用于制备纳米磁流变流体的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及纳米磁流变流体领域。具体而言，本实用新型涉及制备纳米磁流变流体的设备。本实用新型还公开了新型纳米磁流变流体及其制备工艺。
【背景技术】
[0002]磁流变流体是一种随着磁场出现其粘度发生变化的液体。由高磁导率、低磁滞性的软磁颗粒通过表面活性剂的作用均匀分散于非导磁性载液中而构成的稳定悬浮液体系。磁流变流体的工作原理是:在外加磁场的作用下，每一颗粒都极化成磁偶极子，各个偶极子相互吸引，在两磁极板间形成的链束状结构像桥一样横架在极板之间，阻碍了流体的正常流动，使其产生类固体的特征。当去掉外加磁场时，流体又恢复到原来的状态，即磁流变液在液态和固态之间进行快速可逆的转换。固态化程度与电流强度成稳定可逆的关系，即控制电流强度就可以精确控制固态化磁流变液的剪切屈服强度。
[0003]磁流变流体多年来研究者甚多，目前也已被逐渐应用于各种器件中控制阻尼力，如减震器、震动吸收器、人体假肢和弹性座椅等。磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定的对应关系，非常容易实现智能控制。因此，磁流变液是一种用途广泛、性能优良的智能材料，磁流变流体的应用领域正在迅速扩大。
[0004]传统的磁流变流体存在磁滞现象，分散于磁流变流体中有磁滞的磁响应颗粒在磁场去除后因颗粒有剩磁而使磁流变流体不能完全恢复到自由流动状态，干扰了磁流变流体工作器件的控制过程。为了降低矫顽磁力，传统的磁流变流体的磁颗粒的粒径大于0.Ιμπι，优选粒径大于Ιμπι，(见美国专利US6203717B1等)，这就带来了另一个突出问题，S卩，磁颗粒在磁流变流体中易沉降。
[0005]颗粒趋于沉淀的原因之一是油的密度(0.7-0.95g/cm3)与金属颗粒的密度(铁颗粒约为7.86g/cm3)差别很大，原因之二是传统的磁流变流体中的可磁化颗粒粒径较大(其优先粒径大于Ιμπι，即1000纳米，如美国专利US6203717B1等)，微细固体颗粒在流体介质中的自由沉降末速度与其粒径的平方成正比。材料的沉降造成了颗粒的非均匀分布，干扰了磁流变流体的活性。一些早期的磁流变流体(参见美国专利2575360、2661825、2886151、US6203717B1等)主要成分是铁粉末和低粘度油、这些磁流变流体均易于沉淀，且沉淀的速率随着温度的上升而加快。所以通常需要添加各种增稠剂和悬浮剂。由于这些防沉降组分的大量加入，大幅提高了磁流变流体的粘度，但是，这同时增加了材料在无磁场状态的流动阻力(粘度)。
[0006]磁颗粒的沉降直接导致磁流变流体的使用寿命短、可靠性低和最终导致磁流变流体失效。
[0007]磁流变流体的初始粘度大、流动阻力大，这直接导致部分设备在未加磁场时的例如运动部分或器件的性能低下。
[0008]磁滞的存在是现有技术的通病，这种缺陷会随着使用时间的延迟愈发突出，这不仅会导致磁流变流体及其应用设备的性能低劣，而且特别是会造成流体或设备的控制响应性能和可靠性低下，并且同样也会存在使用寿命短的缺陷。
[0009]除了颗粒沉降、初始粘度大和存在磁滞，现有磁流变流体的还存在的另一个突出的技术问题是磨损问题。磁流变流体中的磁颗粒会与其接触的运动部件表面造成磨损，可磁化颗粒的粒径越大，磨粒磨损越严重。
[0010]因此，随着技术的发展本领域需要改进的磁流变流体及其制备工艺和设备，以克服现有技术中的缺陷。
【实用新型内容】
[0011]本实用新型开创性地提出了制备和提供纳米磁流变流体来解决上述技术问题和其它现有技术中的缺陷。本实用新型还提出了制备纳米磁流变流体的设备和方法。
[0012]如果磁响应颗粒存在磁滞现象，在磁场去除后因颗粒有剩磁而使磁流变流体不能完全恢复到自由流动状态，不利于磁流变流体工作器件的控制，这就要求磁流变流体的磁响应颗粒具有尽可能低的矫顽磁力。矫顽磁力是描述铁磁材料的磁滞现象的重要参数。
[0013]细颗粒磁性材料的矫顽磁力机制与块材料不尽相同，铁磁颗粒的矫顽磁力严重依赖于其尺寸的大小(见图1)。
[0014]图1显示了磁颗粒的矫顽磁力与粒径的关系。在微米范围内，减小粒径通常导致矫顽磁力的增加，矫顽磁力的最大值可以在“单域”粒径(Dsd)中获得。但是，当磁颗粒的粒径减小到“单域”粒径以下时，矫顽磁力反而随着粒径减小而降低，当磁颗粒的粒径降到一个临界纳米尺度(Dsp)以下时，其矫顽磁力降为零，这时原来的铁磁性材料转换成为超顺磁材料，超顺磁材料即其矫顽磁力降至基本为零的磁材料。
[0015]图2显示了部分铁磁材料的单域粒径(Dsd)和超顺磁性转换粒径(DSP)。
[0016]如果磁颗粒的粒径减小至纳米级的一定尺度的范围内，则矫顽磁力令人惊奇地降至基本为零或完全为零，这时原来的铁磁性材料转换成为超顺磁材料，当这些磁颗粒被用于磁流变流体时，就能够得到性能完全超越现有技术的本实用新型的新型纳米磁流变流体。
[0017]与传统的磁流变流体(如美国专利2575360、2661825、2886151、5645752、7393463B2、6203717B1和2006/0033069 Al等专利中所描述)相比，本实用新型的装置制备的纳米磁流变流体材料具有如下优势:
[0018]a.无磁滞
[0019]传统的磁响应颗粒存在磁滞现象，磁场去除后因颗粒有剩磁而使磁流变流体不能完全恢复到自由流动状态；同时，上升的磁化曲线与下降的磁化曲线不重合，影响控制器的控制过程。本实用新型的纳米磁响应颗粒材料具有超顺磁性，即，矫顽磁力基本为零，因此制得的纳米磁响应颗粒材料基本无磁滞。
[0020]b.不易沉降
[0021]微细固体颗粒在流体介质中的自由沉降末速度与其粒径的平方成正比。传统的磁响应颗粒为了降低剩磁，其优选粒径均在IMi以上(详见这些专利的说明)，本实用新型材料的粒径不到传统材料的1/50，在流体中的沉淀速度不到传统材料1/2500，解决了磁流变流体的颗粒沉降问题。
[0022]c.减轻对构件的磨损率
[0023]磨粒磨损与磨粒的粒径密切相关，本实用新型材料的粒径不到传统材料的1/50，可显著降低对运动部件的磨损。
[0024]d.初始粘度低
[0025]因纳米材料沉降速度低的特性，载液中无需大量加入高粘度的抗沉降组分；因为本实用新型的纳米磁响应颗粒无磁滞现象，磁场去除后不存在剩磁，磁流变流体可以恢复到自由流动状态。这些因素均可使磁流变流体的初始粘度大幅度下降。
[0026]e.本实用新型的装置可实现连续生产，生产效率高，生产成本低。
[0027]更具体而言，根据本实用新型，提供了一种纳米磁流变流体，包括:纳米级的可磁化的磁颗粒，其中，所述磁颗粒的平均粒径小于100纳米;和用作载液的流体，其中，所述磁颗粒弥散分布在所述流体中；和添加到所述流体中的添加剂。
[0028]根据本实用新型的一实施例，所述磁颗粒的粒径在临界纳米尺度(Dsp)以下，所述临界纳米尺度(Dsp)取决于所述磁颗粒的材料类型。
[0029]根据本实用新型的一实施例，所述磁颗粒的平均粒径能够实现超顺磁性，例如小于80纳米，优选小于50纳米，比如在0.1-80纳米之更间，优选在0.2-50纳米之间，最优选地在0.5-20纳米之间。
[0030]根据本实用新型的一实施例，磁颗粒的材料可选自铁、铁合金、铁钴合金、铁铂合金、铁的氧化物、氣化铁、碳化铁、幾基铁、银、钻、一■氧化络、FePt、SmCo、NdFeB、不镑钢、娃钢，或是这些材料的组合。
[0031]根据本实用新型的一实施例，所述流体是有机液体，优选为α-烯烃。
[0032]根据本实用新型的一实施例，所述流体还包含添加剂，所述添加剂选自表面活性剂、分散剂、防沉降剂、有机触变剂，增稠剂，抗氧化剂，润滑剂，粘度调节剂、阻燃剂、有机粘土类流变性添加剂、含硫化合物以及这些添加剂的组合，所述添加剂的量占磁流变流体组合物的总体积的约0.01%至约20%，优选约0.01%至约10%。
[0033]根据本实用新型的一实施例，所述磁颗粒的体积占流体总体积约10%至70%。
[0034]根据本实用新型的一实施例，所述纳米磁流变流体在无磁场和大约40°C的状态下其粘度约0.2至约1000厘泊。
[0035]根据本实用新型的一实施例，所述磁颗粒是形状各向异性的和/或磁晶各向异性的。
[0036]根据本实用新型的一实施例，所述形状各向异性的磁颗粒具有非球形的形状。
[0037]根据本实用新型的一实施例，所述非球形的形状选自片状、条状、棒状、圆柱状、棱柱状或者它们的任意组合。
[0038]根据本实用新型的一实施例，所述片状或条