四氧化三铁颗粒中空度调控及其对磁流变液性能的影响

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磁流变液(MRF)作为一种具有典型流变效应的智能材料,具有快响应、流变可控与低损耗等特点,在大型工程领域上有着很大的应用潜能。然而,差的沉降稳定性及较低的屈服强度限制它的进一步的工程应用。一般来说,磁性颗粒决定了磁流变液的流变性能。因此,颗粒种类、形貌及尺寸等对磁流变液流变性能的影响是近年来学者们的研究重点。本文从颗粒结构的角度出发,研究了颗粒中空度对磁流变液的流变性能。首先,本文通过共溶剂热法与正交实验法成功制备了不同中空度的Fe3O4纳米球。采用透射电子显微镜、X射线衍射和振动样品磁力计对合成的Fe3O4纳米球进行形貌、物相结构、尺寸及磁学性能表征,并利用Image-Pro软件及沉降测试对Fe3O4纳米球进行空心度描述。结果表明,Fe3O4颗粒的中空结构与反应温度及反应物含量密切相关。反应温度过高会阻碍了纳米晶粒的聚集,而较低的温度则不会产生奥斯特瓦尔德熟化过程。同时,通过调控反应物含量来改变Fe3O4颗粒中空度及过量的反应物能导致Fe3O4纳米球的中空结构消失,原因均与前驱体溶液的熵值有关。此外,本研究还半定量地评价了四氧化三铁颗粒空心度和尺寸分布对其磁学性能的影响,制备出的空心度为10.48%、平均粒径约在259 nm的四氧化三铁颗粒表现出较高的饱和磁化强度(100.3 emu/g)和较低的矫顽力(54.0 Oe)。基于制备的不同中空度的Fe3O4颗粒,本文采用静态与动态这两种模式分别研究了基于不同质量分数与不同中空度的四氧化三铁颗粒的磁流变液流变性能。结果表明,在外加磁场的作用下MRF的储能模量和损耗模量随着应变振幅的增加会出现明显的线性粘弹性区域与应变临界点,呈现了MRF特有的磁流变效应。另外,随着Fe3O4颗粒质量分数与中空度增加,MRF的屈服应力、剪切应力及储存模量均随剪切速率与外加磁场强度的增加而显著增加。Fe3O4颗粒质量分数对磁流变液流变性能的影响机制与磁流变液中承受外力的颗粒长链结构变粗有关;而Fe3O4颗粒中空度对磁流变液流变性能的影响机制一方面归结于更大空腔结构的Fe3O4颗粒具有更高的磁响应能力,另一方面颗粒数量较多的磁流变液可以在一定程度上增强了它的刚性结构。同时,基于空腔结构Fe3O4颗粒的MRF对强动态磁场下的剪切力更为敏感,使得相比于实心颗粒它形成的长链结构更易遭受破坏。
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