陳善飛， 顧邦明， 龔 雁， 王正良

（1.浙江萬(wàn)里學(xué)院應(yīng)用物理研究所，浙江寧波315101；2.寧波第六醫(yī)院，浙江寧波 315400）

磁性流體在均勻梯度磁場(chǎng)中的摩擦學(xué)性能測(cè)試研究

陳善飛1， 顧邦明1， 龔 雁2， 王正良1

（1.浙江萬(wàn)里學(xué)院應(yīng)用物理研究所，浙江寧波315101；2.寧波第六醫(yī)院，浙江寧波 315400）

基于均勻梯度磁場(chǎng)能較準(zhǔn)確反映出磁場(chǎng)影響磁性流體摩擦性能的認(rèn)識(shí)，制造了一對(duì)產(chǎn)生均勻梯度磁場(chǎng)的線(xiàn)圈安置于改造后的UMT3摩擦試驗(yàn)機(jī)中。選用聚α-烯烴合成油基磁性流體為潤(rùn)滑油，測(cè)試不同均勻梯度磁場(chǎng)大小、不同載荷和不同往復(fù)頻率下的磁性流體摩擦學(xué)性能。結(jié)果顯示：載荷、往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率一定時(shí)，磁性流體的摩擦系數(shù)隨均勻梯度磁場(chǎng)的增大而減??；載荷、均勻梯度磁場(chǎng)一定時(shí)，磁性流體的摩擦系數(shù)隨隨往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率的增大而減??；磁性流體在均勻梯度磁場(chǎng)中比無(wú)磁場(chǎng)中具有更高的承載能力和更長(zhǎng)的耐磨壽命。

計(jì)量學(xué)；磁性流體；均勻梯度磁場(chǎng)；摩擦學(xué)性能

1 引 言

隨著機(jī)器設(shè)備日益向高速、重載和高精度方向發(fā)展，由磨損導(dǎo)致表面損壞、零件失效和材料損耗等諸多問(wèn)題日益突出，對(duì)高檔、特種潤(rùn)滑油的需求量與日俱增。研制生產(chǎn)性能卓越的潤(rùn)滑油添加劑，提高潤(rùn)滑油行業(yè)整體技術(shù)水平［1，2］，已成為當(dāng)今材料、表面工程和摩擦學(xué)等領(lǐng)域急需解決的技術(shù)難題。

納米微粒由于具有尺寸小、比表面積大、表面活性強(qiáng)等獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)［3～5］，在摩擦學(xué)領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景，成為具有巨大潛力的潤(rùn)滑油添加劑。磁性流體是將納米鐵磁性顆粒通過(guò)表面活性劑均勻地分散于基礎(chǔ)液（潤(rùn)滑油）中形成的特殊納米流體，是一種由表面活性劑修飾納米級(jí)顆粒作添加劑的潤(rùn)滑油，具有普通潤(rùn)滑油所沒(méi)有的磁化特性，可利用外加磁場(chǎng)使磁性流體保持在潤(rùn)滑部位，可用于高精度、高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸承潤(rùn)滑、計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器軸的潤(rùn)滑、機(jī)器人和精密儀器等機(jī)器設(shè)備中的潤(rùn)滑［6，7］，能大幅度地提高設(shè)備或部件的使用壽命。因此，利用磁性流體在外加磁場(chǎng)作用下呈現(xiàn)的特殊流動(dòng)性和潤(rùn)滑特性，研究其在外磁場(chǎng)作用下的潤(rùn)滑能力，對(duì)磁性流體潤(rùn)滑理論和工程應(yīng)用都有著重要的實(shí)用價(jià)值和科學(xué)意義。

目前，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，磁性流體已廣泛用于運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其在磁場(chǎng)作用下能準(zhǔn)確地充滿(mǎn)潤(rùn)滑表面，實(shí)現(xiàn)連續(xù)潤(rùn)滑并避免出現(xiàn)潤(rùn)滑劑貧乏的問(wèn)題［8～12］。在國(guó)內(nèi)，磁性流體潤(rùn)滑性能的方面雖然做了一些工作，取得了一些成果［13～16］，但是關(guān)于磁場(chǎng)作用下納米磁性流體潤(rùn)滑機(jī)理的研究還處于起步階段，再加上應(yīng)用磁性流體作為潤(rùn)滑劑涉及納米摩擦學(xué)、潤(rùn)滑學(xué)、納米材料學(xué)、現(xiàn)代表面學(xué)等學(xué)科，所以其潤(rùn)滑機(jī)理方面遠(yuǎn)沒(méi)有形成完整的理論體系，而關(guān)于均勻梯度磁場(chǎng)作用下磁性流體的摩擦磨損性能研究還未見(jiàn)報(bào)道。

磁性流體具有磁化特性，磁場(chǎng)力的作用直接影響磁性流體在摩擦副中的潤(rùn)滑性能。一般情況下磁場(chǎng)都是非均勻梯度磁場(chǎng)，油膜各層面的作用力不一樣，且很難計(jì)算和測(cè)量，因此，為了研究分析磁場(chǎng)對(duì)磁性流體減摩抗磨的影響，必須建立一個(gè)均勻梯度磁場(chǎng)，使油膜各層面受磁場(chǎng)作用力一樣。為實(shí)現(xiàn)摩擦副始終在均勻梯度磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)行，本文對(duì)已有的UMT3摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，并設(shè)計(jì)制造了一對(duì)產(chǎn)生均勻梯度磁場(chǎng)的線(xiàn)圈，選用聚α-烯烴合成油為基液的磁性流體，實(shí)驗(yàn)測(cè)試均勻梯度磁場(chǎng)對(duì)納米磁性流體摩擦學(xué)性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置

2.1 UM T3摩擦試驗(yàn)機(jī)夾具的改進(jìn)

選擇在UMT3摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。為了消除磁場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)機(jī)傳感器的影響，采用無(wú)磁性的304不銹鋼0Cr18Ni9材料改制了試驗(yàn)機(jī)上用于固定上試樣的夾具及傳力桿。

2.2 均勻梯度磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并定制了一個(gè)產(chǎn)生均勻梯度磁場(chǎng)的線(xiàn)圈，如圖1所示，用兩個(gè)半徑和匝數(shù)完全相同的線(xiàn)圈，將其同軸繞制在無(wú)磁性的鋁合金框架上，線(xiàn)圈半徑和兩線(xiàn)圈間距為R＝h＝90 mm，漆包線(xiàn)的直徑φ＝0.44 mm，線(xiàn)圈匝數(shù)ω＝3 500匝，上下線(xiàn)圈的電流方向相反，電流強(qiáng)度I＝0.5～2.5 A可調(diào)，建立了一個(gè)均勻梯度磁場(chǎng)［17］：

式中，μ0為真空磁導(dǎo)率；ω為線(xiàn)圈匝數(shù)；I為電流強(qiáng)度，A；R為線(xiàn)圈半徑，mm；h為兩個(gè)線(xiàn)圈間距，mm。

圖1 產(chǎn)生均勻梯度磁場(chǎng)的線(xiàn)圈示意圖

測(cè)試時(shí)上夾具下端可伸入線(xiàn)圈框架內(nèi)，使得摩擦副始終在均勻梯度磁場(chǎng)范圍內(nèi)運(yùn)行。

2.3 磁性流體的選用

磁性流體在磁場(chǎng)中的潤(rùn)滑性能主要取決于它的磁化性能、粘滯特性和穩(wěn)定性，因此著力于表面活性劑和潤(rùn)滑油載液的配伍為技術(shù)關(guān)鍵。選擇以油酸為表面活性劑修飾納米Fe3O4顆粒，用超聲波將其充分分散于聚α-烯烴合成油中，制備出納米顆粒在潤(rùn)滑油中保持長(zhǎng)期分散穩(wěn)定的磁性流體。將其在高速離心機(jī)H1650R上進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)，轉(zhuǎn)速設(shè)定為10 000 r／min，相對(duì)離心力為16 350 kg，時(shí)間為8 h，未發(fā)現(xiàn)沉淀分離現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試選用顆粒直徑為30 nm左右的Fe3O4的聚α-烯烴合成油基磁性流體為潤(rùn)滑油，其在20℃時(shí)的飽和磁化強(qiáng)度為48 kA／m，粘度為68 mPa·s，密度為1.388 g／cm3。

3 摩擦性能的測(cè)試方法

如圖2所示，將設(shè)計(jì)制造的線(xiàn)圈及試驗(yàn)?zāi)Σ粮敝糜诟倪M(jìn)后的UMT3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，使摩擦副運(yùn)動(dòng)在均勻梯度磁場(chǎng)的磁場(chǎng)作用范圍內(nèi)。摩擦副的上試樣選用φ＝8 mm的WC鋼球，硬度為HRA85.1。下試樣選用45＃鋼塊，經(jīng)表面研磨拋光至表面粗糙度Ra約0.1μm，硬度為HRC25.4。摩擦副運(yùn)動(dòng)方式為上試樣固定在上夾具上，下試樣固定在下夾具中并隨著下夾具做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖2 改造的UMT3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)工作示意圖

UMT3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)條件：選擇往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程為5 mm，運(yùn)動(dòng)頻率不超過(guò)10 Hz，最大載荷不超過(guò)1 000 N，試驗(yàn)載荷、摩擦系數(shù)大小均由壓力傳感器通過(guò)軟件自動(dòng)計(jì)算存儲(chǔ)。所有試驗(yàn)都在18℃溫度條件下進(jìn)行，每組試驗(yàn)均加入磁性流體0.3m l，均先在較低載荷5 N、頻率1 Hz下磨合1 min，然后設(shè)置到試驗(yàn)所需載荷、運(yùn)動(dòng)頻率，再通過(guò)調(diào)整電流大小以改變磁場(chǎng)梯度大小，進(jìn)行摩擦試驗(yàn)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，考察磁性流體在不同均勻梯度磁場(chǎng)條件下的減摩抗磨性能。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 均勻梯度磁場(chǎng)對(duì)磁性流體摩擦系數(shù)的影響

圖3是載荷為100 N、運(yùn)動(dòng)頻率為5 Hz、不同磁場(chǎng)條件（至上而下dB／dh分別為0.835、0、1.357、1.879、2.401 T·m－1）時(shí)摩擦系數(shù)的變化曲線(xiàn)。由圖中可以看出：梯度磁場(chǎng)較小時(shí)，摩擦系數(shù)較無(wú)磁場(chǎng)時(shí)大，但隨著梯度磁場(chǎng)增加，摩擦系數(shù)呈減小趨勢(shì)。這主要是因?yàn)椋簾o(wú)磁場(chǎng)時(shí)，磁性流體呈現(xiàn)基液潤(rùn)滑油特性，又因磁性顆粒細(xì)微及其在摩擦表面鋪展成膜，使得磁性流體對(duì)物體的磨損較小。當(dāng)施加梯度磁場(chǎng)時(shí)，磁性流體的粘滯特性增大，即在磁場(chǎng)作用下懸浮的納米磁性顆粒會(huì)沿著磁力線(xiàn)方向，增大了流動(dòng)阻力，進(jìn)而增大了摩擦系數(shù)。但隨著梯度磁場(chǎng)逐步增大，使吸附有分散劑的納米磁性顆粒起到近似微型滾珠的作用［18］，這種微型滾珠的作用大于粘滯特性增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)下降明顯，且這種差別隨著磁場(chǎng)梯度的增大而增大。

圖3 100 N、5 Hz不同磁場(chǎng)條件下摩擦系數(shù)變化曲線(xiàn)

4.2 運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)磁性流體摩擦系數(shù)的影響

圖4是載荷為100 N、均勻梯度磁場(chǎng)大小為dB／dh＝1.357 T·m－1、不同運(yùn)動(dòng)頻率（至上而下分別為2、5、8 Hz）時(shí)摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。可見(jiàn)磁性流體摩擦系數(shù)隨著摩擦副表面間滑動(dòng)速度增加而減小，這也與一般潤(rùn)滑油的特性相似。緣于在梯度磁場(chǎng)作用下，磁性流體黏度增大，使?jié)櫥湍ぴ龊?，在低速時(shí)，由于接觸面間相對(duì)滑行速度不夠，油膜層中的切應(yīng)力增大，難以形成充分的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑膜將兩表面分離，導(dǎo)致摩擦系數(shù)較高。隨著轉(zhuǎn)速的提高，形成充分的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑膜，大幅度降低了摩擦系數(shù)。

圖4 100 N、dB／dh＝1.357 T·m－1、不同運(yùn)動(dòng)頻率時(shí)摩擦系數(shù)變化曲線(xiàn)

4.3 載荷對(duì)磁性流體摩擦系數(shù)的影響

圖5所示是保持梯度磁場(chǎng)大小與運(yùn)動(dòng)頻率不變、載荷（至上而下分別為15、30、100 N）時(shí)對(duì)磁性流體摩擦系數(shù)的影響曲線(xiàn)。顯示出在載荷越大時(shí)摩擦系數(shù)越小，載荷越小摩擦系數(shù)反而相對(duì)較大。表明磁性流體在均勻梯度磁場(chǎng)作用下具有較高的承載能力，載荷越大，承載能力越強(qiáng)。出現(xiàn)這一結(jié)果的主要原因是隨著梯度磁場(chǎng)增加，摩擦副增加了對(duì)磁性流體的吸附力，更易形成油膜，油膜強(qiáng)度也隨之增大，抗壓能力增大，承載能力增強(qiáng)。

圖5 dB／dh＝1.357 T·m－1、8 Hz、不同載荷時(shí)摩擦系數(shù)變化曲線(xiàn)

4.4 磁場(chǎng)對(duì)磁性流體磨損壽命的影響

圖6和圖7是載荷為100 N、運(yùn)動(dòng)頻率為5 Hz、無(wú)磁場(chǎng)和梯度磁場(chǎng)為dB／dh＝2.401 T·m－1條件下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。從圖6、圖7中可以看出：在均勻梯度磁場(chǎng)作用下磁性流體的耐磨壽命遠(yuǎn)大于無(wú)磁場(chǎng)，無(wú)磁場(chǎng)時(shí)運(yùn)行至1 600 s潤(rùn)滑已明顯失效，而對(duì)潤(rùn)滑油施以磁場(chǎng)時(shí)其耐磨壽命則可以運(yùn)行至23 264 s，約為無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的14.5倍。

圖6 100 N、0磁場(chǎng)、5 Hz時(shí)摩擦系數(shù)變化曲線(xiàn)

其摩擦機(jī)制在于：

（1）摩擦過(guò)程中，一般邊界潤(rùn)滑膜的形成主要依靠物理吸附、化學(xué)吸收和摩擦化學(xué)反應(yīng)形成［19］。所以，當(dāng)對(duì)磁性流體施以均勻梯度磁場(chǎng)后，提高了磁性流體在摩擦副表面形成納米油膜的作用力，避免干摩擦發(fā)生，降低了磨損。

圖7 100 N、dB／dh＝2.401 T·m－1、5 Hz時(shí)摩擦系數(shù)變化曲線(xiàn)

（2）納米磁性顆粒被磁場(chǎng)緊緊吸附在摩擦副表面，像滾珠一樣自由滾動(dòng)，在這種類(lèi)似“滾珠”的作用機(jī)制下，提供更為有效的潤(rùn)滑，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐磨壽命。

（3）在重載和高溫條件下，激發(fā)和促進(jìn)了摩擦表面間納米微粒物理化學(xué)作用的進(jìn)行，增強(qiáng)了修復(fù)磨損表面的能力，從而使磨損表面摩擦系數(shù)降低，減小磨損。

5 結(jié) 論

經(jīng)測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)：（1）載荷、往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率一定時(shí)，磁性流體的摩擦系數(shù)隨均勻梯度磁場(chǎng)增大而減小；（2）載荷、均勻梯度磁場(chǎng)一定時(shí)，磁性流體的摩擦系數(shù)隨往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率增大而減小。（3）磁性流體在均勻梯度磁場(chǎng)中比無(wú)磁場(chǎng)中具有更高的承載能力和更長(zhǎng)的耐磨壽命。

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Experimental Investigation on the Tribological Performance of the Ferrofluids in Uniform GradientMagnetic Field

CHEN Shan-fei1， Gu Bang-ming1， Gong Yan2， Wang Zheng-liang1
（1.Institute of Applied Physics ZhejiangWanliUniversity，Ningbo，Zhejiang 315101，China；2.Ningbo No.6 Hospital，Ningbo，Zhejiang 315400，China）

Uniform gradientmagnetic field can，more accurately，reflects the friction performance of ferrofluids in the magnetic field.Based on this，two coils，which could produce uniform gradientmagnetic field，were constructed and placed on the commercial UMT3 tribo-meter.Using the poly-α-olefin synthetic oil（PAO）-based magnetic fluids as the lubricant，the tribological propertieswere tested with different loads，different reciprocating frequency and variousmagnetic field.The results show that：when the load and reciprocating frequency are constant，the friction coefficient decreased with the increase of themagnetic field；when the load，a uniform gradientmagnetic field，the friction coefficient also decreased with the increase of the reciprocating frequency.Comparing with nomagnetic field，the ferrofluids has higher bearing capacity and a longer wear life in the uniform gradientmagnetic field.

Metrology；Ferrofluids；Uniform gradientmagnetic field；Tribological behavior

TB972

A

1000-1158（2014）04-0373-05

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．04．15

2013-02-18；

2013-05-11

浙江省自然科學(xué)基金（LY12E05005）；浙江省公益項(xiàng)目（2012C21084）；寧波自然科學(xué)基金（2011A610147）；寧波社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目（2010C50005）

陳善飛（1968－），女，浙江寧波人，浙江萬(wàn)里學(xué)院教授，從事磁性流體的物理特性研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用。wzlcsf＠21cn.com