磁流变液是一种智能流体材料^[1], 其流变性能可由外加磁场调控，这一特殊性能使其能够应用在许多机械结构中，具有结构简单、响应快等优点^[2-3]。特别是在减振隔振领域，磁流变器件具有功耗低等突出优势，受到广泛关注^[4-5]。磁流变液属于混合体材料^[6]，其作用机理可用微粒极化理论来解释^[7]，磁流变器件就是利用不同极化程度的磁流变液在阻尼通道中的流动产生不同的阻尼力^[8-10]，磁流变液在流动过程中，其磁性颗粒、载液以及添加剂等会受到冲击摩擦、腐蚀氧化及温度等影响^[11]，对由磁流变液制成的装置进行耐久性试验，发现磨损严重^[12-13]，导致性能发生变化，特别是悬浮相铁粉颗粒表面抗磨性较差，容易破碎掉屑，导致磁流变液稠化，严重的时候会影响磁流变液的正常使用^[14-15]。为提高磁流变液的稳定性，笔者通过气体氮化技术在悬浮相铁粉颗粒表面生成具有较高硬度和良好抗氧化性能的氮化层，改善了磁性颗粒抗磨耐蚀性能，在不降低悬浮相磁性能的情况下增加了悬浮相的稳定性。抗沉降添加剂采用硅铝酸盐触变剂，加入非离子型抗团聚添加剂，改善磁流变液的温度稳定性能和抗沉降团聚性能。

1 实验材料及方法 1.1 悬浮相的表面氮化

实验采用气体氮化的方式，在悬浮相铁粉颗粒表面形成薄的氮化物层，氮化铁具有优良的抗磨耐蚀性能和磁性能，可在保护铁粉同时不降低磁性能。为防止悬浮相渗透，气体渗氮实验的时间被严格控制在1 h以内。同时控制渗氮温度不高于450 ℃，以避免悬浮相铁粉氮化后团聚结块。渗氮气体选择氨氮混合气体，氨氮流量比例为1 : 1，保持较低的氨分解率，快速渗氮，在悬浮相表面形成薄的氮化物层。氮化后的铁粉通过STA409C热分析装置测试其抗氧化性能，同时，分别采用FEINova 400 Nano SEM扫描电镜和D/MAX-ⅢC型X衍射仪分析其微观形貌和氮化效果，并用HH-15振动样品磁强计评价磁性能的变化。

1.2 磁流变液的配制

磁流变液的配制采取典型的机械分散工艺，实验中先将氮化后的铁粉加入到某合成烃类油载液中，再加入硅铝酸盐触变剂、非离子型聚合物表面活性剂和钼类润滑剂，然后混合，超声分散，球磨，完成后出罐。配制的磁流变液采用MRTS-01型平板式磁流变性能测试仪测试磁流变性能，并在温度试验箱中测试各主要温度点的零场黏度，考核其温度稳定性。用四球磨法分析其摩擦学性能。最后，用磁流变阻尼器测试台架测试用该磁流变液制作的阻尼器的温度-阻尼力性能，分析磁流变液的应用稳定性。主要工艺路线如下：配料—混合—超声分散—添加辅料—球磨—性能测试。

2 结果与讨论 2.1 氮化悬浮相

实验中用X射线衍射仪分析悬浮相氮化后的主要成分，分析结果见图 1，与未氮化的悬浮相XRD图相比多了几个氮化物峰，可见悬浮相氮化后除了原有的α-Fe(第2、4、6、7峰)相外，增加了少量的氮化铁相Fe₄N(第1、3、5峰)。实验表明，采用本渗氮工艺可在在悬浮相颗粒表面产生一薄层氮化物相，后续实验表明，该氮化物层能够提高颗粒的抗氧化、抗磨损性能，同时不降低悬浮相磁性能。从悬浮相氮化前后的SEM显微形貌看(图 2(a), (b))，氮化后并未发生明显的团聚，仅少数颗粒发生变形和黏结。

用热分析装置对悬浮相铁粉和氮化悬浮相铁粉进行氧化增重试验，分析其抗氧化性能，结果如图 3所示，图中可见，在300 ℃以前，氮化铁粉和原铁粉均未明显氧化，但在温度高于300 ℃后，逐渐发生变化，相互间表现出明显差别，经氮化处理的铁粉的抗氧化能力明显优越于原铁粉，氮化使其抗氧化能力得到明显提高。测试氮化前后铁粉的磁性能，以分析氮化对铁粉颗粒磁性能的影响，测试结果如图 4(a)、(b)，氮化后悬浮相铁粉饱和磁化强度略低于1 500 kA/m，与氮化前相比，略微下降，同时其剩磁、矫顽力基本为零，无明显磁滞现象。

2.2 触变剂的温度稳定性

长期的研究表明，磁流变液的温度稳定性主要体现在温度对磁流变液触变剂的作用，实验中，笔者单独对触变剂进行了差热分析，以分析温度对磁流变液中硅铝酸盐触变剂的影响，结果如图 5所示。

由图 5可见，该硅铝酸盐触变剂在116.4 ℃时有一吸热峰，分析认为这是由于在该温度时触变剂会脱除部分结晶水，而实际上触变剂的分解温度在678 ℃以上，远能满足磁流变液使用温度的要求。

2.3 高稳定磁流变液性能

采用上述氮化后的悬浮相铁粉、硅铝酸盐触变剂加入某典型合成烃类油的载液中配制了高稳定磁流变液，该磁流变液的性能为：密度2.60 g/cm³，室温零场黏度η₀略小于1 000 mPa·s，静置3个月后沉降低于10%，相对初始磁导率约为3.2，饱和磁化强度为380kA/m，其在室温下的H-M曲线、τ-γ曲线和τ-β曲线分别见图 6、图 7和图 8。

同时，为考查该磁流变液的摩擦稳定性，测试了其摩擦学性能，该磁流变液摩擦系数为0.054，1 h长磨的摩擦系数为0.066，均低于采用非氮化铁粉配制的磁流变液样品的摩擦系数0.098和1 h长磨摩擦系数0.097，磨斑直径得到明显改善，可以看出，氮化后悬浮相表面硬度和润滑性能得到明显提高。

黏度温度稳定性能是磁流变液的主要性能之一，为分析该磁流变液的黏度温度稳定性能，将该磁流变液样品在不同温度下保温30 min后测试其在黏度，并绘制成黏温曲线图，结果如图 9所示。由图 9可见，在-40~20 ℃，随着温度升高，磁流变液的黏度急剧降低，这是受载液的影响，当温度升高时，载液的分子热运动加剧，分子间吸引力与内摩擦力减小，剪切变形产生的剪切应力相应减小，从而使黏度降低，温度越高，黏度越低。磁流变液在该温度范围内，黏度随温度的变化是可逆的，这样方便在制作器件时采取适当的温度补偿措施，如通过调整控制磁场的电流大小加以补偿，可以消除温度对阻尼器的不利影响，可通过控制电流来补偿温度的影响也使磁流变器件相对于普通液压器件具有明显优势，普通器件温度影响不易消除^[16]。从图 9中同时可以看到，在器件平时的工作温度段(20~100 ℃)，磁流变液黏度非常稳定，随温度变化呈一近似水平线，略向下倾斜，这是由于磁流变液使用的载液具有良好的黏度温度稳定特性。需指出的是，当温度升高到120 ℃以上时，磁流变液黏度没有继续降低，反而略微上升，这与载液的黏度温度特性相反，这是由于磁流变液中触变剂在较低温度时虽然分散均匀，但并未完全膨化，在温度升高到120 ℃左右时，触变剂急剧膨化，形成空间网络结构，导致磁流变液黏度上升。

2.4 高稳定磁流变液阻尼器温度特性

为考核磁流变液的应用稳定性能，用该磁流变液研制了磁流变阻尼器，测试不同温度对阻尼器输出阻尼力的影响，该磁流变阻尼器为典型的双出杆式。

试验通过阻尼器台架进行，主要测试在-40~125 ℃温度范围内，磁流变阻尼器施加0、0.5、1 A控制电流时最大阻尼力的变化情况，结果如图 10所示。

试验结果表明：温度对磁流变阻尼器最大阻尼力影响较为明显，特别是在低温段，温度的升高使磁流变液黏度急剧降低，从而导致阻尼器输出阻尼力的降低。在磁流变液黏度温度特性较为稳定的中温段，最大阻尼力变化就较为平缓。值得注意的是，温度对最大阻尼力的影响在阻尼器施加不同控制电流时并不完全相同。在控制电流为0 A时，阻尼器最大阻尼力在-40 ℃至100 ℃范围内衰减0.2 kN，衰减率约为70%，在相同温度范围内施加0.5 A和1 A时的最大阻尼力分别衰减0.7 kN、0.75 kN，衰减率分别为36%、37%。磁流变阻尼器在施加控制电流时的阻尼力温度衰减值要大于未施加电流时的衰减值，但从衰减率来说却远低于未施加电流时的衰减率，这种现象可用磁流变阻尼器双黏性滞回本构模型来解释。

根据该模型，一般磁流变阻尼器的剪切应力可以用下式^[17]表示：

$ \tau = {\tau _y}\left( H \right){\mathop{\rm sgn}} ({\rm{d}}u/{\rm{d}}y) + \eta {({\rm{d}}u/{\rm{d}}y)^n}, $

(1)

式中：τ_y为磁流变液屈服剪应力，与磁场强度H有关；du/dy为磁流变液剪切应变率；η为磁流变液的表观黏度；n为磁流变液的流动特性指数，其值越大，磁流变液在阻尼通道中的流动峰值速度越低。

磁流变阻尼器在未施加控制电流时，其工作机理与普通阻尼器相似，阻尼力主要由磁流变液黏滞阻力产生，磁流变液黏度对阻尼力有决定性影响，因此温度对阻尼力影响非常明显。但当阻尼器施加控制电流时，磁流变液磁滞剪切阻力是阻尼力的主要来源，其远大于磁流变液本身黏滞所形成的阻尼力，磁滞剪切阻力与颗粒磁性能有关，受温度影响较小，所以温度对阻尼力的影响率也相对下降。值得注意的是，在20~125 ℃范围内，磁流变阻尼器由于采用了高稳定磁流变液，阻尼力衰减率仅为14.3%，具有较高的稳定性能。在温度超过120 ℃时，由于磁流变液中触变剂的膨化，使磁流变液黏度略微上升，导致磁流变阻尼力有所升高，但升高趋势并不十分明显。

3 结论

1) 通过悬浮相铁粉表面氮化，可在铁粉表面生成一氮化物薄层，在不降低磁性能的情况下明显改善铁粉抗氧化性能。

2) 氮化后的磁流变液具有优良的磁性能、磁流变性能和抗沉降稳定性，并明显改善了磁流变液的摩擦学性能，降低磁流变液摩擦系数和磨斑直径，同时该磁流变液在常用温度范围内具有良好的温度稳定性。

3) 用该磁流变液灌装的阻尼器，在常用温度范围内阻尼力衰减仅14.3%，具有较高的稳定性能。