閆敏杰，蒙愷悅，武志杰，周亞東，楊偉超

(天津城建大學(xué)，天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384)

0 引 言

磁流變脂是一種具有屈服應(yīng)力的非牛頓流體。與磁流變液相比，磁流變脂具有特殊的皂纖維結(jié)構(gòu)，能夠?qū)㈣F磁顆粒平衡在基質(zhì)中而不會產(chǎn)生鐵磁顆粒沉降的問題[1]，因此其整體穩(wěn)定性更高，在土木工程等領(lǐng)域應(yīng)用前景良好，主要用于阻尼器、隔離器、制動器以及振動控制等方面。

目前針對磁流變脂的研究主要集中在材料制備工藝、原材料配比、力學(xué)模型和動態(tài)黏彈性能等方面。董小閔等[2]研究了潤滑脂原料硼酸鋰和硬脂酸鋰的配比對復(fù)合鋰基磁流變脂流變性能的影響，通過改變二者的配比明顯改變了磁流變脂的流變特性和磁流變效應(yīng)。MOHAMAD等[3]研究了板狀羰基鐵粉磁流變脂的流變性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)磁流變脂的表觀黏度和儲能模量很大程度上取決于磁場強度和鐵磁顆粒含量。胡志德等[4-5]研究了磁流變脂的制備工藝，發(fā)現(xiàn)冷卻條件會影響磁流變脂內(nèi)部皂纖維的微觀結(jié)構(gòu)，從而影響磁流變效應(yīng)；在磁流變脂制備過程的稀釋階段加入鐵磁顆粒，可以提高磁流變脂的穩(wěn)定性，改善其流動性能。RANKIN等[6]研究了含有10%(體積分?jǐn)?shù))鐵磁顆粒的磁流變脂的屈服應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)屈服應(yīng)力隨著施加磁場強度的增大呈二次方增加趨勢，將屈服應(yīng)力限制在特定范圍內(nèi)時不會影響懸浮體的場致流變性。UBAIDILLAH等[7]研究了羰基鐵粉組成對磁流變脂物理特性的影響，發(fā)現(xiàn)磁流變脂的黏度隨著鐵粉中氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，但當(dāng)氯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過50%時，黏度降低。PARK等[8]將微球形軟磁性羰基鐵粉分散在潤滑脂中制備磁流變脂，發(fā)現(xiàn)在無外部磁場條件下磁流變脂具有屈服應(yīng)力，在有外部磁場條件下磁流變脂則表現(xiàn)出很強的固體結(jié)構(gòu)。

磁流變脂一般是在已合成好的商業(yè)潤滑脂中添加鐵粉制備而成；這種工藝導(dǎo)致研究人員無法按照特定的要求來控制磁流變脂的流變特性和微觀結(jié)構(gòu)。聚α-烯烴合成潤滑油具有優(yōu)異的低溫流動性、熱氧穩(wěn)定性和剪切安定性，用其合成的復(fù)合鋰基磁流變脂的儲能模量高，流變性能更好。因此，作者采用聚α-烯烴合成潤滑油制備了不同鐵磁顆粒含量的復(fù)合鋰基磁流變脂，研究了復(fù)合鋰基磁流變脂在穩(wěn)態(tài)剪切和振蕩剪切作用下的流變特性和磁流變效應(yīng)，擬為磁流變脂阻尼器、離合器等的設(shè)計提供依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料包括PAO40聚α-烯烴合成潤滑油，由天成美加潤滑油(北京)有限公司提供；十二羥基硬脂酸，分析純，由廣東翁江化學(xué)試劑有限公司提供；癸二酸，分析純，由廣東翁江化學(xué)試劑有限公司提供；硼酸，分析純，由上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司提供；氫氧化鋰，分析純，由天津市大茂化學(xué)試劑廠提供；FeSiB鐵基非晶合金軟磁粉，平均粒徑5 μm，由上海卜微應(yīng)用材料技術(shù)有限公司提供。

按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為66.88%，6.54%，2.20%，0.70%，23.68%稱取聚α-烯烴合成潤滑油、十二羥基硬脂酸、癸二酸、硼酸和氫氧化鋰水溶液(氫氧化鋰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)。將稱取的聚α烯烴合成潤滑油均分成3份，將其中一份倒入燒杯，在08-2G型恒溫磁力攪拌器上加熱至90 ℃，再加入十二羥基硬脂酸，待其完全溶解后加入癸二酸和硼酸，攪拌5 min，隨后加入氫氧化鉀水溶液，加熱至110 ℃保溫30 min；加入第二份潤滑油，升溫至135 ℃保溫60 min后，加入FeSiB軟磁粉，升溫至180 ℃保溫45 min，再升溫至200 ℃保溫15 min；加入第三份潤滑油后自然冷卻，待溫度降至120 ℃時用S65型三輥研磨機研磨5 min，得到磁流變脂。磁流變脂中鐵磁顆粒(FeSiB軟磁粉顆粒)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%，45%，60%。

1.2 試驗方法

使用帶有溫度控件和磁場控件的MCR302型平行板流變儀進行穩(wěn)態(tài)剪切和振蕩剪切測試，通過調(diào)節(jié)電流改變磁場強度，采用PP20/MRD/TI轉(zhuǎn)子，測試圓盤直徑為20 mm，測試間隙設(shè)置為1 mm，溫度均設(shè)定為25 ℃。穩(wěn)態(tài)剪切模式主要用于測試磁流變脂的剪切應(yīng)力。在電流分別為0，1，3 A條件下，將剪切速率設(shè)定為0.01 s-1進行50 s的預(yù)剪切，隨后測試剪切應(yīng)力隨剪切速率(0～100 s-1)的變化關(guān)系；將剪切速率分別設(shè)定為1，50，100 s-1，測試剪切應(yīng)力隨電流(0～3 A)的變化關(guān)系。在準(zhǔn)靜態(tài)單次循環(huán)剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線測試過程中，第一個測試段的剪切速率為0.05 s-1，數(shù)據(jù)點設(shè)置為50個，測試點時間設(shè)置為0.4 s；第二個測試段的剪切速率為0.05 s-1,數(shù)據(jù)點設(shè)置為100個，測試點時間設(shè)置為0.4 s；第三個測試段的剪切速率為0.05 s-1，數(shù)據(jù)點設(shè)置為100個,測試點時間設(shè)置為0.4 s，剪切應(yīng)變幅為100%。

振蕩剪切模式主要用于測試磁流變脂的儲能模量、損耗模量和磁流變效應(yīng)。將頻率定為2 Hz，在不同電流下測試儲能模量隨剪切應(yīng)變(0.01%～10%)的變化；將頻率定為5 Hz，剪切應(yīng)變設(shè)為0.05%，測試儲能模量和損耗因子隨電流(0～3 A)的變化，由儲能模量隨電流的變化得到磁流變脂的磁流變效應(yīng)。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 剪切應(yīng)力

剪切應(yīng)力是指在單位液層面積上施加的使各液層之間產(chǎn)生相對運動的外力，是衡量磁流變脂流變特性的一個重要參數(shù)。由圖1可以看出：在電流為0(零磁場)，1，3 A條件下，3種磁流變脂的剪切應(yīng)力均隨剪切速率的增加而增大，且相同剪切速率下，電流越大(磁場越強)，剪切應(yīng)力越大。施加磁場時，磁流變脂中的鐵磁顆粒會沿磁場方向排成有序的鏈狀，磁場越強，磁性鏈越穩(wěn)固，鏈狀顆粒之間發(fā)生相對運動的阻力越大。剪切應(yīng)力的施加方向垂直于磁場方向，即垂直于鏈狀結(jié)構(gòu)方向，磁場增強則顆粒之間需要更大的剪切應(yīng)力來克服相對運動的阻力而發(fā)生流動。在相同磁場下，隨著鐵磁顆粒含量的增加，剪切應(yīng)力增大。這是由于鐵磁顆粒含量越高，磁性鏈越強，使其發(fā)生流動所需的剪切應(yīng)力越大。在電流為3 A，剪切速率為100 s-1條件下，含60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)鐵磁顆粒磁流變脂的剪切應(yīng)力達到14 583 Pa，分別比含45%，30%鐵磁顆粒磁流變脂的提高了2.5倍和7.8倍。

圖1 不同電流下不同鐵磁顆粒含量磁流變脂的剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化曲線Fig.1 Curves of shear stress vs shear rate of magnetorheological greases containing different content of ferromagnetic particles under different currents

由圖2可以看出，經(jīng)初始磁化后，3種磁流變脂的剪切應(yīng)力均隨電流的增大先快速增大后趨于平穩(wěn)。鐵基非晶合金FeSiB軟磁顆粒具有高磁導(dǎo)率[9-10]，隨著電流增加，鐵磁顆粒之間的磁力先迅速增加，形成較強的鏈狀結(jié)構(gòu)，使得剪切應(yīng)力升高；但當(dāng)電流增大到一定程度后，鐵磁顆粒磁化飽和，磁力不再增大，剪切應(yīng)力趨于平穩(wěn)。

圖2 不同剪切速率下不同鐵磁顆粒含量磁流變脂的剪切應(yīng)力隨電流的變化曲線Fig.2 Curves of shear stress vs current of magnetorheological greases containing different content of ferromagnetic particles under different shear rates

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)單次循環(huán)剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線

剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線的滯回環(huán)面積表示磁流變脂吸收能量的能力[11]，反映了磁流變脂的阻尼特性。由圖3可以看出：3種磁流變脂的剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線的滯回環(huán)面積均隨電流或鐵磁顆粒含量的增加而增大，表明磁流變脂的阻尼特性隨著磁場的增強或鐵磁顆粒含量的增加而增大。

圖3 不同電流下不同鐵磁顆粒含量磁流變脂的單次循環(huán)剪切應(yīng)力-剪切應(yīng)變曲線Fig.3 Curves of single cycle shear stress-shear strain of magnetorheological greases containing different content of ferromagnetic particles under different currents

2.3 儲能模量

儲能模量是描述磁流變脂黏彈性行為的一個重要參數(shù)，可以表征磁流變脂抵抗變形能力的大小。由圖4可以看出，當(dāng)剪切應(yīng)變增大時，3種磁流變脂的儲能模量均先迅速降低后趨于平穩(wěn)。剪切應(yīng)變的增加加速了鐵磁顆粒之間鏈狀結(jié)構(gòu)的斷裂[12]，使得磁流變脂失去穩(wěn)定性，儲能模量降低。由圖5可以看出：隨著電流的增加，3種磁流變脂的儲能模量均先緩慢增大再快速增大，直到磁流變脂達到磁飽和平穩(wěn)狀態(tài)時趨于穩(wěn)定。在相同條件下，鐵磁顆粒含量越高，磁流變脂中形成的緊密連接磁性鏈越多，磁流變脂抵抗變形能力越強，儲能模量越大。當(dāng)剪切應(yīng)變?yōu)?.01%、電流為3 A時，含60%鐵磁顆粒磁流變脂的儲能模量達到2 199 600 Pa，分別為相同條件下含45%，30%鐵磁顆粒磁流變脂的2.0倍和10.7倍。這表明含60%鐵磁顆粒磁流變脂的儲能模量具有更廣的調(diào)節(jié)范圍。

圖4 不同電流下不同鐵磁顆粒含量磁流變脂的儲能模量隨剪切應(yīng)變的變化曲線Fig.4 Curves of storage modulus vs shear strain of magnetorheological greases containing different content of ferromagnetic particles under different currents

圖5 剪切應(yīng)變0.05%條件下不同鐵磁顆粒含量磁流變脂的儲能模量隨電流的變化曲線Fig.5 Storage modulus vs current curves of magnetorheological greases containing different content of ferromagnetic particles at 0.05% shear strain

2.4 損耗因子

損耗因子又稱損耗因數(shù)，為損耗模量和儲能模量的比值，反映了材料的阻尼特性[13-14]。一般而言，損耗因子越大，能量損耗越大，阻尼性能越好。由圖6可以看出，隨著電流的增加，磁流變脂的損耗因子迅速增大而后逐漸變小直至趨于平穩(wěn)。損耗因子與材料的能量耗散有關(guān)，由材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的相互作用決定[15]。磁流變脂的損耗模量主要取決于潤滑脂基質(zhì)與鐵磁顆粒之間的相互作用力，其數(shù)值等于相互作用力乘以滑移位移[16]。在施加磁場的初始階段，磁性鏈的形成提高了鐵磁顆粒與潤滑脂基質(zhì)之間的相互作用力，雖然此時滑動位移變小，但相互作用力增大，因此損耗因子增大，其阻尼也增大；隨著磁場的進一步增強，鐵磁顆粒和潤滑脂基質(zhì)之間的滑動位移因相互作用力的增強急劇減小，損耗模量減小，因此損耗因子減小。在磁場環(huán)境中，鐵磁顆粒的含量會影響損耗因子大小，其中含60%鐵磁顆粒磁流變脂損耗因子的變化范圍最大，這說明該磁流變脂具有良好的阻尼性能。

圖6 不同鐵磁顆粒含量磁流變脂的損耗因子隨電流的變化曲線Fig.6 Curves of loss factor vs current of magnetorheological greases containing different content of ferromagnetic particles

2.5 磁流變效應(yīng)

磁流變效應(yīng)是衡量磁流變脂性能的重要參量，在線黏彈范圍內(nèi)其計算公式[17]為

(1)

由圖7可以看出：3種磁流變脂的磁流變效應(yīng)均隨電流的增加而增大；在相同電流下，高鐵磁顆粒含量的磁流變脂具有更高的磁流變效應(yīng)。高含量鐵磁顆粒磁流變脂的鏈結(jié)構(gòu)更加緊密，同時施加的磁場改變了鐵磁顆粒之間的相互作用[18-19]，增大了彈性模量，因此高含量鐵磁顆粒的磁流變脂具有更高的磁流變效應(yīng)。

圖7 不同鐵磁顆粒含量磁流變脂的磁流變效應(yīng)隨電流的變化曲線Fig.7 Curves of magnetorheological effect vs current of magnetorheological greases containing different content of ferromagnetic particles

3 結(jié) 論

(1) 3種磁流變脂的剪切應(yīng)力均隨剪切速率的增加而增大，隨電流的增大先快速增大后趨于平穩(wěn)；相同條件下鐵磁顆粒含量越高，磁流變脂的剪切應(yīng)力越大。

(2) 3種磁流變脂的阻尼特性均隨電流的增大而增大，且相同條件下鐵磁顆粒含量越高，磁流變脂的阻尼特性越強。

(3) 隨著剪切應(yīng)變增大，磁流變脂的儲能模量均先迅速降低后趨于平穩(wěn)；相同條件下鐵磁顆粒含量越高，儲能模量越高；隨著電流增加，磁流變脂的儲能模量均先緩慢增大再快速增大最后趨于穩(wěn)定，損耗因子則迅速增加到最大值后逐漸變小直至趨于穩(wěn)定，磁流變效應(yīng)增強，且相同條件下鐵磁顆粒含量越多，磁流變效應(yīng)越強。