磁流体密封的研究发展现状

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国石油润滑油重点实验室 作者:

  实现磁流体密封有两大关键技术要素: 一是满足使用要求的高性能磁流体的制备; 二是具有优异密封性能的磁流体密封装置的设计。磁流体密封现状要就主要集中在磁流体制备技术研究、磁流体密封结构的研究。

  磁流体是由基载液、磁性微粒和表面活性剂3部分组成,为了得到稳定的磁性液体,强磁性微粒必须足够小,强磁性微粒主要包括四氧化三铁、氮化铁等物质,表面活性剂一般是指具有两亲性结构的有机物,其一端为极性基团,极性基团包覆在磁性粒子表面防止其团聚,另一端为非极性基团,主要指长链的有机分子,非极性基团伸入基液中,使磁性粒子具有亲水或者亲油性,磁性粒子能够稳定存在并溶入基液中的前提是基液要与表面活性剂具有相似结构。基液是磁性粒子能够稳定存在的介质,基液不仅应该满足低黏度和高化学稳定性等特性,同时还需要满足低蒸发速率和耐高温等特性,基液的性质决定了磁流体的用途。目前,磁流体制备技术主要包括磁性纳米粒的制备、磁性纳米粒的表面改性以及磁性流体的制备,主要制备方法有球磨法、表面活性剂法、化学沉淀法、微乳液法、气相液相反应法等。无论哪种制备方法,均需要根据实际使用状况的不同,选取合适的基液和表面活性剂,制备出高性能、高稳定性的磁流体。良好的磁性液体必须具有下列性能:

  (1)应具有较大的磁饱和特性,磁饱和特性是磁性材料的一种固有特性,较大的磁饱和特性可以保证磁流体对外界磁场强度的最大响应,其可以使尽可能大的磁场通过磁流体,从而给磁性纳米颗粒提供尽可能大的能量,使磁流体具有更为明显的磁特性。

  (2)应具有优良的磁化和退磁特性,磁化和磁退效应是指磁流体在磁场作用下的响应变化效果,磁流体的磁流变效应是一种可逆变化。良好的磁流体要求磁导率很大,内聚力较小,同时具有狭窄的磁滞回线。

  (3)应具有高度磁化和稳定的性能,磁流体的磁化特性和稳定性能取决于磁性液体中强磁性纳米粒子的分布,磁性纳米粒子颗粒大小均一并且分布均匀才能保证磁流体具有高度磁化和稳定的性能,这就要求磁流体制备过程中需要控制好磁性纳米粒子均匀分布。

  (4)应具有较小的能量损耗,磁流体利用磁化作用达到密封目的,工作期间会由于磁滞等现象造成损耗,磁流体的制备应该保证该损耗应该是一个很小的量。

  (5)应具备较好的磁粘效应,当没有外加磁场时,磁流体和普通流体一样,呈牛顿流体流动特性,当存在外加磁场时,磁流体呈现非牛顿流体特性,磁流体粘度随着磁场变化而变化,可以通过控制外加磁场强度来调控磁流体粘度变化。

  (6)应具有极高的稳定性,尤其是在一定温度范围内,需保证磁性液体的流变性能不会因温度的变化而发生剧烈变化。

  (7)应具有较低的制备成本,磁流体的制备原料和方法应该保证其成本低廉。

  磁流体密封能力除了和磁流体本身特性有关之外,还与磁流体密封结构设计密切相关。磁性液体密封的结构设计形式很多,不同结构设计形式对磁流体密封性能影响不一样。磁流体密封装置结构设计可以通过计算磁场间隙磁场强度分布计算来确定。钱济国等人根据流体静力学和动力学,分别阐述了磁性液体静密封和动密封的分析方法,关于密封装置磁场间隙内磁性液体密封的运动方程做了详细说明。推导出了磁性液体密封能力的计算公式,进一步由公式明确了影响磁性液体密封能力的主要因素。作者指出磁性液体轴封的静密封能力易于保证,对于动态密封,影响因素较为复杂,不仅仅需要考虑密封装置磁场设计,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为还需考虑磁流体本身磁特性和液态流动性,磁流体动态密封能力的提高需从多方面综合考虑,一方面可以提高磁流体本身的磁饱和强度,增大外加磁场强度,另一方面可以减小磁流体本身密度,降低旋转轴转速,还可以通过采用多级密封结构形式来提高磁流体动密封能力。

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