磁流變液微結(jié)構(gòu)的形成與演化

磁流變液微結(jié)構(gòu)的形成與演化

1磁流變液微結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展磁浮液是目前智能材料研究的一個(gè)重要分支。磁流變液是由微米量級(jí)的磁性顆粒隨機(jī)分布于載液中形成的固液兩相懸浮液。在無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí),它具有良好的流動(dòng)性;而在磁場(chǎng)作用下,其特性可在毫秒級(jí)內(nèi)由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞腆w,具有一定的抵抗剪切屈服的能力;一旦撤去外磁場(chǎng),磁流變液特性又迅速恢復(fù)為牛頓流體特性。這些連續(xù)、迅速、可逆、易于控制且安全可靠的特點(diǎn),使磁流變液及其器件在車輛、橋梁、拋光技術(shù)、精細(xì)研磨等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。磁流變液的宏觀特性取決于其微結(jié)構(gòu)的形態(tài)及其變化,通過(guò)對(duì)微結(jié)構(gòu)及其演化的觀測(cè)研究,能夠更深刻地揭示磁流變液的力學(xué)機(jī)理。Skjeltorp觀測(cè)了兩玻璃板間的磁流變液微結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)磁流變液在磁場(chǎng)作用下呈鏈狀排列。Jolly等觀測(cè)了磁流變彈性體在磁場(chǎng)作用下的鏈狀結(jié)構(gòu),并提出了剪切屈服應(yīng)力的計(jì)算模型。Hong等采用光學(xué)顯微鏡對(duì)水平及垂直磁場(chǎng)下不同厚度的磁性液體膜進(jìn)行觀測(cè),討論了磁性液體自由表面的動(dòng)態(tài)變化特征,揭示了磁場(chǎng)分布、強(qiáng)弱及液膜厚度對(duì)自由表面形態(tài)的影響規(guī)律。沈輝等采用電子顯微鏡觀察并分析了Co-硅油基磁性液體的微結(jié)構(gòu)。Nishiyama等觀測(cè)了不同形狀的顆粒在磁場(chǎng)作用下的排列,發(fā)現(xiàn)針狀粒子不容易成鏈。Furst通過(guò)光學(xué)捕獲技術(shù),觀測(cè)了偶極子鏈的特性和鏈中缺陷在鏈變形過(guò)程中的變化,發(fā)現(xiàn)了材料微觀結(jié)構(gòu)的變化直接影響材料的宏觀流變響應(yīng)。尹林茂等和朱緒力等分別在顯微鏡下觀測(cè)了磁流變液和磁流變彈性體的微結(jié)構(gòu),但二者都不能清晰地觀測(cè)到顆粒鏈的形態(tài),無(wú)法為建立完善的物理模型提供更好的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。目前為止,還未見文獻(xiàn)述及磁流變液在剪切作用下的微結(jié)構(gòu)變化的實(shí)驗(yàn)研究。因此,深入研究磁流變液在靜磁場(chǎng)和剪切作用下微結(jié)構(gòu)的形成與演化,對(duì)分析影響磁流變液特性的影響因素及其作用機(jī)理,優(yōu)化磁流變液的微結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)高性能磁流變液十分必要。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法,分別對(duì)靜磁場(chǎng)和剪切作用下磁流變液的形成與演化進(jìn)行了研究。在靜磁場(chǎng)中,分析了顆粒體積分?jǐn)?shù)和磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)磁流變液微結(jié)構(gòu)的影響;在剪切實(shí)驗(yàn)中,成功地捕捉到了磁流變液中顆粒鏈從形成→拉伸→斷裂→重組的動(dòng)態(tài)過(guò)程。為深入研究磁流變液的力學(xué)機(jī)理以及改進(jìn)磁流變液的性能提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料2.1納米級(jí)顆粒的顆粒制備實(shí)驗(yàn)中所選用的磁流變液由鐵磁性顆粒和甲基硅油混合而成。磁流變液中磁性顆粒直徑一般在0.1~100μm范圍內(nèi),但典型顆粒尺寸為0.5~10μm,為了能在現(xiàn)有體視顯微鏡下獲得在磁-力載荷的作用下鐵磁性顆粒的微結(jié)構(gòu)及其演化的清晰圖像,本文選取的幾何形狀較好尺寸相近的微米級(jí)顆粒(上海凱岐機(jī)械設(shè)備有限公司)如圖1所示,其粒徑分布在85~145μm之間,概率最高的顆粒直徑在120~130μm之間,所有磁性顆粒的平均粒徑為120μm。盡管顆粒尺寸較磁流變液中常用的顆粒尺寸有差距,但它可提供微結(jié)構(gòu)及其演化的清晰圖像,并可能提供一些盡可能接近于實(shí)際的有用的微結(jié)構(gòu)及其演化的信息。采用上述顆粒制備了體積分?jǐn)?shù)分別為1%,2%,5%和10%4種磁流變液樣品。實(shí)驗(yàn)時(shí),用玻璃棒將待觀測(cè)的磁流變液樣品攪勻,取1~2滴到載玻片上,蓋上蓋玻片,另取一載玻片蓋在蓋玻片上,輕輕擠壓兩片載玻片使液滴充分展開,固定兩片載玻片,形成靜態(tài)觀測(cè)玻片樣本。2.2sz線/msz1tc成像系統(tǒng)磁流變液靜態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置主要用于觀測(cè)靜磁場(chǎng)下磁流變液的微結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。該裝置由奧林巴斯三目變焦體視顯微鏡SZ61TRC(物鏡連續(xù)可調(diào)倍數(shù)6.7~180)、MD20數(shù)碼成像系統(tǒng)、靜態(tài)觀測(cè)裝置、光源和計(jì)算機(jī)組成。磁場(chǎng)由永磁鐵提供,通過(guò)改變永磁鐵的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)觀測(cè)區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)時(shí),將觀測(cè)玻片置于永磁鐵間,通過(guò)MD20成像系統(tǒng)記錄顯微鏡下磁流變液的微結(jié)構(gòu),然后將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)并保存。2.3磁流變液通道內(nèi)的磁流液設(shè)立磁流變液剪切實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。該裝置由剪切系統(tǒng)和成像系統(tǒng)兩部分組成。剪切系統(tǒng)主要為磁場(chǎng)作用下的磁流變液提供剪切作用,使其微結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。其工作原理為將磁流變液置于由上下玻板形成的磁流變液通道中,在通道后側(cè)放置擋板,擋板與前側(cè)的運(yùn)動(dòng)帶形成剪切機(jī)構(gòu)。在擋板和運(yùn)動(dòng)帶(亦稱極板)的內(nèi)側(cè)均涂覆鐵磁性顆粒已確保其與磁流變液鐵磁性顆粒的良好結(jié)合。在擋板和運(yùn)動(dòng)帶的外側(cè)置永磁鐵以在磁流變液通道中形成靜磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度由高斯計(jì)測(cè)得。通過(guò)單片機(jī)發(fā)送脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī),帶動(dòng)帶輪旋轉(zhuǎn),運(yùn)動(dòng)帶與擋板間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),使通道中的磁流變液發(fā)生剪切變形,宏觀剪切應(yīng)變率可由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。在磁場(chǎng)和力場(chǎng)作用下磁流變液微結(jié)構(gòu)的變化由上置的奧林巴斯三目變焦體視顯微鏡SZ61TRC和MD20數(shù)碼成像系統(tǒng)記錄并儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中。3靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和分析3.1顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)磁流變液微結(jié)構(gòu)的影響圖4(a)和(b)分別為體積分?jǐn)?shù)φ=2%的磁流變液在無(wú)磁場(chǎng)(B=0)和磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.049T的磁場(chǎng)作用下的顯微鏡照片。B=0時(shí),磁性顆粒隨機(jī)分布于載液中,且磁流變液具有一定的流動(dòng)性(圖4(a))。B=0.049T時(shí),磁流變液的形態(tài)發(fā)生明顯變化,磁性顆粒沿磁場(chǎng)方向緊密排列,形成鏈狀結(jié)構(gòu),見圖4(b)。此時(shí)磁流變液中大致存在4種形態(tài)的顆粒鏈:(1)通鏈:貫通圖片寬度方向(或鏈接前后兩極板)的完整顆粒鏈;(2)支鏈:起始于圖片的一端,而終止于圖片中某一位置,但未貫通圖片的顆粒鏈(或起于某極板但未鏈接另一極板的顆粒鏈);(3)孤立鏈:兩端都未與極板鏈接,漂浮于載液中的顆粒鏈;(4)束鏈:它由顆粒鏈聚集而成,圖4(b)中的束鏈?zhǔn)怯蓛蓷l孤立鏈聚集而成。磁流變液由于磁性顆粒鏈狀結(jié)構(gòu)的存在,其流動(dòng)性降低或剪切變形抗力增加。磁流變液在磁場(chǎng)作用下之所以能夠成鏈狀結(jié)構(gòu),是因?yàn)榇判灶w粒在磁場(chǎng)中被磁化成為偶極子,偶極子之間相互吸引使磁化顆粒沿磁場(chǎng)方向聚集成鏈狀,這種聚集狀態(tài)能夠保證在所給的磁感應(yīng)強(qiáng)度下系統(tǒng)內(nèi)能最小化,即在外磁場(chǎng)作用下,磁性顆粒聚集成鏈狀結(jié)構(gòu)能夠降低系統(tǒng)的能量從而使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性。為研究顆粒體積分?jǐn)?shù)φ對(duì)磁流變液微結(jié)構(gòu)的影響,實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)分別為1%,2%,5%和10%的磁流變液在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.064T下的微結(jié)構(gòu)。其顯微鏡照片如圖5所示,圖片范圍為9mm×7mm。從圖5可見,顆粒體積分?jǐn)?shù)φ≤2%時(shí)(如圖5(a)-(b)所示),磁流變液的微結(jié)構(gòu)為相互獨(dú)立的鏈,顆粒體積分?jǐn)?shù)為1%時(shí)(圖5(a)),視場(chǎng)范圍內(nèi)的通鏈只有1條,同時(shí)存在支鏈和孤立鏈,顆粒鏈間的平均距離約為2.25mm。顆粒體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)(圖5(b)),視場(chǎng)范圍內(nèi)的通鏈數(shù)增加到5條,此時(shí)支鏈數(shù)減少且少有孤立鏈存在,顆粒鏈間的平均距離約為1.8mm。當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)增加到5%時(shí),視場(chǎng)范圍內(nèi)的通鏈數(shù)繼續(xù)增加(8條),同時(shí)部分顆粒鏈聚集在一起形成束鏈結(jié)構(gòu),顆粒鏈間的平均距離減少為約1.1mm。而顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí),顆粒鏈多以束鏈的形式存在,顆粒鏈之間相互交聯(lián)在一起,為進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)比,在圖中假設(shè)幾條貫通寬度方向的直線,然后數(shù)出與直線相交的顆粒鏈的數(shù)量,由此可得到顆粒鏈平均間距為0.82mm。在相同感應(yīng)強(qiáng)度下,相同視野范圍內(nèi),并且忽略長(zhǎng)度小于圖片高度一半的鏈,磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)與顆粒鏈數(shù)的關(guān)系如圖6(a)所示,隨φ的增加,顆粒鏈的條數(shù)逐漸增加;磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)與顆粒鏈間距的關(guān)系如圖6(b)所示,隨著磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加,顆粒鏈之間的間距逐漸減小。磁性顆粒在磁場(chǎng)中磁化形成偶極子,偶極子間相互作用從而形成鏈狀結(jié)構(gòu)。由于隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大,顆粒密度增加,顆粒在相同面積內(nèi)受到其它顆粒的相互作用增大,從而使顆粒鏈的數(shù)目增多,顆粒鏈間距隨之減小。當(dāng)φ≤2%時(shí),顆粒鏈之間的間距較大,相鄰鏈之間的相互作用較小,不能引起鏈之間的相互運(yùn)動(dòng),因此磁流變液的微結(jié)構(gòu)為相互獨(dú)立的鏈且存在孤立鏈。隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增大,顆粒鏈之間的間距減小,相鄰鏈之間的相互作用增大,顆粒鏈間發(fā)生相互運(yùn)動(dòng),因此會(huì)出現(xiàn)顆粒鏈的聚集,交聯(lián)(圖5(c)和(d))。3.2磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)磁鏈間距的影響為研究磁感應(yīng)強(qiáng)度B對(duì)磁流變液微結(jié)構(gòu)的影響,實(shí)驗(yàn)以磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)為5%的磁流變液為例,在磁感應(yīng)強(qiáng)度B分別為0.025,0.049,0.075和0.115T的磁場(chǎng)下觀測(cè)了磁流變液的微結(jié)構(gòu)。其顯微照片見圖7。從圖7可見,相同體積分?jǐn)?shù)下,B較小時(shí),磁流變液中的通鏈數(shù)較少且鏈長(zhǎng)較短,顆粒鏈多以孤立鏈和支鏈的形式存在,但此時(shí)也存在束鏈,如圖7(a)所示。隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加,顆粒鏈之間的相互作用力增大,顆粒鏈相互聚集,鏈的平均長(zhǎng)度增加,孤立鏈的數(shù)量減少,束鏈增多,鏈間的距離增大,如圖7(b)所示。繼續(xù)增加B,如圖7(c)所示,孤立鏈完全消失,顆粒鏈由于相互吸引而出現(xiàn)顆粒鏈的交聯(lián)。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較大時(shí),顆粒鏈幾乎全部貫通圖片,且都以束鏈的形態(tài)存在,如圖7(d)所示。定義長(zhǎng)度大于圖片高度一半的鏈組成的束鏈與總鏈數(shù)的比值為聚合度。在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下,計(jì)算顆粒體積分?jǐn)?shù)為5%的樣品聚合度如圖8(a)所示,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度較低時(shí)(0.025T),顆粒鏈的聚合度也大于0,說(shuō)明此時(shí)也存在顆粒鏈的聚集(圖7(a)),隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加,顆粒的磁化強(qiáng)度增大,相同間距顆粒鏈之間的相互作用力增大,顆粒鏈相互聚集使鏈增長(zhǎng),聚集度增大(圖7(b)-(c))。研究表明,磁性顆粒在磁場(chǎng)作用下會(huì)先聚集并沿磁場(chǎng)方向排列成鏈,然后由于顆粒鏈之間的作用力而相互連接和聚合,使顆粒鏈變長(zhǎng)變粗。磁感應(yīng)強(qiáng)度與顆粒鏈間距的關(guān)系如圖8(b)所示,隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大,顆粒鏈之間的間距逐漸增大。這是由于顆粒鏈相互聚集形成束鏈,顆粒鏈數(shù)減少,因此顆粒鏈間的距離增大。4磁流變液中顆粒單鏈斷鏈運(yùn)動(dòng)規(guī)律為了更好地研究磁流變液在工作狀態(tài)下的力學(xué)性能,本文以顆粒體積分?jǐn)?shù)為1%的磁流變液作為樣本,拍攝了在剪切作用下,磁流變液微結(jié)構(gòu)的變化過(guò)程。外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.102T,拍攝時(shí)采用自動(dòng)捕捉模式,時(shí)間間隔為t=1s。為了防止在剪切過(guò)程中,顆粒鏈發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),分別將粘滿磁性顆粒的兩片電工純鐵固定在上下極板上。拍攝結(jié)果如圖9所示,圖中為上極板固定,下極板向右運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)速度v≈0.74mm/s。從圖9可見,在初始時(shí)刻,磁流變液在外加磁場(chǎng)的作用下,沿著磁場(chǎng)方向形成穩(wěn)定的鏈狀結(jié)構(gòu),如圖9(a)所示,視場(chǎng)范圍內(nèi)的鏈狀結(jié)構(gòu)基本為顆粒單鏈且分布均勻。當(dāng)下極板開始向右運(yùn)動(dòng)時(shí),顆粒鏈發(fā)生傾斜并被拉長(zhǎng),與磁場(chǎng)方向夾角為θ,隨著下極板繼續(xù)運(yùn)動(dòng),θ角逐漸增大,由于顆粒間相互作用力的關(guān)系,顆粒鏈仍然保持傾斜狀態(tài)。當(dāng)θ角達(dá)到一定值后,顆粒鏈即將發(fā)生斷裂,即在顆粒鏈上某一位置的顆粒間產(chǎn)生間隙,但由于顆粒間的吸引力較大,顆粒鏈繼續(xù)保持拉伸的傾斜狀態(tài),如圖9(b)所示。當(dāng)下極板繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)時(shí),顆粒鏈間隙逐漸增大導(dǎo)致顆粒之間的吸引力逐漸減小,當(dāng)顆粒間的吸引力不足以維持顆粒鏈拉伸傾斜狀態(tài)時(shí),顆粒鏈發(fā)生斷裂,如圖9(c)所示,此時(shí)由于斷鏈處失去顆粒間的相互吸引作用,斷鏈部分發(fā)生回彈,即斷鏈與磁場(chǎng)方向夾角θ減小,并趨于磁場(chǎng)方向。隨后與下極板相連的斷鏈將隨著下極板一起向右運(yùn)動(dòng),當(dāng)下極板斷鏈與其右側(cè)上極板斷鏈距離較近時(shí),由于顆粒間的相互吸引,兩條斷鏈發(fā)生重組形成新的顆粒鏈,如圖9(d)所示。磁流變液剪切變形過(guò)程中,其微結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程主要分為以下4個(gè)步驟:成鏈、拉伸傾斜、斷裂和重組,可以設(shè)想,磁流變液的剪切過(guò)程就是鏈的形成→拉伸→斷裂→重組→拉伸…的循環(huán)過(guò)程,當(dāng)這個(gè)過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),磁流變液抵抗宏觀剪切的能力也趨于穩(wěn)定。5磁流變液的微觀過(guò)程通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別觀測(cè)了磁流變液在靜磁場(chǎng)和剪切過(guò)程中其微結(jié)構(gòu)的形成與演化。在靜磁場(chǎng)下分析了磁性顆粒體積分?jǐn)?shù)和外加磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)磁流變液微結(jié)構(gòu)的影響,研究表明,在相同磁感應(yīng)強(qiáng)度下,隨著體積分?jǐn)?shù)的增加,顆粒鏈的條數(shù)逐漸增加,顆粒鏈間距逐漸減小,當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)較大