潤滑劑對磁流變液屈服應力的影響

李玉青, 羅一平， 王 瑩， 駱 佼， 仇 俊

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201620)

磁流變液是一種智能材料，零磁場時表現為牛頓流體性質，但在磁場激勵下會出現連續的、無級的可逆變化，呈現出類固體的性質。得益于這種獨特的磁流變性能，該材料在許多領域均有廣泛應用[1-6]。其主要構成包括磁性顆粒、基礎液及添加劑3部分，磁性顆粒是磁流變液性能體現的主體，基液作為載體承載磁性顆粒，添加劑的加入可以改善、優化和升級磁流變液的整體性能，包括提高屈服應力等流變學特性。姚金光等[7]分別測試了石墨、硼酸三丙酯、四硼酸鈉和四硼酸鉀等4種潤滑添加劑對磁流變液摩擦磨損性能的影響，結果顯示四硼酸鈉的減摩抗磨效果最優。胡志德等[8]研究了不同類型的固體潤滑劑對磁流變液摩擦性能的影響，結果表明,無機層狀結構類固體潤滑劑和高分子化合物類固體潤滑劑的加入均能有效地改善磁流變液的潤滑性能。劉奇等[9]復合使用觸變劑與表面活性劑，并加入適當的固體潤滑劑合成了一種穩定性和潤滑性能良好的磁流變體材料,發現該類材料半個月內無明顯沉降,無板結情況。Ma等[10]通過合成2種含磷和含硫的磷酸鹽化合物并將其作為水基潤滑添加劑在四球試驗機上研究其摩擦學性能，結果表明，這種潤滑添加劑能有效地降低摩擦磨損。以上對潤滑劑的研究大多只關注了潤滑劑的加入所帶來的最直接的影響，即可以改變磁流變液的摩擦學性能，而對其可以減緩顆粒沉積速度，提高沉降穩定性，進而影響磁流變液發生剪切時的屈服應力研究相對較少；而且許多試驗都只是針對新配置的磁流變液進行研究和測試。文中，課題組研究了潤滑劑的加入對磁流變液的終端影響(即對屈服應力的影響)，并對磁流變液在整個沉降周期內的剪切屈服應力進行了測量。

1 磁流變液樣品制備

常見的磁流變液添加劑主要有表面活性劑、潤滑劑及觸變劑等，課題組重點研究潤滑劑對其剪切屈服應力的影響。

課題組選取的制備磁性顆粒的材料為5 μm粒徑的羥基鐵粉，基礎液為二甲基硅油，其在常溫、零磁場下的黏度為0.001 m2/s。為保證試驗時可以對潤滑劑進行單一變量分析，所有磁流變液配方均用十二烷基苯黃酸鈉作為表面活性劑，用二氧化硅作為觸變劑。根據相關研究[11]，當磁性顆粒的質量分數在66%～76%之間，各添加劑的總體質量分數在0.5%～2.0%之間時，磁流變液的整體性能可以達到較優的水平。課題組配制的磁流變液樣品磁性顆粒的質量分數為70.2%；所有添加劑的總質量分數控制在1.8%，其中表面活性劑的質量分數為0.8%，觸變劑質量分數為0.5%。然后，借助實驗室的球磨機、干燥箱和攪拌器等設備及儀器，經歷一次研磨、干燥、二次研磨、成品等過程，設計出一系列磁流變液配方。制備流程如圖1所示。表1為滿足不同試驗要求而設計的不同配方的磁流變液。

圖1 磁流變液制備流程圖Figure 1 Flow chart of magnetorheological fluid preparation

表1 基于不同潤滑劑的磁流變液配方設計

2 不同潤滑劑對磁流變液屈服應力的影響

課題組分別測試含有石墨、二硫化鉬、氮化硼、氫化蓖麻油和聚四氟乙烯等5種潤滑劑的磁流變液在靜置沉降過程中剪切屈服應力變化情況；依據所得的沉降時間-剪切屈服應力變化曲線，分析屈服應力的變化特點，評價不同潤滑劑對磁流變液剪切屈服應力的影響程度。課題組自主設計了磁流變液剪切屈服應力測試平臺用于屈服應力的測試，該測試裝置的系統圖及裝置的實物如圖2所示。

圖2 磁流變液剪切屈服應力測試平臺Figure 2 Shear yield stress test platform of magnetorheological fluid

2.1 單一潤滑劑對屈服應力的影響

為使試驗數據更具代表性同時增強試驗結果的對比效果，課題組利用該測試平臺分別測試了5種配方，即表1中編號為1，2，3，4和5的配方；在3種磁感應強度分別為0.21，0.40和0.50 T下的剪切屈服應力變化情況，進而判斷不同潤滑劑對屈服應力的影響程度。試驗時，讓磁流變液靜置沉淀36 d，每3 d測試一組數據，不同潤滑劑的磁流變液的剪切屈服應力對比結果如圖3所示。

圖3 不同磁場下各配方剪切屈服應力變化曲線Figure 3 Variation curves of shear yield stress of various formulations under different magnetic fields

對比分析圖3中(a)，(b)，(c)可知：

1) 在3種磁場強度下，配方5(聚四氟乙烯)的剪切屈服應力優于其余配方的磁流變液；配方1(石墨)對磁流變液剪切屈服應力的改善效果最差。

2) 在磁流變液未發生沉降時，添加不同潤滑劑的磁流變液的剪切屈服應力值差值較大，隨著沉降時間的延長，該差值有減小的趨勢。以圖3(c)為例，在沉降第0 d，磁流變液的剪切屈服應力的最大值與最小值相差10.395 kPa，在沉降周期第36 d時，剪切屈服應力的最大值與最小值相差4.131 kPa。

3) 潤滑劑對磁流變液剪切屈服應力的改善效果和磁流變液所處的磁場有關，對于同一配方的磁流變液，相同沉降周期內，磁場越大，其剪切屈服應力越高。

4) 以聚四氟乙烯作為潤滑劑的磁流變液，其剪切屈服應力在沉降周期內下降趨勢最為明顯，而其他配方的磁流變液屈服應力的下降趨勢，相對而言較為平緩。如圖3(a)中，在相同的36 d沉降周期內，配方5的剪切屈服應力下降了64.7%，而配方1的剪切屈服應力只下降了42.1%。

5) 不同配方的磁流變液剪切屈服應力變化曲線有交叉和重疊部分，這說明潤滑劑對屈服應力的改善效果還和沉降時間有關。以圖3(b)為例，在靜置沉降的前18 d，以聚四氟乙烯作為潤滑劑的磁流變液，其剪切屈服應力始終高于其他配方，但是沉降21 d之后，其剪切屈服應力卻不及以二硫化鉬或氫化蓖麻油為潤滑劑的磁流變液。

6) 無論以哪種成分作為潤滑劑，在磁流變液未發生沉降時，其剪切屈服應力為最大值，隨著沉降時間的推移，剪切屈服應力均會下降，但下降速度不一。通常初始剪切屈服應力越大，其下降速度也越快。

上述結論對于實驗室制備磁流變液選取潤滑劑時具有重要參考意義，如只需要磁流變液沉降前期具有較大的屈服應力，聚四氟乙烯無疑是最好的選擇；若需要保持磁流變液具有較大屈服應力的同時，還需要滿足在較長的沉降周期內屈服應力值有較小的波動，此時選取氫化蓖麻油或二硫化鉬作為潤滑劑較為明智。

2.2 混合添加潤滑劑對屈服應力的影響

課題組以二硫化鉬和石墨為試驗對象，探究2種潤滑劑的混合使用效果與某一種潤滑劑單獨作用的區別。如需了解其他潤滑劑混合使用對磁流變液的影響，可參考文獻[12-13]。試驗時，分別測試表1中編號為1，1.1和2的磁流變液樣品在靜置沉淀36 d內的剪切屈服應力的變化。試驗中，仍選取0.21，0.40和0.50 T的3種不同的磁場，每隔3 d測試1組數據，為便于對比，將配方1.1和配方1及配方1.1和配方2的屈服應力變化曲線描繪在同一張圖里，其屈服應力對比結果如圖4所示。

圖4 混合潤滑劑與單一潤滑劑剪切屈服應力對比圖Figure 4 Comparison of shear yield stress of mixed lubricant and single lubricant

從圖4中可知，在同一磁感應強度下，配方1.1對應剪切屈服應力明顯高于配方1及配方2，這說明二硫化鉬及石墨混合作為潤滑劑的磁流變液的屈服應力性能優于單獨添加二硫化鉬或石墨作為潤滑劑的磁流變液，但這個結論并不是絕對的。如圖4(b)中，當磁感應強度為0.50 T時，配方1.1的剪切屈服應力在整個沉降周期內并沒有始終高于配方2，而是有重合和低于配方2的部分，這種現象表明混合使用潤滑劑時，其所能達到的改善磁流變液屈服應力的效果還和磁流變液所處的磁場相關。除此之外，圖4(b)中另一個特點是隨著磁感應強度的增大，配方1.1和配方2對應的剪切屈服應力之間差值有逐漸減小的趨勢，這給我們帶來的啟示是，當磁流變液所處的磁場強度較大時，混合使用2種潤滑劑和單獨使用某一種潤滑劑，其對磁流變液屈服應力的改善效果是相當的。

3 結語

課題組通過對含有石墨、二硫化鉬、氮化硼、氫化蓖麻油和聚四氟乙烯等5種潤滑劑的磁流變液樣品剪切屈服應力的研究，得出結論：

1) 5種潤滑劑單獨添加時，聚四氟乙烯提高屈服應力的效果最佳；

2) 二硫化鉬和石墨混合使用時對屈服應力的改善作用優于二者的單獨使用。

考慮到時間和經濟成本，課題組僅對目前常用的潤滑劑進行了試驗研究，同時對于潤滑劑的混合使用情況也只進行了2組對比試驗。除此之外，對于潤滑劑的添加可以提高磁流變液屈服應力的作用機理，課題組未做更深層次和更細致的探討。