磁流體密封的研究發展現狀

2015-10-04 中國石油潤滑油重點實驗室

  實現磁流體密封有兩大關鍵技術要素: 一是滿足使用要求的高性能磁流體的制備; 二是具有優異密封性能的磁流體密封裝置的設計。磁流體密封現狀要就主要集中在磁流體制備技術研究、磁流體密封結構的研究。

  磁流體是由基載液、磁性微粒和表面活性劑3部分組成,為了得到穩定的磁性液體,強磁性微粒必須足夠小,強磁性微粒主要包括四氧化三鐵、氮化鐵等物質,表面活性劑一般是指具有兩親性結構的有機物,其一端為極性基團,極性基團包覆在磁性粒子表面防止其團聚,另一端為非極性基團,主要指長鏈的有機分子,非極性基團伸入基液中,使磁性粒子具有親水或者親油性,磁性粒子能夠穩定存在并溶入基液中的前提是基液要與表面活性劑具有相似結構。基液是磁性粒子能夠穩定存在的介質,基液不僅應該滿足低黏度和高化學穩定性等特性,同時還需要滿足低蒸發速率和耐高溫等特性,基液的性質決定了磁流體的用途。目前,磁流體制備技術主要包括磁性納米粒的制備、磁性納米粒的表面改性以及磁性流體的制備,主要制備方法有球磨法、表面活性劑法、化學沉淀法、微乳液法、氣相液相反應法等。無論哪種制備方法,均需要根據實際使用狀況的不同,選取合適的基液和表面活性劑,制備出高性能、高穩定性的磁流體。良好的磁性液體必須具有下列性能:

  (1)應具有較大的磁飽和特性,磁飽和特性是磁性材料的一種固有特性,較大的磁飽和特性可以保證磁流體對外界磁場強度的最大響應,其可以使盡可能大的磁場通過磁流體,從而給磁性納米顆粒提供盡可能大的能量,使磁流體具有更為明顯的磁特性。

  (2)應具有優良的磁化和退磁特性,磁化和磁退效應是指磁流體在磁場作用下的響應變化效果,磁流體的磁流變效應是一種可逆變化。良好的磁流體要求磁導率很大,內聚力較小,同時具有狹窄的磁滯回線。

  (3)應具有高度磁化和穩定的性能,磁流體的磁化特性和穩定性能取決于磁性液體中強磁性納米粒子的分布,磁性納米粒子顆粒大小均一并且分布均勻才能保證磁流體具有高度磁化和穩定的性能,這就要求磁流體制備過程中需要控制好磁性納米粒子均勻分布。

  (4)應具有較小的能量損耗,磁流體利用磁化作用達到密封目的,工作期間會由于磁滯等現象造成損耗,磁流體的制備應該保證該損耗應該是一個很小的量。

  (5)應具備較好的磁粘效應,當沒有外加磁場時,磁流體和普通流體一樣,呈牛頓流體流動特性,當存在外加磁場時,磁流體呈現非牛頓流體特性,磁流體粘度隨著磁場變化而變化,可以通過控制外加磁場強度來調控磁流體粘度變化。

  (6)應具有極高的穩定性,尤其是在一定溫度范圍內,需保證磁性液體的流變性能不會因溫度的變化而發生劇烈變化。

  (7)應具有較低的制備成本,磁流體的制備原料和方法應該保證其成本低廉。

  磁流體密封能力除了和磁流體本身特性有關之外,還與磁流體密封結構設計密切相關。磁性液體密封的結構設計形式很多,不同結構設計形式對磁流體密封性能影響不一樣。磁流體密封裝置結構設計可以通過計算磁場間隙磁場強度分布計算來確定。錢濟國等人根據流體靜力學和動力學,分別闡述了磁性液體靜密封和動密封的分析方法,關于密封裝置磁場間隙內磁性液體密封的運動方程做了詳細說明。推導出了磁性液體密封能力的計算公式,進一步由公式明確了影響磁性液體密封能力的主要因素。作者指出磁性液體軸封的靜密封能力易于保證,對于動態密封,影響因素較為復雜,不僅僅需要考慮密封裝置磁場設計,真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為還需考慮磁流體本身磁特性和液態流動性,磁流體動態密封能力的提高需從多方面綜合考慮,一方面可以提高磁流體本身的磁飽和強度,增大外加磁場強度,另一方面可以減小磁流體本身密度,降低旋轉軸轉速,還可以通過采用多級密封結構形式來提高磁流體動密封能力。