四氧化三铁复合材料磁流变学及其对磁流变液的增强效应研究

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磁流变液(MRF)是一种磁响应型智能材料,具有良好的力学性质和可调节性,广泛应用于许多领域。羰基铁(CI)因其饱和磁化强度高,价格低廉成为MRF的首选材料,但CI密度较大,沉降问题严重,商业化应用受限。提高CI基MRF沉降稳定性以及探索沉降稳定性高且磁流变性能优异的其他替代材料成为当前研究重点。各种提高稳定性的方法(如涂层技术、添加剂等)会使磁流变性减弱,同时相应的工艺复杂,成本较高,限制其发展应用。因此,探究成本低、磁流变增强效果好、合成工艺简单的磁性复合添加剂具有重要的研究意义。Fe3O4因其密度较低有望成为CI的替代材料,利用简单方法合成高饱和磁化强度、高稳定性的Fe3O4材料是当前研究的关键。本论文针对上述问题,从降低MRF生产成本、提高MRF的磁流变性和沉降稳定性的角度出发,设计出成本低、合成工艺简单的磁性复合添加剂以及沉降稳定性高且磁流变性能优异的Fe3O4磁流变材料。具体研究内容如下:1.选用价格低廉的埃洛石纳米管(HNTs),通过共沉淀法合成Fe3O4/HNTs磁性复合材料,并引入CI基MRF中,形成双分散相CI-Fe3O4/HNTs MRF。探讨Fe3O4/HNTs添加量对MRF的磁流变性及沉降稳定性的影响。结果表明,MRF性能均随Fe3O4/HNTs含量的增加呈现先增后减趋势。其中,含1.0 wt%Fe3O4/HNTs的MRF具有最优的磁流变性。同时,Fe3O4/HNTs能有效提高MRF沉降稳定性。结合表征和性能分析,证明1.0 wt%Fe3O4/HNTs受磁场作用嵌入在磁链间隙中,可增强粒子间磁偶极–偶极力,增强磁链刚度,提高MRF屈服应力;在无磁场时,Fe3O4/HNTs吸附在CI表面,占据CI颗粒自由空间,在CI颗粒空隙间形成支撑结构,防止聚集,提高沉降稳定性。2.采用氧化沉淀法制备了高饱和磁化强度、不规则多面体形貌的Fe3O4,探讨反应物浓度、反应时间对Fe3O4形貌特征以及Fe3O4基MRF的磁流变性、沉降稳定性的影响。结合表征及性能分析,表明反应物Fe SO4浓度为1.2 mol/L、反应时间为3 h时,合成的Fe3O4尺寸适中,其多棱多角的形貌特征增强了磁流变性和沉降稳定性。选用最佳合成条件,掺入聚乙烯吡咯烷酮(PVP),一步法合成Fe3O4/PVP复合材料。结合表征和磁流变性分析,表明PVP修饰增强了Fe3O4悬浮能力,极大降低了沉降速率,显著提高了Fe3O4 MRF在长期循环中剪切应力稳定性和沉降稳定性。因此,Fe3O4/PVP是一种优异的磁流变材料。3.将性能优异的Fe3O4/PVP按不同添加量分别引入CI基MRF和CI-Fe3O4/HNTs基MRF中,形成双分散相和三分散相MRF,并探讨Fe3O4/PVP与Fe3O4/HNTs单独添加和混合添加的优势与不足。根据性能测试表明,将Fe3O4/PVP单独引入CI基MRF中能显著降低沉降速率,但磁流变增强效应不及Fe3O4/HNTs;将Fe3O4/PVP引入CI-Fe3O4/HNTs基MRF中,1.0 wt%Fe3O4/PVP和1.0 wt%Fe3O4/HNTs共同作用能够最大化提升MRF的磁流变性能,两者存在于MRF中,分别起悬浮稳定和支撑作用,共同提高MRF的沉降速率和稳定高度。
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