表面分子设计磁流变液的长期稳定性提高及其机理研究

How to improve the long-term stability of magnetorheological (MR) fluids is a bottleneck problem which severely hinders the engineering application of MR fluids. In order to resolve this issue, the following research project is proposed based on applicants' previous research results: the stability of MR fluids can be greatly improved through grafting organic molecules on magnetic particle surface. At first, synthesize composite magnetic particles with different surface molecular structure based on the surface molecular structure design idea, and prepare MR fluids with these composite magnetic particles; secondly, systematically study on the evolution characteristics of surface properties, including wettability, contact angle, surface tension, and so on, of these composite magnetic particles with different surface molecular structure in base liquids, thus establishing a way to tailor surface properties of magnetic particles through grafting surface modifier on the surface of magnetic particles; thirdly, investigate the evolution characteristics of the thermal conductivity, stacking density, apparent viscosity and redispersibility of settlings of the MR fluids composed of composite magnetic particles with different surface molecular structures and the key factors to impact them, thus illuminating the regulation effect of surface molecular structure on the settling process of MR fluids and its regulation mechanism; fourthly, research on the correlations among the thermal conductivity change, stacking density change and redispersibility change of the settlings of the MR fluids, in order to establish an analysis model for evaluating the settling velocity and settling state of MR fluids based on the thermal conductivity change of the settlings; and finally, develop the design method and design theory of MR fluids materials for greatly improving the long-term stability of MR fluids through tailoring the surface properties of magnetic particles based on surface molecular structure design, and establish a testing method for evaluating the long-term stability of MR fluids according to thermal conductivity change.

如何提高磁流变液的长期稳定性是其工程应用的瓶颈问题。以申请者最近发现的磁性粒子表面接枝有机分子可以大幅度提高磁流变液稳定性的实验现象为基础，本项目提出基于表面分子结构设计，合成不同表面分子结构的复合磁性粒子及其磁流变液材料，研究不同表面分子结构复合磁性粒子在基液中的润湿性、接触角和表面张力等表面特性的演变特征，建立通过接枝表面改性剂裁剪磁性粒子表面特性的方法；研究不同表面分子结构磁流变液沉降物的导热率、堆积密度、表观粘度、再分散性的演变特征及其关键影响因素，阐明表面分子结构对磁流变液沉降过程的调控作用及其机理；研究磁流变液沉降物的导热率、堆积密度和再分散性变化的相互关系，建立基于导热率变化评价MR液沉降速度和沉降状态的分析模型；在此基础上，发展基于表面分子结构裁剪磁性粒子表面特性，大幅度提高MR液长期稳定性的材料设计方法和理论，以及基于导热率变化评价磁流变液长期稳定性的测试方法。

为了突破磁流变液工程应用的关键瓶颈――监测磁流变液的沉降速度和沉降状态和提高磁流变液长期稳定性，本项目研究了磁流变液长期沉降过程中沉降状态演变与导热率演变的关系，进而发展了导热率变化法监测磁流变液沉降状态的方法和装置；研究了磁流变液的长期稳定性与磁流变液的界面特性的关系，揭示了提高磁流变液长期稳定性的机理；研究了通过在磁性粒子表面接枝有机分子链，调控磁性粒子在载液中的润湿性、表观密度，以及磁流变液的零场粘度等磁流变液界面特性的方法关系，发展了通过表面分子设计，调控磁流变液的界面特性，从而提高磁流变液长期稳定性的方法。取得了以下主要成果：. 研究了磁流变液沉降过程中，磁流变液沉淀物的浓度随沉降时间的变化规律可分为三个阶段：不稳定的快速沉降阶段，比较稳定的缓慢沉降阶段，稳定的极慢沉淀阶段。磁流变液沉淀物的导热率随沉降时间的变化规律也与浓度变化规律一样，同样可分为三个阶段：快速增长阶段，缓慢增长阶段，极慢增长阶段。进一步研究发现磁流变液沉降过程中沉淀物的浓度增长与导热率增长是同步的，可用线性模型描述它们之间的关系，进而可通过测量磁流变液沉淀物的导热率随沉降时间的变化曲线描述磁流变液沉淀物的浓度随沉降时间的变化曲线，建立了基于沉降物的导热率变化监测磁流变液沉降速度和沉降状态的方法。. 设计和制备了具有不同界面特性的磁流变液，研究了磁性粒子在载液中的润湿性、表观密度，以及磁流变液的零场粘度等因素对磁流变液长期稳定性的影响规律，发现了提高磁流变液长期稳定性的关键因素，发展了通过调控磁流变液的界面特性提高磁流变液长期稳定性的方法。. 设计、合成了系列不同分子结构的螯合型表面改性剂以及相应的复合羰基铁粒子，研究了复合磁性粒子表面分子结构对磁性粒子在载液中的润湿性、表观密度，以及磁流变液的零场粘度等因素的影响规律，从而建立了通过表面分子结构设计裁剪磁性粒子表面特性，提高流变液长期稳定性的新途径。