1、磁流體

　　磁流體也稱(chēng)磁液或鐵磁流體( 英文為Magnetic Fluid 或Ferrofluid) , 它是將鐵磁性納米微粒摻入到載液中, 并用表面活性分散劑使其均勻地分散到載液中, 從而形成的一種固液相混的懸浮狀的膠體。磁流體具有以下特點(diǎn): ①在磁場(chǎng)的作用下, 磁化強(qiáng)度隨外加磁場(chǎng)的增加而增加, 直至飽和, 而外磁場(chǎng)去除以后又無(wú)任何磁滯現(xiàn)象, 磁場(chǎng)對(duì)磁流體的作用力表現(xiàn)為體積力。②與一般納米粒子相同, 具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)。③具有液體的流動(dòng)性, 在通常的離心力和磁場(chǎng)的作用下, 既不沉降, 也不凝集。

表1 　磁流體組分材料概況

　　磁流體是一種在工程技術(shù)甚至生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛用途的高科技材料。20 世紀(jì)60 年代中期, 美國(guó)首先成功用于解決宇航服可動(dòng)部分的真空密封以及在失重狀態(tài)下宇宙飛船液體燃料的固定問(wèn)題。此后磁流體技術(shù)逐漸被人們所認(rèn)識(shí), 其研究應(yīng)用一直是世界各國(guó)十分關(guān)注的前沿課題, 我國(guó)科研工作者經(jīng)過(guò)數(shù)年的潛心研究, 于1997 年生產(chǎn)出首批產(chǎn)品。目前國(guó)際上僅美、中、俄、日等少數(shù)國(guó)家能夠生產(chǎn)。磁流體結(jié)構(gòu)模型及實(shí)物圖如圖1 所示, 磁流體組分材料概況如表1 所示。

1 - 載液　2 - 磁性微粒　3 - 分散劑實(shí)物圖

圖1 　磁流體結(jié)構(gòu)模型及實(shí)物圖

2、磁流體密封

　　磁流體密封是利用在外加磁場(chǎng)作用下磁流體具有承受壓力差的能力而實(shí)現(xiàn)的密封。其基本原理如圖2所示, 磁性回路由永久磁鐵、極靴和轉(zhuǎn)軸組成。放置在導(dǎo)磁性良好的轉(zhuǎn)軸與極靴頂部之間的制作精良的磁流體在高性能的永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下高度集中, 形成一個(gè)液體o型密封圈, 當(dāng)磁流體受到壓力差作用時(shí), 磁流體在非均勻磁場(chǎng)中略微移動(dòng), 產(chǎn)生了對(duì)抗壓力差的磁力, 從而達(dá)到新的平衡, 進(jìn)而將轉(zhuǎn)軸與極靴間的縫隙堵死而達(dá)到密封的目的。

1 - 永久磁鐵　2 - 極靴　3 - 旋轉(zhuǎn)軸　4 - 磁流體

圖2 　磁流體密封的基本原理

　　磁流體密封中的轉(zhuǎn)軸可以是磁性體, 也可以是非磁性體。前者的磁束集中于轉(zhuǎn)軸與極靴間的縫隙處,通過(guò)轉(zhuǎn)軸構(gòu)成磁性回路; 后者的磁束并不通過(guò)轉(zhuǎn)軸,而是通過(guò)縫隙中的磁流體構(gòu)成磁性回路。圖2 所示的磁流體單磁鐵雙極靴密封結(jié)構(gòu)的耐壓能力差(小于0.1MPa) , 所以實(shí)踐中大量采用的是多磁鐵多極靴結(jié)構(gòu), 如圖3 所示。圖3 (a) 中磁流體密封采用多塊磁鐵, 每塊磁鐵與其對(duì)應(yīng)的一對(duì)極靴構(gòu)成各自獨(dú)立的磁性回路, 各回路間采用絕磁材料隔開(kāi)。圖3 (b) 中只使用了一塊磁鐵, 這是一種單磁路多級(jí)磁流體密封結(jié)構(gòu)。在理想情況下, 所有磁流體密封在每一級(jí)中充入的磁流體保證在轉(zhuǎn)軸和極靴之間的每一級(jí)建立起一系列液體o型密封圈, 每一級(jí)需可以承受的壓力差為0.015～0.02MPa , 整個(gè)區(qū)域的承壓能力為各級(jí)密封圈承壓能力的總和。

1 - 永久磁鐵　2 - 導(dǎo)磁極靴　3 - 磁流體　4 - 轉(zhuǎn)軸　5 - 隔環(huán)

圖3 　多級(jí)磁流體密封結(jié)構(gòu)示意圖

3、磁流體密封的特點(diǎn)

　　磁流體密封結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):

　　(1) 密封性能好: 目前采用的酯基磁流體可對(duì)介質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)密的高度穩(wěn)定的動(dòng)密封或靜密封, 幾乎無(wú)泄漏( < 10^{- 11}Pa·m³/s) , 甚至使用質(zhì)譜儀也未必能檢出泄漏, 真空密封時(shí)的真空度可達(dá)10 ^{- 5} Pa 。

　　(2) 密封結(jié)構(gòu)壽命長(zhǎng): 用于真空?qǐng)龊厦芊獾拇帕黧w的載液是一種惰性、穩(wěn)定、低蒸汽壓的二酯基有機(jī)物, 揮發(fā)量極低, 可長(zhǎng)期使用, 10 年無(wú)需維修。

　　(3) 可靠性高: 磁流體密封件在正常情況下產(chǎn)生瞬時(shí)過(guò)壓擊穿時(shí), 一旦壓力降低至密封可以承受的程度時(shí), 密封效果依然能夠保持。用于真空?qǐng)龊系拇帕黧w密封件一般要求其耐壓能力超過(guò)0.2MPa 。

　　(4) 傳輸效率高: 磁流體密封裝置在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下, 摩擦力極小, 無(wú)機(jī)械磨損, 發(fā)熱低, 功率損耗極小, 傳輸效率幾乎達(dá)100 % , 功率損耗僅僅考慮軸承的損失。

　　(5) 傳遞速度高: 磁流體密封裝置具有高速運(yùn)轉(zhuǎn)的潛力, 可傳遞30000r/ min 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

　　(6) 無(wú)污染: 磁流體密封件本身不存在機(jī)械磨損, 沒(méi)有微粒產(chǎn)生, 磁液飽和蒸汽壓極低, 即使在真空狀態(tài)下使用也不會(huì)產(chǎn)生污染。

　　(7) 良好的修復(fù)性: 磁流體密封裝置在使用過(guò)程中, 如果因某些原因造成密封失效, 只要內(nèi)部元件功能正常, 一般可在現(xiàn)場(chǎng)用較短的時(shí)間就能修復(fù)。

　　(8) 無(wú)方向性密封: 如果需要改變承壓方向, 對(duì)于磁流體密封而言, 無(wú)需增加任何元件就能實(shí)現(xiàn)。

4、磁流體密封技術(shù)的應(yīng)用

(1) 磁流體密封技術(shù)應(yīng)用于真空密封

　　應(yīng)用磁流體密封技術(shù)最早、最多、最成功的設(shè)備是各種真空設(shè)備。其中轉(zhuǎn)軸或擺動(dòng)桿的真空動(dòng)密封目前已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的程度。因?yàn)閷⑿�轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從大氣側(cè)傳遞到真空室時(shí), 采用這種液體○型密封圈式動(dòng)密封裝置不但可以克服固體密封中易磨損、功耗大、壽命低、易污染等弊病, 而且由于液態(tài)的磁流體可以充滿(mǎn)整個(gè)被密封的空間, 從而堵塞了一切可以漏氣的通道, 實(shí)現(xiàn)了運(yùn)轉(zhuǎn)和停車(chē)兩個(gè)過(guò)程中的零泄漏。另外, 節(jié)能效果明顯, 不受軸偏心振動(dòng)的影響, 密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不需維修。

(2) 磁流體密封技術(shù)應(yīng)用于氣體密封

　　磁流體密封技術(shù)作為真空容器抽空后充入工作氣體或防止容器內(nèi)有毒氣體或貴重氣體的泄漏時(shí)還可以用于密封氣體。這種密封不但可以有效地防止雜質(zhì)對(duì)真空室的侵入, 還可以保護(hù)工作氣體的純度, 而且也不存在磁流體對(duì)密封介質(zhì)的侵蝕。

(3) 磁流體密封技術(shù)應(yīng)用于液體密封

　　磁流體應(yīng)用于密封液體目前雖然尚未達(dá)到實(shí)用化的階段, 但是由于這種密封所具有的零泄漏特性, 在防止固體和液體的阻隔密封中, 有極大的應(yīng)用價(jià)值。這類(lèi)密封存在被密封的液體介質(zhì)易與磁流體接觸而引起乳化、變質(zhì)從而導(dǎo)致密封失效的缺點(diǎn)。在磁流體材料品種少、穩(wěn)定性差的初期, 研究較早較多的是采用輔助手段將密封液體與磁流體分隔開(kāi)來(lái), 阻止二者直接接觸以避免對(duì)磁流體的侵害, 從而將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為各種各樣的組合密封結(jié)構(gòu), 例如磁流體密封與螺旋密封組合, 利用螺旋密封有效地將被密封液體與磁流體隔開(kāi), 保證磁流體密封正常工作, 防止向內(nèi)泄漏和停車(chē)泄漏, 另外還有磁流體密封與離心密封、端面密封等多種組合形式, 一般都是為了充分利用磁流體密封的零泄漏、低摩擦、低功耗等特性, 但密封結(jié)構(gòu)偏于復(fù)雜。另一條有效的技術(shù)途徑是選用能與被密封液體接觸但不受侵害的磁流體, 這依賴(lài)于開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)針對(duì)某種特定被密封液體的高穩(wěn)定性的磁流體。最早應(yīng)用的報(bào)道是使用油基磁流體密封深水泵內(nèi)部電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸, 取得了令人滿(mǎn)意的效果; 將磁流體密封用于艦船螺旋推進(jìn)器的主軸密封, 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的盤(pán)根密封, 可使主軸功率損耗降低10～40 % , 明顯提高了船的航行速度。