石墨烯包覆铁磁颗粒基磁流变减震材料研制与力学性能研究

摘要

磁流变液是由微米或纳米级铁磁颗粒均匀分散于载液中形成的固/液两相悬浮液，其组成部分包括铁磁颗粒、载液以及添加剂这三大类。在无外加磁场作用时，表现为具有一定流动性的液体状态，一旦施加磁场即可在毫秒级的反应时间内迅速转变为半固体状态并具备一定的剪切屈服强度。磁流变液不仅具有这种特殊的磁流变效应，还具备使用温度范围广、安全可靠、绿色环保等优点，以磁流变液为主要材料制成的磁流变装置形式多样如阻尼器、制动器、离合器及液压阀等等。但随着研究的不断深入，磁流变液材料的一些问题如沉降稳定性差、可调范围不够大以及在理论方面缺乏能够精确描述磁流变液微观力学状态的力学模型等逐渐暴露出来，这一系列问题都严重阻碍了其在实际中的广泛应用。
　　本文从研究磁流变液的各个组成部分入手，探究了纳米级Fe3O4颗粒基磁流变液的制备方法与可行性，并利用控制变量法研究了新型轻质铁磁颗粒—氧化石墨烯包覆铁磁颗粒的制备以及微米级磁流变液各组分用量的选择等等，配制了一批磁流变液样品并进行了主要的性能测试，依据测试结果对各系列样品进行比较和筛选，最终得到性能优良的磁流变液样品。理论方面，建立了磁流变液剪切屈服应力的修正耦合场力学模型，并将计算得到的理论值与试验值进行对比以验证该力学模型的正确性。主要的工作内容总结如下:
　　1)利用油酸包裹的纳米Fe3O4颗粒制备纳米级磁流变液并探究其性能和可行性，结果表明制备得到的纳米级磁流变液样品沉降稳定性不够理想，性能有待进一步改善。
　　2)制备了以氧化石墨烯为包覆材料的轻质复合铁磁颗粒，并通过观察SEM照片及磁流变液样品的沉降稳定性能不断优化制备方案。同时对表面活性剂改性铁磁颗粒的试验条件即超声强度进行优化，使得包覆效果得以提高。
　　3)本试验采用控制变量法配制各组分含量不同的磁流变液样品，分别为A-F六个系列，通过进行稳定性、粘度以及剪切屈服应力测试研究了两种复合铁磁颗粒的用量比例、铁磁颗粒的总体积分数、液体石蜡用量等对磁流变液性能的影响。此外，还对比了碳纳米管和氧化石墨烯分别作为包覆材料对磁流变液的沉降稳定性及粘度的影响，结果表明:对于磁流变液的沉降稳定性，氧化石墨烯的改善效果要略微小于碳纳米管;但对于磁流变液的粘度与可调性，氧化石墨烯的改善效果要显著优于碳纳米管。
　　4)基于磁荷法和耦合场理论，建立了磁流变液剪切屈服应力的修正耦合场力学模型，并将计算得到的理论值与试验值进行对比以验证该力学模型的正确性。
　　本文的创新之处在于:
　　1)制备了轻质复合铁磁颗粒—氧化石墨烯包覆铁磁颗粒，并与表面活性剂改性铁磁颗粒混合制备磁流变液，通过测试稳定性、粘度及剪切屈服应力不断优化制备方案，从而得到性能优良的磁流变液。
　　2)提出了磁流变液剪切屈服应力的修正耦合场力学模型，并将计算得到的理论值与试验值进行对比以验证该力学模型的正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 磁流变液的研究现状

1．2．1 磁流变液的制各技术研究

1．2．2 磁流变液的性能评价研究

1．2．3 磁流变液的应用

1．3 本文研究内容

1．3．1 目前研究中存在的问题

1．3．2 研究内容

第二章 磁流变液的制备

2．1 磁流变液的组成

2．1．1 磁性颗粒

2．1．2 载液

2．1．3 添加剂

2．2 复合铁磁颗粒的制备

2．2．1 油酸包裹纳米级Fe3O4铁磁颗粒的制备

2．2．2 氧化石墨烯(GO)包覆铁磁颗粒A的制备

2．2．3 表面活性剂改性铁磁颗粒B的制备

2．2．4 轻质铁磁颗粒的表面形貌分析

2．2．5 复合铁磁颗粒的基本性能

2．3 磁流变液的制各技术及方案设计

2．3．1 制备工艺

2．3．2 制备方案

2．4 本章小结

第三章 磁流变液的性能测试

3．1 稳定性测试

3．1．1 测试原理及方法

3．1．2 再分散性观测

3．1．3 抗沉降性观测

3．2 零场粘度测试

3．2．1 测试原理及方法

3．2．2 零场粘度测试结果分析

3．2．3 粘温测试结果与分析

3．3 剪切屈服应力测试

3．3．2 测试装置介绍

3．3．3 测试结果及分析

3．4 本章小结

第四章 磁流变液的力学模型

4．1 磁流变液的常用力学模型

4．2 磁流变液的微观力学模型

4．2．1 磁荷法和耦合场理论

4．2．2 磁流变液的修正耦合场力学模型推导

4．3 理论与试验结果对比

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

作者攻读硕士学位期间发表的论文

致谢