搅拌时间和温度对低密度磁流变液沉淀稳定性和流变性能的影响

研究人员研究了搅拌时间和温度对低密度磁流变液（MR fluids）沉淀稳定性和流变性能的影响。制备了密度为1.3和1.7 g/cm³的两种低密度MR fluids，并在不同的预搅拌时间（5和10 min）和温度（25和80°C）下进行了评估。通过沉淀实验表征了相分离行为，通过流变测量确定了不同施加电流下的剪切应力响应。此外，采用朗之万动力学（Langevin dynamics）模拟揭示了粒子成链和沉淀行为的演化，模拟的稳定性指数与实验结果吻合良好，相关系数为0.927。结果表明，低密度配方有效延缓了粒子沉淀并改善了相稳定性。将预搅拌时间延长至10 min增强了初始粒子分散，并减缓了高温下的稳定性恶化。升高温度显著加速了相分离并抑制了剪切应力，低密度系统在80°C时剪切应力衰减达到约40%。此外，建立了温度-电流耦合二次多项式模型来预测剪切应力，决定系数为0.99。这些发现为复杂操作条件下磁流变材料（magnetorheological materials）和器件的设计、优化和性能调控提供了有用的指导。

磁流变液（MR fluids）作为一类智能材料，在外部磁场作用下表现出独特的流变特性，广泛应用于振动隔离、阻尼和动力传输等工程领域。然而，由于磁性粒子比重高，在重力作用下易发生沉降，导致流体失去均匀性和功能性，严重限制了其实际应用。已有研究通过添加剂、载体液、表面活性剂及纳米复合等途径改善沉降稳定性，但针对低密度（密度小于2 g/cm³）MR流体的研究仍有限。降低磁性粒子与载液间的密度失配是提升悬浮稳定性、延缓沉降的有效策略，而温度作为关键环境因素，对MR流体性能影响显著。然而，搅拌时间与温度对低密度MR流体沉淀稳定性和流变行为的综合影响尚需深入探究。为此，研究人员制备了两种不同密度的低密度MR流体，通过实验与数值模拟系统分析了密度、温度、搅拌时间、剪切速率及施加电流等参数对性能的影响，旨在为复杂工况下MR材料及器件的设计与优化提供指导。该论文发表在《Materials Today Communications》。

在研究方法上，研究人员主要采用了以下关键技术：首先，通过沉降实验表征不同温度和搅拌时间下MR流体的相分离行为，利用强制对流干燥装置控制温度并测量油相与混合相的分离程度；其次，采用LV-DVⅡ+测量系统（ROOKFIELD）进行流变性能测试，分析不同剪切速率（15-1170 s^-1）和施加电流（0-2 A）下的剪切应力响应；最后，基于过阻尼朗之万方程（Langevin equation）的Euler-Maruyama方法开展数值模拟，结合DLVO（Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）力模型（包含范德华引力和双电层斥力）及Arrhenius粘度温度依赖关系，模拟粒子沉降过程中位置演化，并利用Richardson-Zaki方程修正高浓度下的集阻效应。样本队列来源为实验室制备的两种低密度MR流体（密度1.3和1.7 g/cm³）。

研究结果分为三个部分：

**4.1 沉降稳定性分析：** 通过沉降实验发现，在25°C时，低密度MR流体（1.3 g/cm³）表现出优异的相稳定性，无明显油液分离；而温度升至80°C时，相分离显著加剧，油相体积随时间增加。延长搅拌时间（由5 min增至10 min）有效降低了高温下的油相分离程度：对于密度1.3 g/cm³的MR流体，1800 min后油相体积从约38 mL降至20 mL；对于密度1.7 g/cm³的MR流体，油相体积从约50 mL降至23 mL。数值模拟进一步表明，温度升高通过降低载液粘度加速粒子沉降，而延长搅拌时间通过改善初始分散状态延缓沉降，平均沉降距离呈现“先快后稳”趋势，初始阶段80°C下的沉降速率（~0.75 μm/s）显著高于25°C（~0.48 μm/s），长期阶段均稳定在约0.1 μm/s。

**4.2 数值模拟与实验结果对比：** 将模拟得到的归一化特征时间（t₅₀*）与实验数据对比，发现两者趋势高度一致：温度从25°C升至80°C时，t₅₀*显著下降，而搅拌时间延长使其略有增加。模拟与实验稳定性指数的相关系数（R²）达0.927，验证了模型在描述温度与初始分散状态对沉降行为影响方面的有效性。在80°C、10 min搅拌条件下存在一定偏差，可能源于高温下粒子团聚动力学及微结构变化的简化处理。

**4.3 MR流体的流变性能分析：** 流变测试表明，剪切应力随施加电流增大而增大，随温度升高而降低。在密度1.3 g/cm³、剪切速率600 s^-1、电流2 A条件下，剪切应力从25°C的约20000 Pa降至80°C的约12000 Pa，降幅约40%；对于密度1.7 g/cm³的MR流体，相同条件下剪切应力从约37000 Pa降至约29200 Pa，降幅约21%。高密度MR流体表现出更强的电流响应（剪切应力增加约7.5倍）和更高的绝对剪切应力值。此外，建立了温度-电流耦合二次多项式模型，拟合决定系数（R²）达0.99以上，可预测25-80°C任意温度下的剪切应力。

讨论部分总结指出，温度通过降低载液粘度加速粒子迁移与沉降，削弱了MR流体的流变响应；延长搅拌时间通过机械剪切改善粒子分散、延缓团聚，从而抑制高温下的性能恶化。低密度配方通过减小磁性粒子与载液间的密度失配，显著提升了沉降稳定性。这些发现与以往关于常规MR流体的研究结果一致。研究结论翻译如下：本研究制备了密度为1.3和1.7 g/cm³的两种低密度磁流变液（MR fluids），并通过实验与Euler-Maruyama模拟系统研究了搅拌时间和温度对其沉淀稳定性及流变性能的影响。主要结论如下：（1）温度、密度和搅拌时间显著影响MR流体的沉淀稳定性。温度升高通过降低载液粘度加速相分离；与密度1.7 g/cm³的配方相比，密度1.3 g/cm³的MR流体因较小的密度失配而表现出更好的沉淀稳定性。（2）将搅拌时间从5 min延长至10 min改善了粒子分散，有效抑制了沉降，尤其在高温条件下。在相同热环境下，更长的搅拌时间减少了油相分离体积，增强了悬浮稳定性。（3）MR流体的流变性能强烈依赖于温度、剪切速率和施加电流。剪切应力随电流强度增大而增大，随温度升高而减小。结果表明温度是影响低密度MR流体流变响应的主导因素，而密度与电流共同影响响应的幅度。（4）Euler-Maruyama模拟成功捕捉了温度依赖的沉降行为，与实验观测吻合良好。模拟结果进一步揭示了粒子迁移和热涨落在沉降过程中的重要作用。本研究为不同搅拌与热条件下低密度MR流体的沉降及流变行为提供了深入理解，为变温工况下MR阻尼器、制动器、离合器及其他振动控制装置的配方设计与性能优化提供了有用指导。