納米磁性流體密封是一種新型密封技術, 它具有零泄漏、無污染、無磨損、壽命長、結構簡單等其他密封方式所無可比擬的優點。介紹了納米磁性流體密封的原理、磁場和密封壓差的計算設計方法、密封能力的影響因素等問題的研究現狀。對納米磁性流體密封的市場前景作了展望, 對其中存在的問題作了簡要評述, 并指出了它的發展方向。

　　納米磁性流體是一種新型的液體功能材料, 它是一種納米鐵磁性微粒(直徑在0.1～10nm 之間) 在表面活性劑的包覆下, 穩定地分散在載液中而形成的一種膠體 。納米鐵磁性微粒在載液中作布朗運動, 獲得動能, 懸浮于載液中, 從而保持流體的穩定性。這種特殊的液態磁性材料在機械、動力、航空航天和醫學等方面有著廣闊的應用前景。由于它的獨特的超順磁性, 流體密封是它的一個重要用途。

　　納米磁性流體密封以其零泄漏、長壽命、無污染、高可靠性、低損耗性、無方向性及良好的自修復性在各種密封產品中獨占鰲頭, 其可應用的范圍是很完美的密封技術之一。可實現的特殊密封領域有: 計算機磁盤存儲器的密封; X射線管和X 射線機的旋轉靶密封; 單晶真空旋轉軸的密封; 在半導體工業中各種薄膜和光刻腐蝕等裝置和半導體生產的清潔機器人的連接處密封; 在紡織和機械加工中的隔絕密封; 氣體激光器, 真空加熱爐, 發酵罐, 超導電機的密封;船舶的螺旋推進器的密封; 宇宙飛船上望遠鏡軸端部的密封, 以及人造心臟的線性運動密封等。

1、納米磁性流體的密封原理

　　納米磁性流體的密封原理如圖1所示, 是由非磁性外殼、環形永久磁鐵、環形磁極、導磁軸和納米磁性流體組成, 磁極與外殼的靜密封用O 形圈密封, 在轉軸的表面或磁極的內表面開有若干齒槽聚焦結構,組成多級密封。這樣, 由永久磁鐵、兩個環形磁極、納米磁性流體和轉軸構成閉合磁回路, 在磁極與轉軸的間隙中產生強磁場, 納米磁性流體被約束在間隙中。在磁場的作用下, 納米磁性流體產生體積力,沿齒槽聚焦結構的極尖處形成液體“O”形密封圈。轉軸可在該液體的“O”形圈中自由轉動。靠該液體“O”形密封圈的承壓能力起到旋轉密封的作用。

1轉軸; 2環形磁極; 3外殼;4靜密封圈; 5永久磁鐵; 6極尖及納米磁性流體珠

圖1 　納米磁性流體密封原理

　　它的承壓過程和失效機理如下: 當無外加壓差時, 納米磁性流體穩定于極尖下, 納米磁性流體所受磁場力為零。當存在外加壓差時, 納米磁性流體發生位移和變形, 因而產生磁場力, 磁場力與外加壓差相平衡, 磁場力的大小取決于納米磁性流體的位置和形狀。當外加壓差達到一定數值后, 磁場力不能與外力相平衡, 納米磁性流體不再處于穩定的平衡狀態, 被外力“推出”密封間隙, 從而密封失效。納米磁性流體密封失效后, 壓差降低, 納米磁性流體會自動恢復其密封性能。多級密封中, 第一級密封失效時, 可由第二級密封承壓, 第一級密封由于壓差降低而恢復,從而形成聯合承壓。總壓差不超過各級壓差之和時納米磁性流體密封就不會失效。

2、納米磁性流體密封承壓能力的計算方法

(1) 靜止密封分析

　　從不同的角度出發, 納米磁性流體密封承壓能力有不同的計算方法, 比較有代表性的有如下幾種。

1) Bernoulli方程法

　　因流體有粘性, 在液體運動時, 因粘性阻力使能量逸散. 在緩慢運動時, 粘性所致能量損失小到可以不計, 液體近似“無粘性液體”, 此時可以利用修正的Bernoulli 方程描述其狀態。在不計重力的前提下,納米磁性流體密封壓差的表達式為:

　　式中: P2 - P1 —密封壓差, M( H) —磁性流體的磁化強度, H —外磁場強度, 下標1 和2 分別表示磁性流體的低壓和高壓側表面。在使用Bernoulli 方程時要作以下三個假設 : ①納米磁性流體本身的重力和磁場力相比可以忽略; ②磁力線可以近似用圓弧代替, 并且認為等磁場線與磁力線重合; ③忽略納米磁性流體的表面張力。而當上述情況與理想條件差別較大時, 必然會帶來誤差。

2) 虛位移原理法

　　這種方法假設磁力線是平行于納米磁性流體曲面的, 如圖2 所示。如果壓差增加, 將對納米磁性流體做功, 在數量上應該等于磁力線被拉長所需做的功 。磁力線被拉伸所做的功為:

圖2 　納米磁性流體假想形狀和計算磁力線長的幾何圖

3) 應力分析法

　　應力分析法認為納米磁性流體內壓強為常數, 根據流體介質中的Maxwell 應力張量推導出密封壓差公式為:

　　式中: Ms —飽和磁化強度。

4) 納米磁性流體靜力學分析法

　　哈爾濱工業大學的鄒繼斌等根據磁性流體的連續介質模型, 推導出納米磁性流體的內部壓強, 并且通過應力分析得出納米磁性流體表面的邊界壓差,進而推導出密封壓差公式為:

　　式中: Mt —磁化強度的切向分量, ρ—納米磁性流體的密度, g —重力加速度, h —納米磁性流體的深度。

(2) 旋轉密封分析

　　在旋轉密封中, 離心力的作用使納米磁性流體的運動狀態發生變化。日本學者神山新一和武富荒都曾假設納米磁性流體的運動速度是沿著徑向按照線性規律變化的, 并且對旋轉軸密封進行了理論分析。通過求解Navier - Stokes 方程, 得出特定磁極形狀時旋轉密封的壓差公式為:

　　在理論上, 納米磁性流體密封的靜力分析已經比較成熟, 基本能夠滿足工程計算分析的要求, 但對任意磁極形狀的旋轉軸密封中離心力的作用卻還有待進行深入的研究, 由于納米磁性流體的特性受溫度和磁場的影響, 結合電磁學、流體力學、熱力學和流變對納米磁性流體密封的理論進行系統的研究是非常必要的。