化学辅助磁流变剪切增稠抛光氧化锆陶瓷管的内表面优化研究

针对氧化锆陶瓷管内表面缺陷难题，山东科研团队提出化学辅助磁流变剪切增稠抛光（CMSTP）新方法，通过优化磁场设计（N54 NdFeB磁极）和开发复合抛光液（含H2 O2 、SiC等），实现表面粗糙度从1.209 μm降至102 nm，效率提升24%。该研究为高精度医疗器械和航空航天部件加工提供创新解决方案。

　　

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论文解读

氧化锆陶瓷管因其卓越的硬度、耐腐蚀性和高温稳定性，成为医疗植入物、航天发动机部件等高端领域的核心材料。然而，传统成型工艺（如立体光刻3D打印和烧结）导致内表面存在微裂纹和粗糙凸起，直接影响器械使用寿命。现有激光抛光受限于管状结构几何约束，酸性化学机械抛光又易产生腐蚀缺陷，行业亟需一种兼顾效率与精度的新型加工技术。

山东某研究团队在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》发表的研究中，创新性地将化学蚀刻、磁流变效应（Magnetorheological Effect）和剪切增稠（Shear Thickening）三重机制融合，开发出化学辅助磁流变剪切增稠抛光（CMSTP）系统。通过四组N54钕铁硼径向磁极构建梯度磁场，配合含H₂
O₂
的复合抛光液（CMSTPs），在700 r/min转速下实现表面粗糙度降低一个数量级，效率较传统磁流变剪切增稠抛光（MRSTP）提升24%。

关键技术方法

1. 磁场仿真设计：采用COMSOL模拟四磁极空间磁场分布，验证0.5 mm工作间隙下的磁通密度均匀性；
2. 复合抛光液制备：将聚羟基聚合物（PHHP）、100 μm羰基铁颗粒（CIPs）、SiC磨料与磷酸酯表面活性剂复配，通过超声分散获得稳定悬浮液；
3. 多参数优化实验：系统测试CIPs粒径、工件转速对材料去除机制的影响，结合超深场显微镜和SEM表征表面形貌演变。

研究结果

1. 磁场仿真分析：磁极末端至管件中心的磁感应强度达0.35 T，形成定向链状磁流变结构；
2. 化学辅助机制：H₂
   O₂
   通过氧化锆表面羟基化作用软化材料，使SiC磨料更高效去除凸起；
3. 参数优化效应：100 μm CIPs在0.5 mm间隙下产生最佳剪切应力，700 r/min转速平衡了切削力与流态稳定性；
4. 表面质量突破：75分钟抛光后，表面粗糙度Ra从1209 nm降至102 nm，SEM显示划痕和凹坑完全消除。

结论与意义
该研究首次将化学协同效应引入磁流变剪切增稠抛光体系，通过Xiang Zhang和Zenghua Fan团队设计的径向多磁极结构，解决了管状件内表面加工的可达性问题。CMSTP技术不仅为氧化锆陶瓷精密制造提供新范式，其PHHP基流体设计思路还可拓展至其他硬脆材料加工领域。未来通过调控H₂
O₂
浓度梯度或开发脉冲磁场模式，有望进一步突破纳米级表面加工极限。