静磁场下磁流变液微结构形态稳定性分析

作为磁偶极流体系统,磁流变液丰富的微结构形态及构成这些微结构的基本胞元决定了磁流变液在磁场-力场作用下的磁流变效应.对外加静磁场下具有单链、多链密排、正方、面心立方和体心立方胞元的微结构系统的磁势能进行了分析,结果表明具有体心立方胞元的微结构的平均磁势能较低,而具有正方胞元的微结构的平均磁势能较高.基于最小势能原理可知,静磁场下磁流变液中的颗粒容易形成具有体心立方胞元和多链密排胞元的微结构.     

磁流变液流变机理的三维动态仿真分析

针对磁流变液(MRF)的流变机理不明和剪切致稀原因不清的问题,分析磁流变液中软磁性颗粒的受力特点,建立偶极子微观力学模型和三维动态仿真模型,进行磁流变液成链过程与剪切过程的三维动态模拟以及响应时间的仿真分析,直观而形象地描述磁流变液的流变机理和剪切致稀现象形成的原因。仿真结果表明:在剪切作用下,链状结构的破裂是导致剪切致稀的主要原因;磁流变液的响应时间与铁磁颗粒的体积分数成反比。     

磁场作用下磁流变液剪切性能的实验分析

本文研究了磁流变液的力学性能,制备了羰基铁粉体积分数为20%的硅油基磁流变液,观察了磁流变液在磁场作用下的微观变化,测试了磁流变液的剪切性能。实验表明,无磁场作用下,磁流变液为牛顿流体;在磁场作用下,随着剪切速率的增加,剪切应力趋于稳定,表观粘度呈现指数式下降,磁流变液具有剪切稀化效应,符合广义Bingham模型。磁流变液剪切应力和外加电流的依赖关系为:在电流较小时,剪切应力表现为指数增长,指数值约为1.5;随着外加电流的增大,剪切应力表现为线性增长,最终达到稳定值。     

磁流变液的流变特性分析和实验验证

本研究制备了羰基铁粉体积分数为10%的硅油基磁流变液,使用Physica MCR 301流变仪测试其流变性能,用Bingham模型和Casson模型对磁流变液的流变性能进行拟合计算。实验表明,Bingham模型和Casson模型均可较好地描述磁流变液的流变行为,在磁场作用下,随着剪切速率增加,剪切应力增大并趋于稳定,表观粘度显著减小,磁流变液存在剪切稀化现象。通过对数拟合的方法,得出磁流变液剪切应力和磁场的关系,剪切速率恒定时,随着磁场增大,磁流变液剪切应力显著增加。     

基于偶极子理论的磁流变液链化机理模拟研究

基于磁偶极子理论,通过分析两个磁化颗粒处于不同位置时的受力特点及其相对运动趋势,深入而详细的研究了磁流变液的成链机理,说明了铁磁颗粒间的引力分量和斥力分量是导致颗粒聚集并分成多条并列链的原因.同时,模拟了在外加磁场作用下磁流变液的链化结构,证明了形成稳定的链状微结构时磁流变液颗粒间的内部能量最小.     

考虑磁性颗粒不均匀分布的磁流变液修正微观力学模型及试验验证

为了研究磁性颗粒在磁场作用下的不均匀分布对磁流变液力学性能的影响,通过卡方分布来模拟磁性颗粒的间距分布,对现有的磁流变液微观力学模型进行修正,并通过磁流变阻尼器的力学性能试验验证了模型的有效性。在磁流变液双链微观力学模型的基础上,修正相邻磁性颗粒的间距完全相等且不随磁感应强度而变化的假设,采用卡方分布来表征磁性颗粒间距的不均匀分布,并引入分布参数来描述磁性颗粒间距随磁感应强度的变化关系,推导了考虑磁性颗粒不均匀分布的磁流变液修正微观力学模型;基于修正的微观力学模型,分析了分布参数对磁流变液剪切屈服应力的影响;将该文提出的磁流变液修正微观力学模型带入到磁流变阻尼器的准静态模型中,可以得到不同电流下的阻尼器最大出力,并与磁流变阻尼器力学性能试验数据进行对比来验证所提模型的有效性。结果表明,考虑了磁性颗粒不均匀分布的磁流变液修正微观力学模型可以更加精确地预测磁流变液在不同磁感应强度下的剪切屈服应力,尤其是在低磁感应强度情况下可以改善现有微观力学模型放大了磁流变液剪切屈服应力的缺点。     

磁流变液颗粒成链过程的理论和实验研究

通过计算机模拟及实验研究了磁流变液颗粒在渐变磁场作用下的成链过程。首先从理论上建立了磁流变液成链过程的物理模型,采用蒙特卡罗方法模拟了其在渐变磁场作用下成链的详细过程。其次,采用光学显微镜观察了磁流变液在渐变磁场作用下的成链过程。数值模拟和实验结果表明,在平行磁场中,当外部磁场为零时,磁流变液的磁性颗粒处于随机分布状态。随着磁场强度的增加,磁性颗粒产生磁团聚形成链状絮凝体,进而由二连体或三连体发展到多连体,甚至网状及柱状结构;在倾斜磁场中,磁流变液中的聚合链也同时旋转,磁性颗粒沿着磁场方向从小链逐渐增大到大链,最后全部沿着磁场方向呈链状或柱状排列。研究结果对优化磁流变液材料的配置和设计高性能磁流变液装置具有重要意义。     

多场耦合作用下流变液悬浮性态仿真与分析

仿真分析了磁场和剪切场作用下双分散、单分散磁流变液的微观结构演化,从4个方面考察了磁流变液悬浮性态：微观结构相变,链长分布,聚合结构各向异性和悬浮粒子运动涨落。结果表明,在磁场作用下,场强幅值越高,相态迁移的时间越短、簇-墙相越明显;在低磁场时,双分散悬浮较单分散悬浮容易形成长链,而在中、高磁场时,单分散悬浮却较双分散悬浮容易形成长链;磁极粒子具有智能特性,在无剪切场作用下总是寻找最易形成墙的方向排列成簇,而在稳态剪切作用下沿流场方向形成通长墙相以抑制流场的输运;外加磁场有助于减小悬浮粒子的运动涨落,但在剪切场的引导作用下,磁场强度的变化对悬浮粒子运动涨落无明显影响。     

磁流变胶泥磁致流变学行为微观动力学模型研究

针对磁流变胶泥材料在外加磁场作用下悬浮相内磁相互作用机理和材料设计参数不确定的问题,根据磁流变材料微观偶极子理论,建立铁磁颗粒在磁场中的平板单链模型,结合链与磁场夹角之间满足指数分布的规律,得出了磁流变胶泥材料剪切屈服应力的理论表达式;根据磁流变胶泥材料的实验数据,对理论分析模型进行了修正,使模型能更好地预测不同影响因素下的剪切屈服应力值;对磁流变胶泥剪切屈服应力与铁磁颗粒、质量分数、基体粘度等因素进行分析,为高性能磁流变胶泥材料的设计、制备提供理论指导。     

磁流变液流变特性的数值模拟分析

建立了微观颗粒的动力学模型,提出了相应的算法,模拟了二维状态下颗粒成链及其剪切流动过程,表明剪切过程中存在旧链断裂和新链形成,得到了流动时磁流变液的剪切应力,并模拟了高剪切速率下微结构的演变过程,发现新链形成速度小于旧链断裂速度,出现了剪应力下降现象.     

杆形颗粒磁流变液的剪切屈服应力模型

杆形颗粒磁流变液是新近出现的新型磁流变液,它比传统磁流变液具有更好的性能.基于磁力学理论,通过分析磁化链中杆形颗粒的受力,包括磁力、压力、摩擦力及磁场对颗粒的力矩等,建立了磁流变液的剪切屈服应力模型,并和球形颗粒磁流变液加以对比,发现杆形颗粒磁流变液具有更高的屈服应力.计算结果和实验数据的比较表明,该模型能描述不同磁场...     

基于颗粒动力学演化的磁弹体力磁耦合数值模型

基于颗粒动力学演化的磁致微观结构建立了横观各向同性磁弹体（MREs）三维几何模型,在考虑了磁场和变形耦合作用的基础上,依据当前MREs研究较热的两种磁颗粒作用模型构建了颗粒的控制方程,从而建立MREs多颗粒的力磁耦合数值模型,从细观角度研究MREs的力磁耦合性能。数值模型和剪切实验对比表明,点偶极子作用力模拟的MREs磁流变效应远低于实验数据,而多极作用力在量级上更接近实验数据。基于构建的数值模型,还详细探究了磁感应强度和颗粒浓度对磁致剪切模量的影响,模拟结果和实验趋势吻合较好,颗粒体积分数在20%附近时,相对磁流变效应达到最大。     

基于链化分析的磁流变弹性体剪切模量模型

磁流变弹性体是一种磁流变材料,由高分子橡胶基体掺杂微米级的铁磁性颗粒固化而成.基于磁性物理学理论,从磁流变弹性体在磁场作用下铁磁性固体颗粒极化成链的微观结构出发,探讨磁流变流体中固体颗粒间的相互作用机理,分析研究颗粒间的相互作用力,建立了一种微观力学模型,可用于分析磁流变流体在外加磁场作用下剪切模量及其影响因素的作用效果,揭示磁流变效应的微结构机理,为磁流变弹性体的性能优化、工程开发及应用提供理论依据.     

纳米SiO2/黄原胶复合触变剂对磁流变液性能的影响

本工作利用黄原胶包覆改性纳米气相SiO_2颗粒,制备了纳米SiO_2/黄原胶复合触变剂,研究了复合触变剂对磁流变液流变性能、黏弹性和悬浮稳定性的影响。结果表明:黄原胶大分子在纳米SiO_2颗粒表面形成了稳定的有机包覆层,含有复合触变剂的磁流变液在磁场下表现出了较高的剪切应力和屈服应力。黏弹性测试结果表明,无场条件下磁流变液具有较宽的线性黏弹区,而在外磁场作用下,加入复合触变剂的磁流变液内部形成了更加牢固的磁致链束结构,流动点变大,变形耗能增加。通过自然沉降法对磁流变液的悬浮稳定性进行测试,结果发现添加复合触变剂的磁流变液悬浮稳定性得到了进一步提升。     

基于中空钴微米颗粒的磁流变液性能研究

采用水热法制备钴微米颗粒,通过X射线衍射仪、扫描电镜和振动样品磁强计对颗粒的相结构、形貌及磁性能进行表征。结果表明,颗粒为密排六方结构的单质钴,粒径3~5μm,内部呈中空结构,饱和磁化强度为161A·m2/kg。以中空钴微米颗粒为悬浮相,以硅油为基液,制备颗粒体积分数为12%的磁流变液。测试结果表明,基于中空钴微米颗粒的磁流变液的磁致剪切屈服强度在250kA/m磁场下达到37kPa,剪切应力的时间稳定性、长期静置的沉降稳定性等均优于同体积浓度的羰基铁粉磁流变液。     

磁场对磁流变弹性体表面特性的影响

为探究磁流变弹性体在磁场作用下的表面特性,制备体积分数为5%,10%,15%,20%,25%和30%的磁流变弹性体(MRE)样本,分别在施加磁场前后进行金相显微镜、白光干涉仪表面观察实验以及滑动摩擦验证实验。表面观察实验表明:样本的表面磁性颗粒随组分体积分数的增加而增加,并且各组分样本表面在磁场下粗糙度均降低,5%MRE的样本降低最多,约20%;摩擦实验结果表明:摩擦因数随着体积分数增加和在磁场作用下均出现降低趋势,30%MRE的摩擦因数相比于5%的摩擦因数约减小了38%, MRE表面铁磁颗粒含量是影响其摩擦特性的主要因素。     

基于分子动力学的磁流变液微观结构演化模拟与动态聚合分析

磁流变液优异的力学性能与高效的可控性能使其成为具有广阔应用前景的一类新型智能材料.针对磁流变液宏观力学性能与其微观结构行为的密切相关性,本工作采用分子动力学仿真软件LAMMPS开展了不同磁场强度和颗粒体积率下磁流变液的微观结构演化模拟,并在此基础上分析了磁流变液的宏观力学性能;进而通过对不同磁场强度、不同颗粒体积率和不同剪应变下磁流变液模拟微观结构的定性观察与定量分析,深入剖析了磁流变液微观结构的演化规律与链簇倾角的统计特性.本工作为进一步揭示磁流变液微观机理与宏观力学性能相关性、开展磁流变液材料及其组成构件的设计优化提供关键理论基础.     

铁粒子多分散系统磁流变液的制备和性能研究

磁流变液是铁磁性颗粒分散到低粘度的油中形成的稳定的悬浊液。其扩散特性主要由颗粒本身的物性和颗粒间的相互作用而决定。为了更好的控制颗粒间的相互作用,我们加入同样物性,但尺寸更小的颗粒,以调控悬浊液的流动特性。研究显示,在高体积百分比的磁流变液中加入亚微米尺寸的铁颗粒可以显著改善流体在没有外加磁场情况下的流动特性。受范得华力影响,加入的小颗粒首先附着在大颗粒周围,形成组装体,组装体间范得华力较小,从而有效降低了流体粘度。流体的粘度随着小颗粒在大颗粒上附着的比例不同而变化。随着小颗粒的增加,流体中铁颗粒的体积百分比增加,从而提高了磁流变液在磁场中的屈服应力,增强了磁流变液的磁流变效果。     

偶极子模型在磁流变液中的使用误差研究

为了提高使用偶极子模型分析磁流变液流变性能的准确性,采用偶极子模型与有限元模型对比的方法,分析了偶极子模型的适用范围,计算了不同体积分数磁流变液偶极子模型表面磁场的误差大小,并进行了实验验证.研究结果表明,磁流变液中软磁性颗粒主要受其相邻颗粒影响;偶极子模型表面磁场最大误差为62%,出现在两颗粒表面距离最近处,在磁流变...     

非圆形磁性颗粒对磁流变脂剪切应力的影响及其计算模型研究

磁流变脂是继磁流变液和磁流变弹性体之后,又一个具有巨大发展潜力的磁流变智能材料。参照作者提出的圆形颗粒的建模过程,建立了非圆形磁性颗粒磁流脂的剪切应力模型,并以六边形磁性颗粒磁流变脂为例,推导出六边形磁性颗粒磁流变脂剪切应力公式。该模型对半径和边长相同时剪切屈服应力与磁场强度的关系,体积相同时剪切屈服应力与磁场强度的关系,零场下的剪切力应力进行了模拟计算。结果表明同体积下的非圆形磁性颗粒磁流变脂的剪切应力比圆形磁性颗粒磁流变脂大,且随接触边长的减少剪切应力亦减少,但都比圆形磁性颗粒磁流变脂的剪切应力大。即使零场条件下,非圆形磁性颗粒磁流变脂的剪切应力比圆形磁性颗粒磁流变脂大,说明球形磁流变液不是最佳选择。所以,非圆形磁性颗粒的磁流变脂机理研究对高性能磁流变液制备及其应用具有极其重要的指导意义。