多孔材料的孔径优化策略

一般地，由于毛细管力的作用，固液二相流在通过小孔径材料时，容易产生分层现象，而绝大多数磁流变液是硅油和铁粉的混合物，在多孔材料内部流动的过程中，毛细管力会直接影响磁流变液的性能，从而影响被磁场抽出的磁流变液产生的阻尼效果。

多孔材料的孔径对磁流变液流动时的性能影响，可以采用在毛细管中的流动来进行近似描述，实验所用的材料如下：

①点样毛细管，内径分别是0.1，0.2，0.3，0.6 和0.88 mm；

②磁流变液，由Lord 公司生产，型号为MRF-132DG，颗粒的质量百分含量是80.98%，密度是2.77 g/cm3。

磁流变液在毛细管内运动时，影响其上升高度的主要物理特性包括磁流变液的表面接触角、团聚情况和颗粒的大小等，实验前对这些特性进行了测试，如图2.1 所示，其中，测试团聚和颗粒大小采用的是扫描电镜。

图2.1　磁流变液的物理特征

（a）磁流变液的团聚；（b）磁流变液的颗粒大小；（c）磁流变液的接触角

其测试的原理为：将毛细管插入磁流变液中，管内液面将呈凹形，由于凹液面的附加压力Δp 小于0，管内液面所受的压力小于管外液面的压力，因此管外的液体将自动流入管内，导致管内液柱上升，直到上升的液柱产生的静压力ρgh 等于附加压力Δp 时，系统达到平衡态，如图2.2 所示。

上升的高度可用如下公式计算：

式中　h——磁流变液上升的高度；

　　　ρ——液体的密度，kg/m3；

　　　g——重力加速度，m/s2；

　　　σ——液体和空气之间的表面张力系数，N/m；

　　　θ——接触角，（°）；

　　　rc——毛细管半径，m。

图2.2　毛细管作用的几何关系

实验装置如图2.3 所示，取50 mL 的磁流变液，利用振动搅拌器搅匀，在真空泵中抽真空20 min，待磁流变液中没有明显的气泡冒出为止，备用。实验过程如下：(www.xing528.com)

①测出毛细管的内径；

②将盛装磁流变液的烧杯放在电子天平上，将电子天平归零；

③将毛细管的端部插入磁流变液中，深约1 mm，固定毛细管，磁流变液在毛细管内迅速上升，大约3 min，待磁流变液上升稳定后，记下此时的高度h1。

另取5 支相同内径的毛细管，重复实验，记为h2，h3，h4 和h5，其平均值h 即为磁流变液在毛细管中的上升高度，并分别记下数字天平的示数变化，这就是磁流变液在毛细管中上升的质量。根据磁流变液在毛细管中上升的高度和毛细管的内径，计算出磁流变液上升到毛细管中的体积V1，V2，V3，V4 和V5，从而得到其密度。更换不同内径的毛细管，按照上述方法重复实验。根据

可以得到上升的磁流变液密度

图2.3　磁流变液在毛细管中上升的实验

图2.4　毛细管内的磁流变液

实验后的效果如图2.4 所示，测试结果如图2.5 和图2.6 所示。

图2.5 表明，随着毛细管内径的增加，磁流变液液柱上升的高度越小。

图2.6 中的上下误差线为采用相同内径的毛细管时得到的密度变化值，从图中可以看出，对于内径大于0.3 mm 的毛细管，在毛细管作用力下，上升到毛细管内的磁流变液密度与初始的磁流变液密度相比，变化较小；对于内径为0.1 mm 的毛细管，上升到毛细管内的磁流变液密度与初始密度相比，变化很明显，最大变化了20%，而且测试结果不稳定。根据图2.1，这可能是因为磁流变液内部颗粒沉淀和团聚影响了上升到毛细管内的磁流变液的性能。

图2.5　磁流变液液柱上升的高度与毛细管直径的关系

图2.6　毛细管内磁流变液的密度与直径的关系

磁流变液在毛细管中上升的实验表明，选择的多孔材料的孔径应该在0.1 mm 以上，如果孔径过小，将会影响磁流变液的性能。