第33卷第5期 西 南 大 学 学 报 (自然科学版) 2011年5月

Vol.33 No.5 JournalofSouthwestUniversity(NaturalScienceEdition) May 2011

文章编号:1673 9868(2011)05 0155 06

静磁场下磁流变液微结构演化的实验研究①

尹林茂, 范智超, 孟 媛, 易成建, 彭向和

重庆大学 工程力学系,重庆400044

摘要:设计了一套静磁场下磁流变液微结构演化观测装置,装置采用奥林巴斯三目体视显微镜进行观测,经由高

分辨率光学成像装置记录了磁流变液的微结构演化过程,实验分别研究了不同颗粒体积分数和外加磁感应强度下

的磁流变液微结构变化,得到了一些有意义的结果.根据Li等建立的模型,从颗粒的相互作用出发,分析颗粒所

受的磁力、接触时所受的排斥力和运动时的粘性阻力,模拟了二维状态下磁性颗粒的成链演化过程,得到了与实验

观测比较吻合的结果.关 键 词:磁流变液;微结构;实验观测

中图分类号:TB303;TB34 文献标志码:A

磁流变液(MagnetorheologicalFluids,简称 MRF)属可控流体,为一种新兴的智能材料,是当前智能

材料研究的一个重要分支.磁流变液是由微米量级的铁磁性颗粒悬浮于载液(如硅油等)中形成的一种固液

两相材料,在无外磁场作用时,其具有良好的流动性,而在强磁场作用下,磁流变液可在毫秒级时间内连

续、可逆地转变为具有高粘度、低流动性的Bingham体.正是磁流变液的这种连续、可逆、迅速和易于控

制的特性且安全可靠、低耗高效的特点,使得磁流变液装置能够成为电气控制与机械系统间简单、安静而

且响应迅速的中间装置.磁流变液的微结构形态及其变化决定其宏观特性,通过对微结构及其变化的观察研究,更能深刻的揭

示磁流变液的力学机理.Hong等[1]人曾采用光学显微镜对水平及垂直磁场下不同厚度的磁性液体液膜进

行观察,讨论了磁性液体自由表面的动态变化特征,揭示了磁场分布、强弱及液膜厚度对自由表面形态的

影响规律;沈辉等[2]采用电子显微镜观察和分析了Co 硅油基磁性液体的表面形貌和纳米颗粒分布变化特

征;Jolly等[3]采用“冻结”的方法,将磁性颗粒散布在橡胶里,加上外加磁场后,观测到磁流变液的链状结

构;由于实验观测的困难,Li[4]和 Mohebi[5]等借助数值模拟的方法,模拟了磁场作用下磁流变材料链状微

结构形成的过程.目前许多国家的政府部门、科研机构、大学、公司都投入了大量的人力物力开展这方面

的研究工作,并且已经推出了一些商业化的产品,但是由于目前的磁流变液在技术指标上还不能充分满足

实际需要,使得磁流变技术的应用推广受到限制.为了解决这个问题,必须深入细致地了解磁流变的机理.目前国际上有比较统一的观点,认为剪切阻力来源于颗粒在外磁场诱导下极化而形成的链状、柱状以及网

状结构,但是对这些结构的形成与演化,还缺乏全面的认识.本文通过实验对外加匀强磁场作用下的磁流变液微结构的形成与演化进行了研究,利用体视显微镜观

测和高分辨率数码成像装置记录了不同体积分数和磁感应强度下的磁流变液的微结构形态.在实验观测的

基础上,根据Li[4]等建立的模型,考虑颗粒运动时所受到的主要因素,建立动力学模型,模拟了磁场作用

下磁流变液链状微结构形成的过程,为今后研究磁流变液的主要性能以及为磁流变液的工程实际应用打下

① 收稿日期:2010 11 15基金项目:国家自然科学基金资助项目(10872220);国家大学生创新性实验资助项目(091061133).作者简介:尹林茂(1989 ),男,湖南邵阳人,在读本科生,主要从事智能材料研究.

坚实的基础.

1 实验观测

1.1 实验装置

实验装置包括两大部分:磁流变液微结构演化发生装置以及观测装置.发生装置如图1中虚线部分所

示,两块平行透明玻璃板(TransparentGlass-TG)构成长为75mm,宽为25mm,间隙为6mm的小槽,将

磁流变液注入间隙中,每块玻璃板的外侧用固定挡板隔开两块永磁体,其中间区域磁场可视为均匀分布.观测装置为奥林巴斯三目体视显微镜SZ61TRC(物镜连续可调倍数0.67~4.5),通过MD20高分辨率数码

成像装置记录显微镜下发生的现象,然后将所得数据送入计算机进行图像处理.

图1 实验装置示意图

1.2 样品描述

本次实验采用实验室自制的磁流变液,以

表面处理后的羰基铁粉为原料,采用基液置换

法,将羰基铁粉、表面活性剂、无机触变剂和

无水乙醇按一定的比例混合,通过机械高速分

散、真空干燥、过筛等手段进行铁磁性颗粒的

制备,再将所得的颗粒按一定体积比与二甲基

硅油、抗氧化剂和抗磨剂混合,在球磨仪上球

磨一定时间,最后得到铁磁性颗粒体积分数为

5%、10%、15% 的3种磁流变液样品.实验

时,将样品搅拌均匀,取出少许置于观测小槽中.1.3 观测结果及讨论

本次观测的光源均采用透射光源进行观测,所得图中黑色部分为铁磁性颗粒,灰白色部分为载液.选

用放大倍数为4.5的物镜观察微结构,通过数码成像装置在计算机上成像,放大倍数为180倍.1)磁流变液的流变特性

施加的磁感应强度为360Gs,选用体积分数为5%的 MRF进行观测,观测结果如图2所示.

图2 磁场作用下的磁流变液微结构演化

从图2中可以看出,对于由微米量级铁磁性颗粒组成的磁流变液,在180倍的放大倍数下可以较清晰

地观测到铁磁性颗粒及其颗粒团,对于5%的磁流变液,铁磁性颗粒基本上均匀地分布在一层,所得的图

像也比较清晰.在无外加磁场时(图2a所示),铁粉颗粒无规则地分布于载液中,并且可以发现其具有很好

的流动性;将磁流变液置于磁场中,在较小磁场下磁流变液即会发生变化(图2b所示),铁磁性颗粒紧密有

序地排列在一起,沿磁感线方向形成了鲜明的链状结构,同时颗粒的聚合形式除了贯穿两平行板间的通链

外,还存在支链以及游离于载液中的孤立链或粒子团.2)磁场对磁流变液微结构的影响

651 西南大学学报(自然科学版) http://xbbjb.swu.cn 第33卷

为了观测磁场对磁流变液微结构的影响,实验选取体积分数为10%的磁流变液,通过施加不同强度的

磁场,可以得到如图3所示的一组微结构图片.

图3 不同磁感应强度下的磁流变液微结构特点

从图3可以看出,在不同的磁场作用下,磁流变液均被链化.通过对比可以看出,随着磁感应强度的

增大,磁链的微结构也有所差异.图3a中链状结构分布较均匀,以细长链为主;随着磁场的增强,如图3b所示,链逐渐变粗,链与链之间的相互作用也逐渐明显;在同一视场下观察图3c,可以看出,链状结构明

显变粗,链与链之间形成了明显的网状结构.综上所述,随着磁场的变化,磁流变液内部的铁磁性颗粒形

成的微结构也有所变化,由一开始的无规则分布转化为规则排列的链状结构,逐渐转变为较粗的柱状和网

状结构.可见磁场是影响磁流变液微结构形态的一个重要因素.3)体积分数对磁流变液微结构的影响

为了说明体积分数φ对磁流变液微结构的影响,实验观测同一磁场下不同体积分数磁流变液的微结构

形态,选用所测区域磁感应强度为840Gs,通过数码成像装置记录了如图4所示的一组图片.

图4 不同体积分数下的磁流变液微结构特点

从图4中可以看出,体积分数较小时(图4a),铁磁性颗粒沿磁感线方向形成的链状微结构以细长链为

主,链与链之间的间隔比较稀疏;随着颗粒体积分数的增加(图4b),链状微结构逐渐变粗变密,同时链与

链之间的作用明显增强,形成了柱状和网状结构;当体积分数进一步增大后(图4c),链间的间隙进一步变

小,逐渐形成致密的网状结构,当体积分数达到一定比例时,间隙距离超过临界值,透射光将很难穿过,链

与链之间的这种致密网状结构将更加明显.综上所述,随着磁流变液体积分数的增加,磁流变液的链状结

构逐渐向柱状以及网状结构演变,同时磁流变液的流动性降低,状态由先前的粘性流态转化为类固态.可

见体积分数也是影响磁流变液微结构形态排列分布规律的一个重要因素.

2 微结构演化的数值模拟

磁流变材料的特性研究主要集中在力学行为与各种影响因素关系的描述,通过建立分析模型可以描述

磁流变材料的屈服应力、表观粘度、动态剪切应力等[6].在磁流变效应的机理解释方面,主要是相变理论

和场致偶极矩理论[7].外加磁场下颗粒磁化为偶极子,其相互作用导致微观结构的形成,最终形成沿磁场

方向排列的链状聚集体.根据Li[4]等建立的数值模型,采用数值模拟的方法研究了磁流变液的成链过程,考虑颗粒运动时所受到的磁力、排斥力和粘性阻力,建立动力学模型,模拟了磁场作用下磁流变液链状微

结构形成的过程.

751第5期 尹林茂,等:静磁场下磁流变液微结构演化的实验研究

2.1 动力学模型

由磁性物理学知识,磁场强度 H 和磁感应强度B 之间存在关系

B=μ0(H+M) (1)其中μ0 为真空磁导率,χ为磁化率,磁化强度M=χH.

假设磁流变材料中的固体铁磁性颗粒为圆球状,大小一致,其半径为a,载液不可磁化,颗粒被磁化后

产生的磁矩为[8]

m=VM =43πa3χH (2)

式中V 是单个颗粒的体积.颗粒j在颗粒i处产生的磁感应强度为

Bj=- μ04πr3ij

mj+3μ04πr5ij(mj·rij)rij (3)

其中rij 表示两颗粒i和j之间相对位置的矢量,指向i,rij=║rij ║.外加磁场不强时,忽略颗粒被磁化后

产生的磁场使周围的颗粒磁化,颗粒i受到的磁场作用力为[9]

Fm =m·▽B=∑j≠i

3μ04πr5ij

(mi·mj-5mirmjr)rij +3μ04πr4ij(mirmj+mjrmi

é

ëêê

ù

ûúú) (4)

B0 为外加磁场的磁感应强度,mir 和mjr 分别表示磁矩mi 和mj 沿rij 方向的分量.基于分子动力学原理,颗粒之间的碰撞通过引入一排斥力Fr 来描述[10].

Fr=∑j≠i

F0exp -βrij

2a-æ

èç

ö

ø÷

é

ëêê

ù

ûúú1 r∧ij (5)

其中r∧ij 为沿颗粒中心连线方向的单位矢量.

从方程(4)可以看出,当两个颗粒沿磁场方向排列且恰好接触时,颗粒之间的磁相互作用力最大,由此

时颗粒受力平衡可以确定F0 的取值:

F0= 3μ0m2

2π(2a)4(6)

球形颗粒在载液中运动时还要受到液体的粘性阻力Fv,在静态不可压流体中,当颗粒速度不是很大

时,由Stokes阻力公式[11],有

Fv=-6πaηdrdt

(7)

式中η为液体的粘性系数.

若液体处于二维流动状态,设液体的剪切速率为γ·,则方程(7)可以改写为[12]

Fv=-6πaηdrdt-yγ

·Xæ

èç

ö

ø÷

∧ (8)

其中X∧

为x 方向的单位矢量.设颗粒质量为P,由牛顿第二定律可建立其动力学方程

Pd2rdt2 =Fm +Fr+Fv (9)

2.2 二维区域内磁流变材料微观结构的模拟

基于上面的动力学模型,同时借鉴分子动力学和离散元方法在数值分析方面的优点,采用Verlet速度

迭代法、元胞搜索法和变时间步长等加速技巧,模拟了铁磁颗粒在二维状态下的微观结构形态.假设模拟

区域为二维情况,模拟区域的厚度等于颗粒直径,图5模拟了外加磁场作用下磁流变液的链化过程,模拟

参数的取值如表1所示.表1 模拟参数的取值

参数 NL/

μmW/

μmR/

μmμ0/

(H·m-1)ρ/

(kg·m-3)η/

(Pa·s-1)H/

(kA·m-1)χ

rc/

μm取值 600 600 200 5 4π×10-7 7.5×103 0.001 35 1 30

851 西南大学学报(自然科学版) http://xbbjb.swu.cn 第33卷

图5 外加磁场作用下磁流变液的链化过程

根据模拟的结果可知,在外磁场的作用下,颗粒被磁化为磁偶极子,由于它们之间及其粒子与载液之

间的相互作用,颗粒开始运动,粒子从无序到有序逐渐变化,形成沿磁场方向的通链、支链以及游离于载

液中的孤立链或粒子,模拟结果与前面的实验观测吻合良好.

3 结 论

本文设计了一套静磁场下磁流变液微结构演化观测装置,通过实验对外加匀强磁场作用下的磁流变液

微结构的形成与演化进行了研究,得到了不同颗粒体积分数和外加磁感应强度下的磁流变液微结构变化特

点,对进一步的理论研究有一定的参考价值.在实验观测的基础上,根据Li等[4]建立的模型,考虑颗粒运

动时所受到的主要因素,建立动力学模型,模拟了磁场作用下磁流变液链状微结构形成的过程,为分析磁

流变液的宏观特性提供思路,对改善和优化磁流变液的性能和设计高性能磁流变液具有指导意义.

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1-9.

ExperimentalInvestigationoftheEvolutionofMicrostructureinMagnetorheologicalFluidsunderaStaticMagneticField

YINLin-mao, FANZhi-chao, MENG Yuan,YICheng-jian, PENGXiang-he

DepartmentofEngineeringMechanics,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China

Abstract:Adeviceisdesignedfortheobservationoftheevolutionofmicrostructureinmagnetorheologicalfluids(MRFs)underastaticmagneticfield.TheevolutionofmicrostuctureinMRFsisrecordedwithahigh-resolutionopticaldeviceofOlympusZoomStereomicroscope.ChangesinthemicrostructureofMRFsunderdifferentvolumetricfractionsofparticlesandappliedmagneticintensityaremonitoredandsomesig-nificantresultsareobtained.BasedonthemodelproposedbyLietal,anumericalsimulationisper-formed,makinguseofparticledynamicsandtakingintoaccounttheeffectsofmagneticforce,viscousforceandrepellingforce,inwhichtheformationofparticle-chainsinMRFsunderanappliedmagneticfieldissimulatedandthemainfeaturesofthemicrostructurescanbesatisfactorilyreplicated.Keywords:magnetorheologicalfluid;microstructure;experimentinvestigation

责任编辑 汤振金

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