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磁性液体的优化制备及其流变性能的分子动力学模拟

顾瑞  
【摘要】: 磁性液体兼具固体磁性材料的磁性和液体的流动性,显示出独特的物理性能和力学行为,因而在诸多领域得到了广泛的应用。为了得到性能更加优异的磁性液体,并在此基础上深入理解磁性纳米颗粒在复杂流场中的动力学行为,本文对磁性液体制备方法进行了优化设计,研制得到具有良好稳定性能和磁粘性效应的Fe@SiO_2磁性液体,使用流变仪对其力学行为进行了表征测试。并结合前面的实验结论,用分子动力学方法模拟研究了磁性纳米颗粒在复杂流场下形成的有序结构及其对磁性液体流变性能的影响。 首先,本文优化设计了磁性液体的制备方法。选用椭球型核壳结构微粒Fe@SiO_2代替传统使用的Fe_3O_4配制磁性液体,通过流变仪对其流变性能和粘弹性行为进行了深入的实验研究。椭球型核壳微粒Fe@SiO_2兼有核﹑壳组分的优异性能,呈现出特殊的物理化学特性。其椭球形的内核铁赋予了材料各向异性的磁性能,而表面的二氧化硅保护“层”不仅能有效阻止微粒在悬浮液中团聚,明显改善复合微粒在后续加工过程中的稳定性,同时能实现磁性粒子的进一步功能化。经优化制备得到的磁性液体既有优异抗氧化性和分散性,同时还具备较高的饱和磁化强度。使用高精度流变仪,对其流变性能和粘弹性行为进行了详细的研究,结果表明Fe@SiO_2磁性液体具有良好的磁流变性能和独特的线性粘弹性特征。这种磁性液体与众不同的力学行为是由其功能独特的磁性核壳微粒Fe@SiO_2决定的。同时,微粒与基液间的相互作用对磁性液体的流变性能也有重要影响。 其次,建立磁性纳米颗粒在复杂流体中的动力学方程组,使用分子动力学模拟研究了磁性纳米颗粒在多场耦合下形成的微观结构及其对磁性液体流变性能的影响。磁性液体内部微观结构的形貌、尺寸和分布会强烈影响其力学行为,因而对磁性液体微观机理的研究具有十分重要的意义。分子动力学模拟,是一种在原子层次上探究材料内部结构和各种力学行为的有效方法。通过对磁性液体分别在静态、受稳态剪切和压缩载荷作用下的分子动力学模拟及其与实验测试数据的对比,证明在外加磁场下,磁性液体中的磁性纳米颗粒将沿磁场方向形成链状有序结构,这些结构的强度和分布等随磁场和外加载荷模式不同而有所变化,并强烈影响了磁性液体的流变性能——磁性纳米颗粒排布得越紧密,链状结构越结实,磁性液体的屈服强度就越大。同时模拟结果表明施加沿磁场方向的压缩载荷可提高磁性液体的屈服强度。


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