不同温度下磁性液体磁粘效应的机理分析及实验研究_图文

1、劣拿未交戤挚硕士学位论文不同温度下磁性液体磁粘效应的机理分析及实验研究作者：姚伟君导师：李德才北京交通人学年 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京变通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者钨名瑞铭最导师签名签字期：西脏年？闩签字期：口年月， 中酗升类号：；学控代码：密级公开北京交通大学硕士学位论文不同温度下磁性液体磁粘效应的机理分析及实验研究作

2、者姓名：姚伟君学号：导师姓名：李德才职称：教授学位类别：学学位级别：硕士学科专业：机械设计及理论研究方向：机电液磁一体化的理论及应用研究北京交通人学 致谢本论文是在我的导师李德才教授的指导下完成的，李老师知识渊博、治学态度，”谨、对学生认真负责，我非常感激李老师在这两年罩对我的关心和教导，我从李老师身上学到了很多做学问的方法和知识，更学到了根多做人的道理，尤其是李老师教导我们做任何事都要有认真、严谨的态度让我受益匪浅、终身难忘。在这罩我要对李老师表达袭心的敬意与谢意。存实验室丁：怍和撰写论文期间，有众多的实验室的老师和同学为我提供了帮助，在此他们表达我的感激之情。另外我的同学、家人和女朋友也给

3、了我很大支持，我非常的感谢他们。最后，衷心感谢所有关心和帮助我的人！ 中文摘要中文摘要摘要：粘度为液体的重要物理性质之一，而磁性液体的粘度尤其是磁场作用下的粘度更是与磁性液体的各个应用领域密切相关。本论文从理论上分析了磁性液体粘温特性、磁粘效应产生的微观机理。设计、加工、搭建了适用于研究磁性液体粘温特性及磁粘效应的实验台，同时对国内外磁性液体磋粘效应的实验成果和理论成果进行了深入分析，指出研究中存在的不足，基于此在该实验台上测量了两种磁性液体在不同条件下粘度的变化，尤其是测得了低温条件的粘温特性和磁粘效应，并运用磁性液体的微观机理来解释粘度实验中的各种实验现象。具体进行的工作如卜：、设计并搭建

4、了耐商低温适用于研究磁性液体粘温特性及碰粘效应的实验台：、内外首次进行了磁性液体低温的粘温实验在研究中发现：（）磁性液体的粘度都随着实验温度的降低而升高：（）温度在。以上时，粘度变化较为缓慢，温度在以下时，粘度随温度的降低而急剧升高粘度数据呈指数分布。、通过测量磁性液体在不同温度下的粘度值实验，总结出磁性液体的粘温特性并通过理论分析产生粘温特性的原因。、国内外首次进行了高低温条件下磁性液体磁粘效应的研究，在研究中发现：（）在实验巾当外加磁场方向平行于磁性液体旋转轴方向时，会增加磁性液体的粘度：（）在不实验温度下，磁性液体粘度随磁场变化的增加量也小旧，低温情况粘度的增加量耍比高温时多；（）在外加

5、磁场作用下，磁场强度越大，磁性液体粘度增加量也越多。、通过测量磁性液体在不同磁场强度下的粘度值实验，总结出磁性液体磁粘效应的特性并通过理论分析产生磁粘效应的原因。、完成了不同剪切速率下磁性液体粘度变化的实验，在研究中发现：磁性液体是否受到外加磁场的作用，对其粘度值在不同剪切速率下的变化有很大影响。、从磁性液体的实验结果推导出磁性液体的内部微观结构，并用“链状结构”来解释粘度实验中的各种实验现象。关键词：磁性液体：粘度：磁粘效应；粘温特性分类弓：； ：她，强盯哼吣曲”，“扑￥卸恤“，蛐：“口，¨叫（），¨；，：“口：）（，”“拥呷日扑；，骶，北京交通大学硕学忙论立，目，：，”

6、￥。”：；。柚：口录目录中文摘要绪论课题研究的背景和意义磁性液体及其相关理论磁性液体介绍磁性液体的发展磁性液体的磁化强度旧内外磁赫效应研究现状分析国外磁粘效应研究现状田内磁粘效应研究现状水课题研究内容磁性液体粘温特性及磁粘效应实验台的结构设计实验台的方案设计锥板式粘度计的测量原理及设计恒温水浴槽的选择磁场添加装置的设计本章小结磁性液体枯温特性及磁粘效应的实验研究实验川磁性液体性能分析磁性液体中磁性颗粒粒度分析实验使用磁性液体的性能指标温度时磁性液体粘度的影响睹基磁性液体的实验分析机油基磁性液体的实验分析温度对磁性液体粘度影响的总结磁场强度对磁性液体粘度的影响酯基磁性液体的实验分析机油基磁性液体

7、的实验分析磁场强度对磁性液体粘度影响的总结剪切速率对磁性液体粘度的影相匕京交通人学硕：学位论文酯基磁性液体的实验分析机油基磁性液体的实验分析剪切速率对磁性液体粘度影响的总结本章小结磁性液体磁粘效应微观机理分析无外加磁场作用下的粘度变化研究外加磁场作用下的磁粘效应研究不考虑磁性颗粒问相互作用的理论研究现有的实验方法对磁粘效应的研究不同微观组成的磁性液体的实验结果本章小结结论参考文献附采作者简历独创性卢明学位论文数据集卯曲绪论课题研究的背景和意义长久以来，在所有有关粘性液体流动的领域中，人们总是十分关注液体的粘度。其中有两方面的原因，首先是因为粘度为液体的重要物理性质之一，它可以反映出液体在流动行

8、为方面的特性，关于液体粘度的知识和数据也在许多工程技术中得到应用。其次是因为液体的粘度蛆及其测量已经在国民经济的诸多领域一”得到广泛发展于应川。比如在化工、石油、食品、航天、交通、冶金、轻工、建材、煤炭、田防、医药等领域中，粘度的测量是用于保障生产的安全，保证产协的质量。同时也是医学诊断和科学研究的重要手段。磁性液体是一种由铁磁性物质、表面活性剂、基载液组成的磁性颗粒胶体溶液，在外加磁场的作用下，磁性液体会在磁学、光学、声学和力学等方面表现许多特性，这些特殊性能使其神：工业领域巾有若“泛的应用”，到日口为止磁性液体的应¨】领域有：磁性液体暂封、磁性液体传感器、生物医学、矿物分离、磁性

9、液体陀螺、扬声器、润滑、研磨、减振和阻尼等。而这些应用都与磁性液体的粘度尤其照磁场作用卜的粘度密切相关例。磁场作用磁性液体磁粘效应的理论、机理等问题都急待深入研究。而研究结果仅仅¨以应用在磁性液体密封上，对于磁性液体传感器，减振，润滑，阻尼等方面都有报大的应用前景【圳。因如此，磁性液体磁粘效应的研究一赢是磁性液体研究中的热点雨唾点。奉课题的柬源为踊家自然科学基金项日（不同温度）磁性液体磁猫效应的机理分析及其在密封巾的应用研究（项目编号：）。本论文：要目的是分析磁性液体产生磁粘效应的微观机理，设计并搭建实验台对磁性液体的轴温特性、磁粘特性进行实验研究，二分析实验结果以得出磁性液体的粘度

10、特性。磁性液体及其相关理论磁性液体介绍磁性液体是一种纳米级的新型材料，它是山铁磁性物质在其袁州上附加一层发丽活性剂，使其分散的处在基载液中，从而形成胶体溶液。磁性液体义被称为磁流体、铁磁流体等。如图所示，磁性液体主要山磁性颗粒、表面活性剂及基载液三部分所构成在有些碰性液体中会加入添加剂来使磁性液体达到某些特殊的功能。与磁流变液不同，磁性液体足纳米级的胶体溶液，而磁流变液足微米尺寸的磁性颗粒分散在液体介质中所形成的一种稳定的悬浮体系，当受到外界磁场作用时，磁流变液会有液固相变现象发生。酗磁性液体的组成磁性液体具有很强的稳定性，它可以在重力场、电场、磁场中长期稳定的保持内部结构的完整，不会发生沉淀

11、和分离的现蒙。当有外加磁场存在时，磁性液体以被磁化，从而表现出超顺磁这种特性，当外加磁场撤销十，磁性液体，的磁性颗粒又会回复到无序状态。因此磁性液体只有当外磁场存在时，才会有磁性，此时磁性液体内部的磁性颗粒与基载液相互作用，使磁性液体同时且有了磁性与流动性，正是这特性，使磁性液体在各个领域有着广泛的应用，其特殊性能也扪：理论。卜丌创了材料的一片新天地。磁性液体的发展磁性液体这一种特殊的材料早在年时就尝试过将它制造出来。当时他使用铁磁性颗粒将它们分散在基载液中，实验并没有取符成功。世纪年代，随着科学的进步，制造小磁性液体才成为了可能。在年时，【首先发表了一篇文章，在其中他说明了关于如何制造出磁性

12、液体的问趔。在年时，在同一时间发表了两篇论文，都是关于制造出可能的磁性液体所需要的磁性胶体的内容。但是于当时的实验条件有限，在实验宅中成功制造磁性液体还仅仪是一个想法。知道上个世纪的年代，美阿国家航空和航天管理局（）使用了大量的资金与人力来研究磁性液体用以解决太卒中飞船及宇航服中的密封所存在的缺陷。在年时，成功制造出了磁性液体，他使用了粉碎法，制造出了一种可以在外界环境中稳定保存的磁性液体。磁性液体中的颗粒是在实验中中使用研磨的方法，将普通的磁粉粉碎，并使其成为了量级的磁粉，这时再将磁粉加入基载液中，从而形成了稳定的磁性液体，但是研磨的过程非常的漫长，所以磁性液体的量产值是一个问题。在年时，本

13、学者下饭坂教授成功的使用化学的作用，制各出了制造磁性液体所需要的磁性颖粒，此时才解决了磁性液体无法工业化大量制造的问题。年和在上发表了论文，这篇论文可以称作为磁性液体在热力学以及力学方面上的奠媾石。从这以后，各个国家关于磁性液体的科学技术得到了飞速的发展，其中以美国、前苏联、本等日家的磁性液体技术发展展为快速，也使得磁性液体在工业生产中的备个领域都得到了广泛的应用。如今，磁性液体技术发展至令，已经成为了一个独立的前沿科学，国际上每年开展一次的磁性液体国家会议，到现在已经有过十次了，磁性液体作为一种新型的功能材料，尚待人们去发掘其途。磁性液体的组成很特殊，使其在很多物理性质方面表现出特殊的性能。

14、这些性能在工业、生活、科研婷方面都其有广阔的前摄。列举一些磁性液体在各个领域的应用以投其机理”：、磁性液体在磁场作用，在磁性液体内产生体积力，井可使磁性液体流动到任何位簧。利用这些作川：作磁液陀螺、加速度表、光纤连接装俺、机器人筋肉、【业用机械手、水低频声波发生器、显示磁带磁迹、检查磁头缝隙、检查磁头加工变质层及残余应力分布、观察磁畴及泡畴产生磁液泡并玎于位移寄存器的显示、磁性显影剂、软磁路、改进变压器及电感器、密封、磁液轴承、磁液研磨、磁液水平仪、厚度仪、各种传媾器、磁墨水及磁印刷、磁液驱动装置，医疗方面的应用如作磁力导航药物的载体、外科手术用“磁刀”、放射治疗的艋影剂等。、浸没在磁性液体中

15、的无磁性物体要受到一个除浮力之外的磁性力的作川，磁性力的方向指向最低场强区，据此可作为物体沉浮分离，广泛丌展资源回收，选矿，制作七摩擦开关，继电器，比重计山由升降装置，废水处理等。，通过加热冷却磁性液体并在磁场作川就可产生磁热循环，据此可以实现热能转换装置，加热泵等。、磁液粘度随磁场增加而增加从而阻尼作用也增大，据此可用作新型扬声器，各种惯性阻尼器，减震器，缓冲器，联轴器，制动器，阀门等。、有的磁性液体，其磁化强度随温度升高而线性下降，据此可做温度传感器，热交换机等装置。、磁液热导率比空气大，据此可用于音像装置及热交换机中。、磁液具有光双折射，二向色性及法拉弟旋转等特点。据此可作为光传感器，电

16、流计磁强计，光快门，激光稳定器，光计算机，光增幅器等。、有的磁液，其磁化强度随温度升高而线性下降，据此可作为温度传感器，热交换机等装置。、利用磁性液体制成磁液泡，可用作移位寄存器的显示，关选择器等，若与液晶相结合，即制成液晶磁液，则更有发展前途。】、利用磁液的表面在磁场的作用下产生的特殊变形可作新型印刷。、利用它具有的润滑性可作磁性润滑，磁性轴承，拉拔加丁装置等。和应用时，单独利用这些原理的情况较少，而兼用的情况较多。磁性液体的各种应用充分说明了它在备行各业中都能有一席之地，将来的发展前最也是非常广阔的。磁性液体的磁化强度在磁性液体出现之，不存在常温能够以液体形式存在的超顺磁性的物质。征是山于

17、磁性液体的这一特殊的性质，使其可以在传感器、减振、密封等方而有着大量的宴用例子。磁化强度是磁性液体的重要特征之也是研究磁性液体磁粘效应所需要具备的理论知识”“。磁性液体的磁性颗粒是有大小之分的只有磁性颗粒的大小合适时，磁性液体才能稳定的存在，甭则就会因为颗粒过大而发生沉淀现象。当磁性液体中颗粒的人小，盘界值小时，泼粒子就成为了单嗥结构的粒子。几乎所有的磁性液体的临界尺寸都足这个数量级的，所以在稳定存在的磁性液体中，磁性颗粒全部能看做为单畴结构的粒子。这些粒了之问没有相互作用，在磁场作用全部都会被磁化。朗之打函数（）就可以用来描述这样的顺磁物质在磁化过程中所表现出的规律。（），（）（一）（）其中

18、（）（￥）一在上式中，月为单位体积内的粒予数，为粒子磁矩，（），“为真空碰导率，是磁场强度，是波尔兹曼常数，是绝对温度。由于某些粒子的高磁矩值这些系统可称为超顺磁性。随着磁场的增加（），系统的磁化强度达到其饱和值一；这时所有的粒子的磁封！都沿着磁场向：，一啦（）山式可得，当时，对磁矩值卅。“常温下的粒子，这就相应于磁场。在磁场强度较弱的情况下，即时，流体的磁化强度随朗之万函数的自变量做线性增加：【岛月，（）（）式一一比例系数称为磁性液体的磁化率，对应单位体积的粒子数为一（相应于实际磁性液体的浓度）及而所用的和值时，其磁化率值为一，这时韵饱和磁化强度是。一。关系式（）（）使用磁化曲线分析磁性液体

19、内部结构的基本关系式。通过建立以，（）和（，），幔为坐标的朗之一曲线，来确定两者在初始部分的斜率，就可以确定流体中的粒子尺寸：以，；这里足粒子材料的磁化强度，风是用（），帆的斜率来确定的，而程是川流体磁化曲线初始部分来确定粒予直径，是用其最术部分来确定的粒子直径。而通过实验得到的磁性液体磁化曲线与理论推导的郎之万函数曲线存在着差异，这种理论与实际结粜之问的差异舶许多原凶组成，其中影响最大的个因素是磁性液体在实际存在的过程中内部的铁磁性颗粒是分敞存在的，而且在磁场作用，磁性颗粒之也会产十臼互作用，这样就会影响到实验结果。侄磁性液体中，如果磁性颗粒的壮子尺寸的分布函数（以）已知划磁性液体的磁化强度

20、可以用式表示：吖（日）叫（），（矗）（以）（）在上式中忽略了磁性液体中粒子之间的相互作用。通过实验测出的（）啸线解上述方程，就可以算出流体中的粒子尺寸分布。通常并不能得到流体内部结构的详情，但却可以用几种方法去逼近实际流体的磁化曲线，要构成朗之万萌数曲线必须先确定流体的饱和磁化强度。和粒子的尺寸以，即它们的磁矩。的大小可由（“）的关系“斗；的值而明确获得，而以的值可以选、。或某个平均值。郎之万曲线可分别与实际磁化曲线的初始部分、中间部分或摄终部分相符合。在胶体系统中，由于粒子的多分散性，以的值也许会明届超过了的值，这就造成了的差别。在流体中，粗粒子在弱磁场阿先排列，很高。较小的粒子则在相应较强

21、的磁场下才排列，因此在强磁场中的流体磁化曲线增加得比由以建立的朗之万函数要慢。考虑到粒子尺寸分布函数，仔细的测定磁化曲线表明在浓缩的磁性液体巾（。），磁化曲线和朗之盯函数曲线之问的差不能仅用粒丁的多分散性的假设式来解释。对小值（），重要的是促使排列作用的外磁场即粒子的局域场，这就是不考虑粒子相互作用时，计算的以值总会超出估计的值的原因：从微镜所的数掘，程和？之羞在右，但从（）曲线的分析给出的与。之差存，要计粒子制的榭互作用，可将如之万函数日变量月用有效场胁，日代替。有效场常数五可由其他测量而从宴验上确定。譬如晓从磁化率的温度荚系（）线来确定。当计入这些数据后，山（）所得的以与？之差与粒予尺寸分

22、稚函数的直接数据相做。现在给出表示磁性液体组成总体信息的简单关系式。山二粒子材料的磁化强度力是己知的，磁性材料在流体中的体积分数可表示成比率丸，。，这一比率基，丁的前提是处于饱和状态时，所有的粒子的磁矩都沿外磁场排列，地和磁化强度仪山磁性材料的体积含量来决定。实际情况是磁性液体处于或运动于非均匀磁场中，为了确定流体于外场的相互作用，必须考虑磁化强度域外磁场之白的戈系。借助于朗之打函数柬对磁化曲线做近似的只能在一很窄的磁场范围内适用。因此在弱磁场就要川以所得的朗之万函数，而在强场下藏要用”所得的朗之万函数才行。这种近似的缺点是他的形式复杂，阻碍了拙述磁液体流动方程的分析解。，。，。，：；：，一对

23、于嘶的情况对磁化曲线进行一种近似，这时磁化曲线与实验结果就基本吻合了令，（日），这晕的耳是磁化强度（珥），情况下的磁场强度，上述的关系式比郎之万函数近似更接近。实际曲线的磁化强度：在珥处与实验值的最大偏差是，当，时偏差小于已经在实验误差范围以内。如果只要求在有限的范围内达到肘（）的近似则为了与实际曲线更符合，可将和坼的下列形式用于上述关系式：，。：（一）：（）！。一这里的和也是接近范围的起点和终点的磁场强度值：而和：魁对应的，和也处的磁性液体磁化强度试验值。在磁场范围内“时，以述两式为常数的近似式。（，印可在误差小于的情况下描述实际磁化曲线。国内外磁粘效应研究现状分析国外磁粘效应研究现状（）实

24、验方面：年，薄先由闩本学者使用了毛细管粘度计来测量磁性液体的粘度。他在实验中实验对象是甲苯基钻磁性液体，将磁性液体放簧在磁场，通过观察磁性液体流动的速率柬确定磁场对其粘度的影响。但是其使用的磁性液体在外加磁场强度时，同时又由于磁性液体的本身浓度很高，就会因为磁性液体受§磁场作用力过高而超过自身重力作。产生在毛细管中不流动的现象。在采用该方法进行实验时，还有以）个问题无法解决：（）没有很好的确定磁场和流动涡量的相应一致性；（）磁性液体在耩个流动的过程中，方向不能完全确定尤其在毛细管的进门和出口流动，将导致不可预知的流动轮廓；（）在毛细管流动的过程中存在非一致磁场区域，磁场呈不均匀分布；

25、（）该实验方法仅仅提供了单一的流础速率，不远研究在变化的剪切速率磁性液体的非牛顿效应。：，“美国学者埘毛绑管方法进行了改进使用了平板通道进行瘩窑通厶堂硒±生位监窒测量磁性液体的粘度，但是在该方法中，磁性液体在流动过程中不具有对称性，也就没有太大的实验价值。年，同本学者神山新一教授使用了另一种粘度计柬测量了外加磁场作用下磁性液体粘度的变化值。在实验中，他使用的粘度计为同心圆筒形回转粘度计，但在此次实验巾，外加磁性是通过电磁铁来产生的。通过电磁铁束产生外加磁场有许多的弊端，比如发热量大需要外加冷却系统，体积过大，影响整体的结构等，因此此种粘度计并没有得到推广。年，德网学者”将磁铁放置于测

26、试磁性液体的旁边，通过调整磁铁和磁性液体之间的位置束使磁性液体处于不同强度的磁场。来对其进行种度实验，这样的实验只能定性的分析外加磁场的作用，无法精确确定磁枯效应所产生的影响。年至年德国学者等对已经有的磁性液体实验进行了整理并肘磁粘效应理论及实验都进行了系统的研究，他的成果有以几个方而：设计了一种锥板式流变仪，用以测量在外加磁场作用下磁性渡体的枯度；在该流变仪上实验了在不同转速下，磁性液体粘度值的改变量；对磁性液体实验过程中粘度的醣变量进行了定义：。一仉，由上式町以得磁性液体粘度的相对变化率为：（仉）。×，式中，为外加磁场作用下磁性液体的粘度，为无外加磁场州磁性液体的粘度：对磁性液体

27、组成构成进行了分析，提出了磁性液体存裨：磁粘效应的微观组成机理。他还提了将磁性液体的磁粘效应与稀磁性液体中存在的旋转粘度效应进行区分：只有世豫度较高的磁性液体巾，山于外加磁场的作用而产的粘度改变的现蒙才能被称为磁粘效应，这是与浓度较稀的磁性液体巾所产生的旋转粘度改变的现象不同的。在的实验】也存在着一砦问题需要有待解决：在外加磁场，磁性液体的表而会变的不稳定其表面会产生针状的起，这样的情况会是锥板式粘度计的实验结果变的不精确，从而影响到磁性液体各种枯度特性的研究：在实验过程中。磁性液体整体的温度不能有效的保持在恒定值，其中币州位置的磁悱液体温度会有偏差，从而影响了实验结果的准确性；对待铡磁性液体

28、如何有效的添加磁场来研究磁场作用下其粘度的变化仍然没有一个卜分满意的答案；通过实验所的的数据并没有很好的进行理论分析。（）理论方面：美国学者年提出一种宏观描述磁性液体粘度的方法：在磁场的影响下，将磁性液体的糕度作为应力比的甬数米进行表达。事实，应力比并不能完全描述剪切速率对磁性液体粘性行为的影响。对有不同微结构或是磁场巾呈现微结构变化的磁性液体而占，使用该种方法是旧难的唧】。，！；：一前苏联学者年提出的单个粒子理论，忽略粒子之日的相互作用，对于解释稀释磁性液体的粘度变化有很火价值，但是它不能对在浓磁性液体中发现的磁粘效应给予足够的解释。俄罗斯学者啉发展了一种模型，用束描述磁性液体中出现链状凝聚

29、时磁性液体的流变学性质该模型的假设如下【出：（）双分敝模型磁性液体内部只含有两种直径尺寸相差很大的固体颗粒。这些大粒子能形成凝聚链，该链被认为时直的、刚性的，粒子之间的相互作用只发生在同一条链，不同链之间的粒了不发生作用。（）大颓粒与小颗粒之间的相互作用被忽略掉，因此，链上只含有大直径的颗粒。国内磁粘效应研究现状罔内许多学者对磁性液体的粘度进行了研究，他们研究的内容丰耍有“：温度对磁场磁性液体粘度的影响：磁粉含量对磁性液体粘度的影响：表面话性荆禽量对磁性液体粘度的影响；外加磁场强度大小和方向对磁性液体粘度的影响：不同磁场强度和剪切速率下磁性液体相对粘度变化。国内的研究中存在以下不足：研究温度范

30、围不宽，在之间，没有进行低温研究，在此说明，所谓低温是指从绝对零度到室温之问的温度范制；所建实验台测量精度不够，很难进行磁性液体粘度变化的微观机理研究：所测粘度变化的结果是宏观：的，对磁性液体粘度变化的微舰机理的研究很少；对磁性液体内部微观结构的分析缺乏实验验证：对磁性液体；分的温度准确控制不理想所用实验设备屏蔽外磁场困难，对测试仪器中的诸多金属组件产生影响，致使有些测试结果火真：没有研究磁性液体磁性颗粘的大小对粘度的影响，只是研究了颗粒含精的多少对粘度的影响。总之，陶内外学者的研究、实践都表明：对磁性液体在不同温度下磁粘效应蚋研究钶蔚难要的学术意义莉泛的应用价值。为了保证我囡在磁性液体应用这

31、一商科技领域中占席之地，我们也理应抓紧深八研究磁性液体磁轴效廊的机理和应用这具有广泛应用口景和报高学术价值的课题。本课题研究内容奉论文从理论：分析了磁性液体磁，效应产生的微观机理，奉论文设计、加措建丁近日于研究磁性体粘温特性及磁粘效应的实验台，同时对国内外磁悱液体磁柑效应的实验成果和理论成果进行了深入分析，指出研究存在的不足，挂：此枉该实验台：测董了两种磁性液体在不吲温度粘度的变化，尤其是测得立奎适盘堂亟土堂位监奎了低温条件下的粘温特性和碰粘效应，并运用磁性液体的微观机理来解释粘度实验中的各种实验现象。具体进行的工作如下：、设计井搭建了耐高低温适用于研究磁性液体粘温特性及磁粘效应的实验台：、国

32、内外首次进行了磁性液体低温的粘温实验，在研究中发现：（）磁性液体的粘度都随着实验温度的降低而升高：（）温度在。以上时，粘度变化较为缓慢，温度在。以时，粘度随温度的降低而急剧升高，粘度数据呈指数分布。、通过测量磁性液体在不同温度下的粘度值实验，总结出磁性液体的粘温特性，并通过理论分析产生粘温特性的原因。、国内外首次进行了高低温条件下磁性液体磁粘效应的研究，在研究中发现：（）在实验中平行于磁性液体旋转轴方向的磁场会增加磁性液体的粘度：（）在不同实验温度下，磁性液体粘度随磁场变化的增加最也不同，低温情况下轴度的增加量要比高温时多：（）在外加磁场作用下，磁场强度越大，磁性液体粘度增加量也越多。、通过测

33、量磁性液体在不同磁场强度下的粘度值实验，总结出磁性液体磁荆效应的特性，并通过理论分析产生磁粘效应的原因。、完成了不同剪切速率下磁性液体粘度变化的实验，在研究中发现：磁性液体是否受到外加磁场的作，对其粘度值在不同剪切速率下的变化有很大影响。、从磁性液体的实验结果推导出磁性液体的内部微观结构，并用“链状结构”柬解释粘度实验中的各种实验现象。避世渣佳扯盈挂蛙盈鹫抽筮应塞些鱼啦结蝗丝韭一磁性液体粘温特性及磁粘效应实验台的结构设计采埘实验的方法，研究磁性液体粘度增加率与不同温度、剪切速率、磁场强度大小的关系，并在此基础上提出解释磁性液体磁粘效应的微观模型。所以需要首先对磁性液体在不同条件下的粘度值进行测

34、量。对磁性液体粘度的测量首先需要对实验台进行设计与搭建，所需要完成的工作有：设计加：出可以完成实验测量的磁性液体磁粘效应锥板式流变仪，选择合适的高低温水浴槽以保证实验中温度的稳定与有效性，选择合适的水浴液，束达到攘个测量过程中温度所需要满足的要求，对实验台二各个部件进行防护，以防止低温过程中发生损坏。实验台的方案设计磁性液体粘温特性发磁粘效应实验台是为了进行磁性液体的粘温及磁粘效应的研究，；此该实验台的基本原则是要测量不同温度，不同磁场强度及不同剪切速率下磁性液体粘度的不问值。而且山于测量的过程中温度的范围为至，所以对实验台在高低温作用下，备个仪器的正常工作运行也必须加吼保证，实验台的方案如图

35、所示。亘温水精输渡管保温套磁场舔加装性试样杯转于轴锥板式粘度计仪表柱数据线数据采集器睹磁性液体粘温特性及磁轴效应实验台宵寰目。塞窑通厶堂亟±堂焦监童实验台由低温恒温水浴槽、输液管、保温套、锥板式粘度计、磁场添加装置、数据采集器等组成。其中锥扳式粘度计中主要组成构件有：电机、变速器、驱动机构、测量弹簧、圆锥转子及试样杯等。在粘温特性的实验过程中首先将待测磁性液体装入试样杯中，通过低温恒温水浴槽将温度控制在指定温度，随后启动锥板式粘度计，数据采集器将会收集锥板式粘度计中的数据并进行处理，最后显示出在这一恒定温度下待测磁性液体的糕度值。在磁粘效应的实验过程中，除了以上的操作外，还需要对待测

36、磁性液体周围加入磁场，以测量在磁场作用下的磁性液体粘度值。措建的实验台如图所示；酗磁性液体粘温特性及磁粘效应实验台锥板式粘度计的测量原理及设计奉史验中所使辟的锥板式粘度计采用了上旋式结构，驱动电机通过变速齿轮以及带传动机构来使刻度盘旋转，刻度盘与圆锥转子通过测量弹簧相连接。凶此、驱动电机工作时，驱动机构将带动刻度盘一同旋转，同时转子也以一致的角速度发三旋转。圆锥转了转动过程中，如果没有受到阻力，则测量弹簧一直维持在初始的状态，直到圆锥转子山于测量试样的摩擦而产生了阻力矩，测量弹簧就会于受到阻力矩而发生偏转产生弹性力矩，肖这两种力矩处于平衡状态时，刻度盘便会与圆锥转子产生一定的偏转角度，通过与吲

37、锥转固定的指针便可在刻度盘上读出偏转角度的大小，测量弹簧偏转角度的大小与测量试样一度大小成证比。再使用合适的传感器将偏转的角度位转化成电子信号，经过电脑处理以后便可以直接读出试样的粘度值【训。礁性擅佳挡量壁壁丑避拍琏廛塞熊台曲结盟世让实验中所使用的锥板式粘度计它的测试原理如图所示”。实验的样品是放噩在圆锥转子与试样杯的内表面之间的，试样杯的内表面为平板结构，实验过程中，平板不运动，而圆锥转予会进行转动。假设圆锥转子的半径为（锄），转子与平板之问的央角为（），当足够小时公式便可以近似成立，那么，任意半径的点都具有：剪切速率：矿；（“）鬲（只）（）式中为圆锥转子运动的速率（转，分）剪切成力与作用在

38、圆锥转子下表面的总扭矩相关，其数学关系为：（）式中是测量弹簧弹性扭矩（），可根据测量弹簧的扭矩和扭角求出。通过这些关系可根据牛顿粘性定律求得粘度：云（只）（）刚锥扳式枯度讣测试原理幽由于在实验过程中需要对测量的磁性液体添加磁场所以锥板式粘度计各个部件应为非导磁材料。通过与该仪器的制造厂商成都仪器厂联系，进而将粘度甜中导磁的部件进行更换。其中测量系统的主要部件更换为铜，满足添加磁场过程中导磁的要求。恒温水浴槽的选择磁性液体粘溢特性及磁粘效应的实验过程，都必须要保持测量过程测量试样磁性液体的温度恒定，并且山测量的温度范嘲为。，所以需要选择合适的温水浴槽及水浴液体来完成整个实验过程。实验过柑在一“。

39、的温度范围内，以。为隔测量在此温度不同磁性液体随粘度计剪切速率以及磁场大小的不同而变化的粘度值。综合考虑熔沸点、经济性、安全性等因素，初步选择了以下几种液体作为水浴槽的水域液，其基本物理特性如表所示（其中乙二醇水溶液为，乙二醇的质量分数为的水溶液）：表几种液体的并项物理性质液体种类冰点（。）沸点（）挥发性毒性水无无毒酒精有无毒乙二醇一有有毒乙二醇水溶液一有有毒由于并没有合适的水浴液可以在。的温度范圈都处于液态，此在再个实验过程孛，需要分两步采用不同的水浴液来完成实验。实验室有两台恒温水浴槽可供使用。号水浴槽为成都仪器，制造的型精密恒温浴槽，如图所示，其温度调节范围为：一。二号水：槽为熏庆银河试

40、验仪器有限公司的低温恒温槽，如图所示，其温度调节范围为：。虽然第二台水浴槽的温度调节可以满足实验要求的温度范围，但山于筇二台水济槽所需要的水浴液较多，且工作状态时容易挥发，在温度的控制方面也不如第台精确所以在实验过程中将采用两台水浴槽，使用两种水浴液来达到实验的的。具体实验过程中恒温浴槽的选择方案如：、高温实验测量温度较高的部分使用号水浴槽使用的水浴液为含乙一醇质鼍分数为的己二醇水溶液，从上表中叮以得到该水溶液的冰点为一。，沸点为。山于水浴槽仪器的量程限制，在实验过程中，可以达到的测量范田为一。在此温度范围内，一号水浴槽使用乙二醇水溶液作为水济液分别对两种磁性液体在不同温度，不同剪切速率以及不

41、同磁场强度下的牯度值进行了测量。礁世迤往挡盆赞壁丑丝扯基廛塞笙台曲结控逵让闰，颦恒温浴梢、低温实验测量温度较低的部分使用二号水浴槽，使用的水浴液为酒精，从上表中可以得到酒精的冰点为一。，沸点为。在此水济槽上完成的测量温度为为一。，在此温度范围内，二号水浴槽使用酒精作为水浴液分别对两种磁性液体在不同温度，不同剪切速率以及不同磁场强度下的粘度值进行了测量。在此过程中与号水浴槽所完成的实验在温度上有重台的部分，因此可以用于验证实验的可重复性及准确性。闰低温恒温楠【立变通厶堂亟±堂也监塞最终确定的实验过程需要使用两台不同的恒温水浴槽，在高温与低温部分分别对两种磁性液体在不问温度，不同剪切速率

42、以及不同磁场强度下的粘度值进行测量。堆终的结果将综合两组实验中的数据来得出。磁场添加装置的设计在此次实验过程中，对以下磁性液体的粘度测量尚属于田际首次研究的领域，尤其是对于其磁粘效应的测量更是具有深远的科学意义。因此张测量过程如何合理的加入磁场也是值得注意的问题。对磁性液体添加磁场可以从两种特殊的情况进行分析，首先可以考虑外加磁场垂直于旋转轴方向；第二种情况是考虑外加磁场平行于旋转轴方向。根据理论分析，在锥板式粘度计中进行实验时，只有外加磁场平行于旋转轴方向，才会对试样杯的磁性液体产生作用，从而影响到实验中磁性液体的粘度值。因此柏添加磁场时，需要将外加磁场的方向平行于锥板式粘度计的旋转轴方向。

43、综合考虑实际的操作情况，在磁粘效应的实验过程中，具体添加磁场的方法为在锥板式粘度计试样杯中心位胃的正下方，设计一个磁场添加装簧，并使用磁场太小小同的四块圆柱形磁铁来磁场，如圈所示。幽块不同人小的圆柱形磁铁，阻壁性渣佳拈显拄挂丛避壮巍亟壁垒盆监结挝睦止一由磁铁的外形尺寸不同，其产生的磁场强度也；同，在实验前需要朋特斯拉计对磁铁的磁场强度进行测量以分析其对磁性液体磁粘效应的不同影响。每块磁铁使用特斯拉计对其圆柱面的项端的四个不同测量点进行测量，以得到磁铁的平均磁场强度，减少实验误差。测量所使用的特斯拉计如图所示：酗使特斯拉计测城磁铁的磁场强度具体磁铁的外形尺寸及四个测量点的磁场强度如裘所表块磁铁的外形尺及