 综合磨损值（Load Carrying Capacity）
• 3.4.3 磨斑直径和摩擦系数测定（Wear scar Diameter and Friction Coefficient）
• 3.4.4 磨斑表面形貌的观察分析（SEM Morphologies Analysis of Worn Steel Surface）
• 3.5 纳米磁性颗粒润滑油摩擦学作用机制（Mechanism of Lubrication with Magnetic Nanoparticles）
• 3.5.1 沉积膜（Deposited Film）
• 3.5.2 表面修复（Surface Reconstructing）
• 3.5.3 油膜增厚（Film Thickening）
• 3.5.4 表面优化（Surface Optimization）
• 3.6 小结（Summary）
• 4 基于纳米磁性液体润滑的广义雷诺方程
• 4.1 引言（Introduction）
• 4.2 Rosensweig 彻体力模型（Model of Rosensweig）
• 4.3 物理模型（Physics Model）
• 4.4 润滑理论的基本假设（Basic Assumptions of Lubrication）
• 4.5 Reynolds 方程推导（Derivation of Reynolds Equation）
• 4.5.1 微元体的平衡（Balanced Force of Infinitesimal Body）
• 4.5.2 流量连续条件（Continuity Equation of Flux）
• 4.6 方程的简化与讨论（Discussion of the Equation）
• 4.6.1 雷诺方程的简化（Simplification of the Equation）
• 4.6.2 雷诺方程的各项的物理意义（Physical Significance of the Reynolds Equation）
• 4.6.3 积分边界条件（Boundary Condition of Integral）
• 4.7 小结（Summary）
• 5 纳米磁性液体润滑滑动轴承的数值分析
• 5.1 引言（Introduction）
• 5.2 计算流体力学基本公式（Basic Governing Equations）
• 5.3 数值模拟求解（Numerical Simulation ）
• 5.3.1 雷诺方程的无量纲化（Dimensionless of Reynolds Equations）
• 5.3.2 边界条件（Boundary Condition）
• 5.3.3 润滑膜的性能参数的计算（Calculation of Oil Film Performance Parameter）
• 5.4 数值计算方法（Numerical Computation Method）
• 5.4.1 控制方程的离散化（Discretization of Governing Equation ）
• 5.4.2 有限差分法求解Reynolds 方程（Solveing Reynolds Eqution with Finite Difference Method）
• 5.4.3 压力分布的数值计算（Pressure Distribution Calculation）
• 5.4.4 膜厚方程（Oil Film Equation）
• 5.4.5 磁场强度的处理（Simplification of Magnetic Field）
• 5.4.6 表观黏度的计算（Calculation of Viscosity）
• 5.5 数值模拟结果与分析（Calculation Result and Analysis）
• 5.5.1 无磁场情况（Without the Effect of Magnetic Field）
• 5.5.2 有磁场情况（With the Effect of Magnetic Field）
• 5.6 小结（Summary）
• 6 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集