1、磁流體

　　磁流體也稱磁液或鐵磁流體( 英文為Magnetic Fluid 或Ferrofluid) , 它是將鐵磁性納米微粒摻入到載液中, 并用表面活性分散劑使其均勻地分散到載液中, 從而形成的一種固液相混的懸浮狀的膠體。磁流體具有以下特點(diǎn): ①在磁場的作用下, 磁化強(qiáng)度隨外加磁場的增加而增加, 直至飽和, 而外磁場去除以后又無任何磁滯現(xiàn)象, 磁場對磁流體的作用力表現(xiàn)為體積力。②與一般納米粒子相同, 具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。③具有液體的流動(dòng)性, 在通常的離心力和磁場的作用下, 既不沉降, 也不凝集。

表1 　磁流體組分材料概況

　　磁流體是一種在工程技術(shù)甚至生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛用途的高科技材料。20 世紀(jì)60 年代中期, 美國首先成功用于解決宇航服可動(dòng)部分的真空密封以及在失重狀態(tài)下宇宙飛船液體燃料的固定問題。此后磁流體技術(shù)逐漸被人們所認(rèn)識, 其研究應(yīng)用一直是世界各國十分關(guān)注的前沿課題, 我國科研工作者經(jīng)過數(shù)年的潛心研究, 于1997 年生產(chǎn)出首批產(chǎn)品。目前國際上僅美、中、俄、日等少數(shù)國家能夠生產(chǎn)。磁流體結(jié)構(gòu)模型及實(shí)物圖如圖1 所示, 磁流體組分材料概況如表1 所示。

1 - 載液　2 - 磁性微粒　3 - 分散劑實(shí)物圖

圖1 　磁流體結(jié)構(gòu)模型及實(shí)物圖

2、磁流體密封

　　磁流體密封是利用在外加磁場作用下磁流體具有承受壓力差的能力而實(shí)現(xiàn)的密封。其基本原理如圖2所示, 磁性回路由永久磁鐵、極靴和轉(zhuǎn)軸組成。放置在導(dǎo)磁性良好的轉(zhuǎn)軸與極靴頂部之間的制作精良的磁流體在高性能的永久磁鐵產(chǎn)生的磁場作用下高度集中, 形成一個(gè)液體o型密封圈, 當(dāng)磁流體受到壓力差作用時(shí), 磁流體在非均勻磁場中略微移動(dòng), 產(chǎn)生了對抗壓力差的磁力, 從而達(dá)到新的平衡, 進(jìn)而將轉(zhuǎn)軸與極靴間的縫隙堵死而達(dá)到密封的目的。

1 - 永久磁鐵　2 - 極靴　3 - 旋轉(zhuǎn)軸　4 - 磁流體

圖2 　磁流體密封的基本原理

　　磁流體密封中的轉(zhuǎn)軸可以是磁性體, 也可以是非磁性體。前者的磁束集中于轉(zhuǎn)軸與極靴間的縫隙處,通過轉(zhuǎn)軸構(gòu)成磁性回路; 后者的磁束并不通過轉(zhuǎn)軸,而是通過縫隙中的磁流體構(gòu)成磁性回路。圖2 所示的磁流體單磁鐵雙極靴密封結(jié)構(gòu)的耐壓能力差(小于0.1MPa) , 所以實(shí)踐中大量采用的是多磁鐵多極靴結(jié)構(gòu), 如圖3 所示。圖3 (a) 中磁流體密封采用多塊磁鐵, 每塊磁鐵與其對應(yīng)的一對極靴構(gòu)成各自獨(dú)立的磁性回路, 各回路間采用絕磁材料隔開。圖3 (b) 中只使用了一塊磁鐵, 這是一種單磁路多級磁流體密封結(jié)構(gòu)。在理想情況下, 所有磁流體密封在每一級中充入的磁流體保證在轉(zhuǎn)軸和極靴之間的每一級建立起一系列液體o型密封圈, 每一級需可以承受的壓力差為0.015～0.02MPa , 整個(gè)區(qū)域的承壓能力為各級密封圈承壓能力的總和。

1 - 永久磁鐵　2 - 導(dǎo)磁極靴　3 - 磁流體　4 - 轉(zhuǎn)軸　5 - 隔環(huán)

圖3 　多級磁流體密封結(jié)構(gòu)示意圖

3、磁流體密封的特點(diǎn)

　　磁流體密封結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):

　　(1) 密封性能好: 目前采用的酯基磁流體可對介質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)密的高度穩(wěn)定的動(dòng)密封或靜密封, 幾乎無泄漏( < 10^{- 11}Pa·m³/s) , 甚至使用質(zhì)譜儀也未必能檢出泄漏, 真空密封時(shí)的真空度可達(dá)10 ^{- 5} Pa 。

　　(2) 密封結(jié)構(gòu)壽命長: 用于真空場合密封的磁流體的載液是一種惰性、穩(wěn)定、低蒸汽壓的二酯基有機(jī)物, 揮發(fā)量極低, 可長期使用, 10 年無需維修。

　　(3) 可靠性高: 磁流體密封件在正常情況下產(chǎn)生瞬時(shí)過壓擊穿時(shí), 一旦壓力降低至密封可以承受的程度時(shí), 密封效果依然能夠保持。用于真空場合的磁流體密封件一般要求其耐壓能力超過0.2MPa 。

　　(4) 傳輸效率高: 磁流體密封裝置在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下, 摩擦力極小, 無機(jī)械磨損, 發(fā)熱低, 功率損耗極小, 傳輸效率幾乎達(dá)100 % , 功率損耗僅僅考慮軸承的損失。

　　(5) 傳遞速度高: 磁流體密封裝置具有高速運(yùn)轉(zhuǎn)的潛力, 可傳遞30000r/ min 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

　　(6) 無污染: 磁流體密封件本身不存在機(jī)械磨損, 沒有微粒產(chǎn)生, 磁液飽和蒸汽壓極低, 即使在真空狀態(tài)下使用也不會(huì)產(chǎn)生污染。

　　(7) 良好的修復(fù)性: 磁流體密封裝置在使用過程中, 如果因某些原因造成密封失效, 只要內(nèi)部元件功能正常, 一般可在現(xiàn)場用較短的時(shí)間就能修復(fù)。

　　(8) 無方向性密封: 如果需要改變承壓方向, 對于磁流體密封而言, 無需增加任何元件就能實(shí)現(xiàn)。

4、磁流體密封技術(shù)的應(yīng)用

(1) 磁流體密封技術(shù)應(yīng)用于真空密封

　　應(yīng)用磁流體密封技術(shù)最早、最多、最成功的設(shè)備是各種真空設(shè)備。其中轉(zhuǎn)軸或擺動(dòng)桿的真空動(dòng)密封目前已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的程度。因?yàn)閷⑿�轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從大氣側(cè)傳遞到真空室時(shí), 采用這種液體○型密封圈式動(dòng)密封裝置不但可以克服固體密封中易磨損、功耗大、壽命低、易污染等弊病, 而且由于液態(tài)的磁流體可以充滿整個(gè)被密封的空間, 從而堵塞了一切可以漏氣的通道, 實(shí)現(xiàn)了運(yùn)轉(zhuǎn)和停車兩個(gè)過程中的零泄漏。另外, 節(jié)能效果明顯, 不受軸偏心振動(dòng)的影響, 密封結(jié)構(gòu)簡單不需維修。

(2) 磁流體密封技術(shù)應(yīng)用于氣體密封

　　磁流體密封技術(shù)作為真空容器抽空后充入工作氣體或防止容器內(nèi)有毒氣體或貴重氣體的泄漏時(shí)還可以用于密封氣體。這種密封不但可以有效地防止雜質(zhì)對真空室的侵入, 還可以保護(hù)工作氣體的純度, 而且也不存在磁流體對密封介質(zhì)的侵蝕。

(3) 磁流體密封技術(shù)應(yīng)用于液體密封

　　磁流體應(yīng)用于密封液體目前雖然尚未達(dá)到實(shí)用化的階段, 但是由于這種密封所具有的零泄漏特性, 在防止固體和液體的阻隔密封中, 有極大的應(yīng)用價(jià)值。這類密封存在被密封的液體介質(zhì)易與磁流體接觸而引起乳化、變質(zhì)從而導(dǎo)致密封失效的缺點(diǎn)。在磁流體材料品種少、穩(wěn)定性差的初期, 研究較早較多的是采用輔助手段將密封液體與磁流體分隔開來, 阻止二者直接接觸以避免對磁流體的侵害, 從而將問題轉(zhuǎn)化為各種各樣的組合密封結(jié)構(gòu), 例如磁流體密封與螺旋密封組合, 利用螺旋密封有效地將被密封液體與磁流體隔開, 保證磁流體密封正常工作, 防止向內(nèi)泄漏和停車泄漏, 另外還有磁流體密封與離心密封、端面密封等多種組合形式, 一般都是為了充分利用磁流體密封的零泄漏、低摩擦、低功耗等特性, 但密封結(jié)構(gòu)偏于復(fù)雜。另一條有效的技術(shù)途徑是選用能與被密封液體接觸但不受侵害的磁流體, 這依賴于開發(fā)出專門針對某種特定被密封液體的高穩(wěn)定性的磁流體。最早應(yīng)用的報(bào)道是使用油基磁流體密封深水泵內(nèi)部電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸, 取得了令人滿意的效果; 將磁流體密封用于艦船螺旋推進(jìn)器的主軸密封, 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的盤根密封, 可使主軸功率損耗降低10～40 % , 明顯提高了船的航行速度。