磁场对磁流变液沉降行为的影响

《Powder Technology》：Influence of magnetic fields on sedimentation behavior of magnetorheological fluids

　　

• 研究了各种磁场配置对磁流变液（MRF）沉降的影响。• 磁场显著增强了MRF的沉降稳定性。• 垂直均匀磁场使最终沉降比降低了50%以上。• 沉降行为通过磁场控制粒子链的形成来调控。

引言

磁流变液（MRF）是一种胶体悬浮液，由软磁性颗粒分散在载体液中组成。MRF的组成与磁流体（MF）类似，但它们的悬浮相存在一些差异。在磁流体中，其悬浮相由纳米级Fe?O?颗粒构成。相比之下，在MRF中，其悬浮相由铁磁性颗粒构成，大部分为直径0.5至10 μm的羰基铁粉（CIP）。由于粒径较大，在MRF中重力大于范德华力等其他力，导致重力主导颗粒运动。此外，颗粒与载液之间显著的密度差异导致颗粒沉降。研究表明，沉降会改变MRF的流变性能，降低其屈服应力和响应灵敏度。在严重情况下，沉降颗粒可能团聚并结块，形成难以再分散的硬沉淀[1], [2], [3]。这可能导致磁流变装置性能下降甚至完全失效。特别是在MRF长时间静止的某些应用场景中，如持续暴露于磁场中时，颗粒的沉降行为存在显著差异。因此，在研究MRF沉降行为时，必须考虑到运行环境，它在确保磁流变装置可靠运行中起着关键作用。

关于MRF沉降稳定性的报道通常聚焦于其材料组成：磁性颗粒、载体液和添加剂。关于磁性颗粒，常见方法包括用SiO?[4]或聚苯乙烯泡沫[5]进行包覆以降低其平均密度，用表面活性剂[6], [7]进行包覆以增强颗粒与载液之间的相互作用，以及添加纳米颗粒[8]或亚微米颗粒[9]以增强颗粒间的静电和空间排斥力，从而减缓颗粒团聚和沉降。关于载体液，控制其粘度是首要考虑因素。此外，研究人员探索了特殊载体液与改性颗粒相结合以提高沉降稳定性，例如能够与颗粒表面官能团氢键相互作用的深共晶溶剂分子[10], [11]，以及能够形成离子层以增强颗粒间相互作用的离子液体[12], [13]。关于添加剂，一些研究引入了触变剂或抗沉剂以提高抗沉降能力[14], [15], [16]。然而，目前研究大多集中在材料改性策略和无场条件下。虽然应用这些方法可以提高静态沉降性能，但磁场对沉降行为的调制效应却被忽视了。

实际上，MRF的典型运行环境通常伴随有外部磁场。磁性颗粒的磁化导致磁偶极相互作用，这改变了MRF的微观结构演变和宏观沉降行为[17]。颗粒沿磁场方向相互吸引，导致形成链状、柱状甚至网状聚集体[18]，从而显著改变微观结构、颗粒运动和力学响应[19], [20]。因此，仅基于无场条件的沉降规律不足以完全解释实际磁环境中的沉降行为。

特别是，磁场诱导的微观结构可能改变有效沉降单元、浓度分布[21]和颗粒的运动状态[22], [23]，进而影响宏观沉降速率、沉降界面的演变和最终稳定性。可以看出，MRF在磁场中的沉降行为与无场条件存在显著差异。外界磁场对MRF沉降行为的影响引起了更多关注。根据以往的报道，施加磁场的类型、强度、方向和分布对颗粒微观结构演变和宏观沉降行为有显著影响[24], [25], [26]。

在均匀磁场下，磁化颗粒沿磁力线组装成链状或柱状结构[27]。这些结构之间的磁相互作用可以部分抵消重力沉降，从而有助于维持悬浮液的分散稳定性。这一效应在文献[28]中通过实验得到了证明。然而，该研究仅考虑了2 mT的低磁通量密度，并额外采用了表面包覆来抑制沉降，难以分离磁场的贡献。文献[29]进一步报道了MRF在1 A和2 A电流产生的均匀磁场下几乎没有沉降，对应的磁通量密度分别为约50 mT和100 mT。然而，仅在单一低场强或有限场强下进行的测量无法揭示磁场强度与沉降比之间的定量关系。

梯度磁场可以对磁性颗粒产生磁泳力，使其向磁场强度较高的区域迁移[30]。当MRF放置在永磁体上方时，磁场可以产生较大的磁泳力，导致磁性颗粒更明显的迁移和聚集[31]。通过调整磁场的空间分布使所产生的磁泳力方向向上，可以改变磁性颗粒的沉降动力学。对恒定梯度磁场中单个颗粒的研究表明，磁场梯度可以有效调控其沉降速度[32]。另一项研究报道，通过永磁体在流体上方产生的简单梯度磁场可以减缓MRF的沉降[33]。然而，所产生的磁场梯度在空间上不均匀且无法调节，无法系统地研究磁场梯度与沉降行为之间的关系。

此外，其他研究者还调查了交变磁场下MRF的沉降稳定性[34], [35]，结果表明沉降行为也可以被调制。

总体而言，现有研究通过实验观察、沉降稳定性评估和数值模拟探索了磁场对MRF沉降行为的影响。然而，在底层机制方面仍有待进一步研究，特别是磁场类型和参数与微观结构演变及宏观沉降特性之间的关系。

在本工作中，我们研究了外部磁场作用下MRF的沉降行为，特别关注沉降动力学和颗粒微观结构的演变。我们设计并构建了一种能够产生均匀和非均匀磁场的磁场发生器。此外，开发了一种结合实时成像与图像分析的方法来量化沉降比和沉降速率。实验在垂直和水平方向的均匀磁场以及恒定梯度磁场下进行，以确定磁场配置和参数如何影响MRF的沉降特性。进一步分析了沉降过程中颗粒微观结构的演变和作用于颗粒上的竞争力，以阐明磁感应链状、柱状和聚集体结构如何主导宏观沉降行为。这些研究阐明了磁场参数、颗粒微观结构演变和宏观沉降特性之间的关系，从而为改善磁流变液在磁场运行环境中的稳定性提供了理论基础和实验指导。

MRF的制备

选用羰基铁粉（CIP）作为磁性颗粒，硅油作为载体液制备MRF，其密度为7860 kg/m3，B-M曲线和粒径分布如图1所示。在后续讨论中，CIP的尺寸以3 μm的中位径来表征。至于硅油，其动力粘度为100 mPa·s，密度为963 kg/m3。由于硅油是透明的，便于观察沉降过程。CIP与硅油的

磁-重力比

为了定量表征磁场中颗粒沉降过程中磁力与净重力之间的竞争关系，引入了一个无量纲参数——磁-重力比。该比值进一步分为磁偶极力-重力比λmd-g和磁泳力-重力比λm-g：

λmd-g = Fmd/Fg，λm-g = Fm/Fg

其中Fmd为颗粒的磁偶极力，Fm为

无场条件下的沉降行为

作为后续磁场下研究的对照组，研究了无磁场（零场）条件下MRF的沉降行为。测试了不同颗粒质量分数MRF的沉降比，其沉降曲线如图7所示。相应的沉降过程图像如图8所示。沉降曲线显示了一种先快速沉降然后趋于稳定的模式。当

结论

在本工作中，研究了磁场配置、方向和强度对MRF沉降行为的影响。引入了磁-重力比以识别主导力并建立颗粒微观结构演变与宏观沉降行为之间的关系。

所有测试的磁场相对于零场条件都改善了沉降稳定性。垂直均匀磁场提供了最大的

符号表

B? 中心点磁通量密度
B 磁通量密度
d 颗粒直径
DBE 布朗-爱因斯坦扩散系数
eij 矢量rij的单位矢量
Fd 粘性阻力
Fg 重力
Fm 磁泳力
Fmd 磁偶极力
Ftotal 颗粒合力
Grm 磁格拉晓夫数
g 重力加速度
H 磁场强度
h 上表面到分离界面的距离
h? 上表面到底部的距离
I 电流
kB 玻尔兹曼常数
L 特征长度
mCReDiT

作者贡献声明

Di Bian：撰写–审稿与编辑，撰写–初稿撰写，可视化，方法论，调查，形式分析，概念化。Jiachen Zhu：撰写–初稿撰写，可视化，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Yingtao Sun：可视化，验证。Aiqin Mao：可视化。Jianfeng Zhou：撰写–审稿与编辑，资金获取，概念化。Liwei Wu：撰写–审稿与编辑，方法论。Zhigang Li：验证。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（项目编号：52175171）和江苏省研究生科研与实践创新计划项目（项目编号：KYCX25_1746）的支持。感谢南京工业大学高性能计算中心提供的高性能计算资源。

Di Bian|Jiachen Zhu|Yingtao Sun|Aiqin Mao|Jianfeng Zhou|Liwei Wu|Zhigang Li