磁性液体流变特性及其对密封液体性能影响研究

发布时间：2020-03-24 02:57

【摘要】：磁性液体是一种新型磁敏智能材料。磁性液体在磁学、光学、声学和力学等方面表现出许多不可替代的特性,使其在航空、航天、化工、机械、医药等领域中有着广泛的应用,磁性液体流变学是这些应用的共同理论基础。近五十年来关于磁性液体流变特性的研究取得了大量的成果,但由于磁性液体内部在磁场下形成的各向异性结构极为复杂,该领域尚未能形成统一的微观理论模型。同时,宏观流变学实验缺乏系统性,亟待对不同实验方法取得的研究结果进行整合。即使在研究最充分的磁粘效应领域,被广泛采用的链状微观模型基于强烈的理想化假设,不能用于宏观流变实验结果的分析。在磁性液体粘弹性、触变性等复杂流变性方面,相关研究才刚刚起步,不同类型微观结构生成与破坏的机理并不明确。本文针对磁性液体不同类型微观结构导致的流变现象,制备了一系列不同基载液粘度和颗粒体积分数的磁性液体,根据磁性液体磁粘及复杂流变特性研究需求,提出新型实验测量方法并制定实验方案。系统研究了磁性液体在不同温度、磁场等条件下的稳态和动态力学响应,深入分析其微观演化机理。通过将磁性液体磁粘特性、粘弹性、触变性的理论与实验结果整合,拓展并加深了对磁性液体复杂流变特性的认识。采用不同模型对磁性液体流变特性进行描述,结合触变性提出一种磁性液体屈服应力的新定义方法。此外,通过研究粘度和磁粘效应对磁性液体密封液体介质性能影响,将磁性液体流变学理论与工程应用相结合。在磁性液体磁粘特性方面,将磁性液体微观模型与宏观动力学理论相结合,实验研究了氟碳化合物基磁性液体在不同温度、磁场、剪切速率条件下的磁粘效应。通过对不同剪切速率下磁性液体粘温曲线的分析,提出温度影响磁粘效应的两种微观机理,并设计实验展现了两种机理的转变过程。通过研究不同基载液粘度磁性液体在不同磁场下的磁粘系数、屈服应力、Masson数曲线等,发现高粘度基载液磁性液体具有更显著非牛顿性,提出基载液粘度可通过流体动力学作用影响磁性液体内部结构形态和运动方式。在磁性液体粘弹性方面,采用蠕变回复和小幅振荡剪切方法分别对磁性液体静态和动态粘弹性进行研究,分析颗粒体积分数、磁场、温度等不同因素对磁性液体粘弹性的影响。实验结果表明,颗粒体积分数超过3.74%的磁性液体在一定磁场强度下表现出线性粘弹特性,而体积分数为1.88%的磁性液体在任何磁场下均不具有线性粘弹特性。根据实验结果提出,磁性液体在小应变或应力下表现出的显著粘弹性由内部柱状结构的可逆取向变化和与测量夹具表面分离过程造成。基于应变速率频率叠加原理实验测得磁性液体完整的频率扫描模量曲线,证明磁性液体在不同时间尺度下具有不同的微观松弛机理。采用广义Burgurs模型对磁性液体粘弹性模拟,提出磁性液体在蠕变回复测试中产生比普通粘弹性流体更复杂的微观结构松弛过程。磁性液体屈服及触变性方面,通过静态和动态屈服应力测试、固定应力粘度分岔、滞后环测试、3阶段触变性测试等实验系统地研究了磁性液体的时间相关流变特性。将磁性液体的屈服与触变性相结合深入探究其共同的微观作用机理,即不同类型微观结构随时间发生生成和破坏。实验观测到不同应力、磁场强度、温度下磁性液体的粘度分岔现象,从触变性角度重新对磁性液体屈服应力进行定义。3阶段触变性实验结果表明,磁性液体内部链状和柱状结构的重建可以引起显著的触变恢复行为。根据磁性液体结构生成与破坏特点提出一种非线性结构模型,采用该模型对磁性液体时间相关流变特性进行模拟,结果表明该模型可以成功预测磁性液体的粘度分岔现象。磁性液体粘度对密封液体介质性能影响方面,搭建密封实验台并设计密封结构,实验研究不同基载液粘度磁性液体在不同转速、压力条件下的极限耐压能力和密封寿命,并结合流变学理论对分析磁性液体密封失效机理。实验结果表明磁性液体粘度是影响其密封液体介质性能的决定性因素之一。提出磁性液体粘度对密封界面不稳定性及密封膜损耗具有不同的影响机理,两种机理的影响程度共同决定了磁性液体密封液体介质的性能。本文的研究对磁性液体流变学实验方法与理论的完善有着重要意义,有利于磁性液体的定量化、精准化应用和调控。
【图文】：

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性液体中铁磁颗粒在基载液中的布朗运动足以抵消重力造成的沉降作用，并在无逡逑磁场条件下使铁磁颗粒均匀分散，因此在重力场、电场和磁场的作用下磁性液体逡逑仍能长期保持稳定。磁性液体具体组成如图１－１所示。磁性液体自发明５０多年来逡逑一直是学术界研究的热点，这来源于其物理特性的磁场可控性。磁性液体在无磁逡逑场作用时与普通流体相似，当外加磁场作用时表现出独特的力学、磁学、表面光逡逑学和声学等特性，因此，它具有很高的学术价值和广泛的应用前景ｍ。正如美国航逡逑空航天局２０１１年在其官方网站上指出：“磁性液体理论及其应用研宄是未来２０年逡逑最重要的研究领域之一。”逡逑＾邋２邋ｎｍ逡逑————逦１邋卜一＂）ｎｍ邋一Ｈ邋｛着逦■逡逑ｉ逦？－ｉ—４－逡逑逦邋．邋逦逡逑ｚ’逡逑鲁－＿逡逑磁怦颗粒逡逑图ｌ－ｌ磁性液体具体组成Ｍ４逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｓｐｅｃｉｆｉｃ邋ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｌｕｉｄ１９１４逡逑１逡逑

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注入体内的磁性液体与外部磁场相互作用，将化疗药剂高度集中在肿瘤组织逡逑附近，以最大限度地发挥其对癌细胞致死的作用，降低其对健康细胞的毒性破坏，逡逑基本原理如图１－４所示。逡逑—极靴逡逑－逡逑与药物结合的逦逦肿瘤逡逑ｓｍ邋液体逡逑｜逦ｙ逡逑动脉逡逑图１－４磁性靶向药物治疗原理Ｍ逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｔｈｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｄｒｕｇ邋ｔａｒｇｅｔｉｎｇ邋ｔｈｅｒａｐｙ邋１１９１逡逑磁热疗通过注射磁性颗粒进入肿瘤组织，在肿瘤区域施加高强度的交变磁场，，逡逑利用磁性颗粒磁滞效应产生热量，在杀死癌细胞的同时减少体温升高导致的系统逡逑性副作用。磁性液体在医学中应用共同的基础在于磁性颗粒在人体组织环境中的逡逑３逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB381

【参考文献】