介紹了磁流體密封技術(shù)的應(yīng)用原理、特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢，指出具有高飽和磁化強(qiáng)度的磁流體的制備和具有高磁場強(qiáng)度的密封裝置的設(shè)計(jì)是磁流體密封技術(shù)的兩大關(guān)鍵要素，磁流體密封技術(shù)需加強(qiáng)理論和試驗(yàn)水平研究，帶動磁流體密封應(yīng)用朝著更為深遠(yuǎn)的方向發(fā)展。

　　引言

　　磁流體又稱為磁性液體或鐵磁流體，其是一種固液兩相組成的膠體材料，固相主要指磁性固體納米顆粒，液相是指能夠承載固體磁性納米顆粒的液體，磁流體具有液態(tài)載體的流動性、潤滑性、密封性，同時(shí)具有固體納米顆粒的強(qiáng)磁性及其它特性。簡而言之，磁流體組成部分除了包括固相磁性納米顆粒和液相承載液體(基液)之外，還包括鏈接固相和液相的中間體——表面活性劑，表面活性劑是一種具有不同極性端的兩性物質(zhì)，其一端可以用來包裹磁性納米顆粒，另一端伸入基液中使之具有油溶性或水溶性。由于被修飾的磁性顆粒是納米級別，被表面活性劑包裹的磁性納米顆粒就可以克服重力沉降等作用而穩(wěn)定存在于基液中。磁流體在沒有外界干擾時(shí)無磁吸引力，當(dāng)外加磁場作用時(shí)，由于強(qiáng)磁性納米顆粒作用才表現(xiàn)出有磁性。由此可見，磁流體一方面可以表現(xiàn)出流體流動性的特點(diǎn)，另一方面可以表現(xiàn)出磁性材料磁性作用特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用在許多領(lǐng)域，尤其是在密封領(lǐng)域，磁流體密封正在發(fā)揮越來越大的作用。

1、磁流體密封原理

　　磁流體密封技術(shù)是一種新型的密封方式，它是指利用具有高飽和磁強(qiáng)度的磁流體來進(jìn)行相關(guān)機(jī)械設(shè)備密封，由于磁流體本身是一種液態(tài)流體，具備液態(tài)流體的基本特性，以及具有磁性固體材料的磁性，磁流體密封技術(shù)就是利用磁流體對磁場的響應(yīng)變化特性而來。圖1是一種典型的利用磁流體進(jìn)行密封的裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖，磁流體密封主要由兩部分構(gòu)成，即磁流體和經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的磁流體密封裝置，磁流體密封裝置包括導(dǎo)磁軸、磁極、不導(dǎo)磁座、軸承、永久磁鐵等部分，磁流體密封裝置的設(shè)計(jì)使之具有一定的磁場間隙，當(dāng)磁流體注入磁場間隙時(shí)，在磁場間隙周圍磁場的作用下，由于磁流體本身的液態(tài)流動性以及磁性作用，磁場間隙會充滿磁流體磁場間隙的環(huán)形設(shè)計(jì)會讓磁流體在磁場間隙中形成一種特殊的“液體O形密封圈”，由于磁流體本身特性以及密封裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該O形圈可以穩(wěn)定存在，對密封介質(zhì)起到一種良好的密封作用，“液體O形密封圈”的形成除了和磁流體自身磁特性有關(guān)之外，還與磁場間隙磁場強(qiáng)度有關(guān)。實(shí)踐證明，為了提高整個密封裝置的密封效果和承壓能力，需要在磁流體密封結(jié)構(gòu)中構(gòu)成多個磁性回路，即多級磁流體密封結(jié)構(gòu)，密封時(shí)存在壓差作用，當(dāng)該壓差作用于“液體O形密封圈”之上時(shí)磁流體會略微移動，由于磁流體對外界磁場的響應(yīng)作用，該“液體O形密封圈”具有保持和恢復(fù)原始狀態(tài)的特性，由此產(chǎn)生了對抗壓差的磁力，這就是磁流體的密封作用原理。

圖1 磁流體密封裝置組成結(jié)構(gòu)示意圖

2、磁流體密封特點(diǎn)

　　密封主要目的是保護(hù)工作介質(zhì)，防止工作介質(zhì)泄漏或者污染，隨著工業(yè)的快速發(fā)展密封在工業(yè)設(shè)備及機(jī)械制造領(lǐng)域中起著越來越重要的作用，密封不良會造成密封介質(zhì)泄漏，污染環(huán)境，同時(shí)外界雜質(zhì)侵入設(shè)備污染密封介質(zhì)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)正常運(yùn)行，造成巨大的生產(chǎn)浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。靜密封和動密封是密封的兩種基本形式，靜密封是指機(jī)械設(shè)備中相對靜止件之間的密封，動密封指相對運(yùn)動件間的密封。目前傳統(tǒng)的密封方式還是主要使用橡膠件密封，橡膠件包括丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠等，橡膠件密封應(yīng)用較為廣泛，是目前使用量最大的一種密封方式，但是橡膠件密封存在易膨脹溶解、易被密封件磨損、易污染密封介質(zhì)、易老化等諸多缺點(diǎn)，橡膠件密封容易造成密封性能差，使密封設(shè)備喪失密封性能。

　　相對于傳統(tǒng)密封缺陷，磁流體密封利用磁力來密封，具有傳統(tǒng)密封無法比擬的優(yōu)越性，其主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

　　(1)無泄漏密封：磁流體是一種具有高飽和磁強(qiáng)度的流體，目前利用高飽和磁強(qiáng)度磁流體和設(shè)計(jì)精良的密封裝置可以對介質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)密的高度穩(wěn)定的動密封或靜密封，并且?guī)缀鯖]有泄露。原因在于磁流體可以充滿整個密封設(shè)備的密封間隙，形成一種“液體O形密封圈”，同時(shí)改變密封裝置磁場強(qiáng)度，磁流體粘度也會隨之改變，從而可以加強(qiáng)磁流體密封作用，進(jìn)一步減小了密封介質(zhì)泄露的可能性。這種特性用來密封腐蝕性氣體以及有毒、易燃易爆氣體非常重要。

　　(2)無磨損密封：傳統(tǒng)接觸式密封由于接觸元件之間的摩擦磨損大，一方面影響密封件使用壽命，另一方面影響機(jī)械設(shè)備功率，造成機(jī)械設(shè)備功率損耗大。磁流體密封避免了密封件和旋轉(zhuǎn)軸的摩擦而產(chǎn)生碎屑，同時(shí)磁流體作為一種油基流體，本身亦具有潤滑作用，其對保護(hù)機(jī)械設(shè)備零部件減少摩擦磨損具有重要作用。

　　(3)無污染密封：磁流體密封件由于使用液態(tài)磁流體作為密封元件，其本身不存在摩擦磨損，不會產(chǎn)生磨削，同時(shí)磁流體具有極低的飽和蒸汽壓，可以保證即使真空狀態(tài)下也不會對密封介質(zhì)造成污染，磁流體密封可以有效避免對密封介質(zhì)的外來和內(nèi)在污染。

　　(4)無方向密封：磁流體密封裝置的設(shè)計(jì)使其兩邊都可以承受不同壓力，如果需要改變密封裝置承壓方向，對磁流體而言無需增加任何元件就可以實(shí)現(xiàn)，磁流體密封沒有方向性，防外漏和內(nèi)漏一樣有效。

　　(5)無損耗密封：磁流體一般以油性液態(tài)物質(zhì)做為基液，在裝有軸承的密封件中，磁流體在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下本身具有極小的內(nèi)摩擦力，發(fā)熱低，大大減小了因?yàn)槊芊饧�的摩擦造成機(jī)械功率的損耗，磁流體密封功率損耗小，因而亦可使用于高速旋轉(zhuǎn)密封。

　　(6)長壽命密封：磁流體密封作為一種特殊的密封件其使用壽命主要取決于磁流體壽命，磁流體本身是一種穩(wěn)定的流體，其有效壽命在40°C下可達(dá)20年而保持磁流體特性不變。并且磁流體密封結(jié)構(gòu)構(gòu)造系統(tǒng)簡單，工作性能可靠。

　　(7)穩(wěn)定性密封：由于磁流體既具流體效應(yīng)，又有磁場作用下黏度變化效應(yīng)，所以磁流體密封不會因?yàn)楫a(chǎn)生瞬時(shí)過壓擊穿時(shí)而造成密封性能的損失，在使用過程中，即使出現(xiàn)因磁流體導(dǎo)致密封裝置失效情況，只需重新更換或者補(bǔ)加磁流體即可。

3、磁流體密封研究現(xiàn)狀

　　實(shí)現(xiàn)磁流體密封有兩大關(guān)鍵技術(shù)要素: 一是滿足使用要求的高性能磁流體的制備; 二是具有優(yōu)異密封性能的磁流體密封裝置的設(shè)計(jì)。磁流體密封現(xiàn)狀要就主要集中在磁流體制備技術(shù)研究、磁流體密封結(jié)構(gòu)的研究。

　　磁流體是由基載液、磁性微粒和表面活性劑3部分組成，為了得到穩(wěn)定的磁性液體，強(qiáng)磁性微粒必須足夠小，強(qiáng)磁性微粒主要包括四氧化三鐵、氮化鐵等物質(zhì)，表面活性劑一般是指具有兩親性結(jié)構(gòu)的有機(jī)物，其一端為極性基團(tuán)，極性基團(tuán)包覆在磁性粒子表面防止其團(tuán)聚，另一端為非極性基團(tuán)，主要指長鏈的有機(jī)分子，非極性基團(tuán)伸入基液中，使磁性粒子具有親水或者親油性，磁性粒子能夠穩(wěn)定存在并溶入基液中的前提是基液要與表面活性劑具有相似結(jié)構(gòu)。基液是磁性粒子能夠穩(wěn)定存在的介質(zhì)，基液不僅應(yīng)該滿足低黏度和高化學(xué)穩(wěn)定性等特性，同時(shí)還需要滿足低蒸發(fā)速率和耐高溫等特性，基液的性質(zhì)決定了磁流體的用途。目前，磁流體制備技術(shù)主要包括磁性納米粒的制備、磁性納米粒的表面改性以及磁性流體的制備，主要制備方法有球磨法、表面活性劑法、化學(xué)沉淀法、微乳液法、氣相液相反應(yīng)法等。無論哪種制備方法，均需要根據(jù)實(shí)際使用狀況的不同，選取合適的基液和表面活性劑，制備出高性能、高穩(wěn)定性的磁流體。良好的磁性液體必須具有下列性能：

　　(1)應(yīng)具有較大的磁飽和特性，磁飽和特性是磁性材料的一種固有特性，較大的磁飽和特性可以保證磁流體對外界磁場強(qiáng)度的最大響應(yīng)，其可以使盡可能大的磁場通過磁流體，從而給磁性納米顆粒提供盡可能大的能量，使磁流體具有更為明顯的磁特性。

　　(2)應(yīng)具有優(yōu)良的磁化和退磁特性，磁化和磁退效應(yīng)是指磁流體在磁場作用下的響應(yīng)變化效果，磁流體的磁流變效應(yīng)是一種可逆變化。良好的磁流體要求磁導(dǎo)率很大，內(nèi)聚力較小，同時(shí)具有狹窄的磁滯回線。

　　(3)應(yīng)具有高度磁化和穩(wěn)定的性能，磁流體的磁化特性和穩(wěn)定性能取決于磁性液體中強(qiáng)磁性納米粒子的分布，磁性納米粒子顆粒大小均一并且分布均勻才能保證磁流體具有高度磁化和穩(wěn)定的性能，這就要求磁流體制備過程中需要控制好磁性納米粒子均勻分布。

　　(4)應(yīng)具有較小的能量損耗，磁流體利用磁化作用達(dá)到密封目的，工作期間會由于磁滯等現(xiàn)象造成損耗，磁流體的制備應(yīng)該保證該損耗應(yīng)該是一個很小的量。

　　(5)應(yīng)具備較好的磁粘效應(yīng)，當(dāng)沒有外加磁場時(shí)，磁流體和普通流體一樣，呈牛頓流體流動特性，當(dāng)存在外加磁場時(shí)，磁流體呈現(xiàn)非牛頓流體特性，磁流體粘度隨著磁場變化而變化，可以通過控制外加磁場強(qiáng)度來調(diào)控磁流體粘度變化。

　　(6)應(yīng)具有極高的穩(wěn)定性，尤其是在一定溫度范圍內(nèi)，需保證磁性液體的流變性能不會因溫度的變化而發(fā)生劇烈變化。

　　(7)應(yīng)具有較低的制備成本，磁流體的制備原料和方法應(yīng)該保證其成本低廉。

　　磁流體密封能力除了和磁流體本身特性有關(guān)之外，還與磁流體密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)。磁性液體密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式很多，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式對磁流體密封性能影響不一樣。磁流體密封裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以通過計(jì)算磁場間隙磁場強(qiáng)度分布計(jì)算來確定。錢濟(jì)國等人根據(jù)流體靜力學(xué)和動力學(xué)，分別闡述了磁性液體靜密封和動密封的分析方法，關(guān)于密封裝置磁場間隙內(nèi)磁性液體密封的運(yùn)動方程做了詳細(xì)說明。推導(dǎo)出了磁性液體密封能力的計(jì)算公式，進(jìn)一步由公式明確了影響磁性液體密封能力的主要因素。作者指出磁性液體軸封的靜密封能力易于保證，對于動態(tài)密封，影響因素較為復(fù)雜，不僅僅需要考慮密封裝置磁場設(shè)計(jì)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.jnannai.com/)認(rèn)為還需考慮磁流體本身磁特性和液態(tài)流動性，磁流體動態(tài)密封能力的提高需從多方面綜合考慮，一方面可以提高磁流體本身的磁飽和強(qiáng)度，增大外加磁場強(qiáng)度，另一方面可以減小磁流體本身密度，降低旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，還可以通過采用多級密封結(jié)構(gòu)形式來提高磁流體動密封能力。

4、磁流體密封未來發(fā)展趨勢

　　隨著經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，工業(yè)設(shè)備等相關(guān)領(lǐng)域?qū)γ芊庑阅芤�求越來越高，傳統(tǒng)的密封方式已經(jīng)難以滿足某些特殊場合的密封要求，磁流體技術(shù)的發(fā)展推動了磁流體密封技術(shù)的發(fā)展，磁流體密封技術(shù)在密封領(lǐng)域正發(fā)揮越來越重要的作用。磁流體密封發(fā)展趨勢要求需要提高密封可靠性及密封能力，針對該問題，國內(nèi)外學(xué)者從諸多方面來研究了磁性流體的密封。首先是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用解析方法分析密封間隙處的磁場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度分布越來越普遍，從而使磁流體密封更直觀的被人們所認(rèn)知;除了理論研究之外，研究人員還通過設(shè)計(jì)不同的磁流體密封裝置以及裝載不同性質(zhì)的磁流體來研究影響磁性流體密封能力的各種因素。磁流體密封技術(shù)需拓寬磁流體密封應(yīng)用場合，該項(xiàng)技術(shù)將來會朝著更為深遠(yuǎn)的方向發(fā)展，磁流體密封技術(shù)未來發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

　　(1)開發(fā)制備方法簡單，穩(wěn)定性更好，飽和磁化強(qiáng)度更高，磁性微粒材料選擇面更寬，成本低廉的高性能磁流體及各種磁流體復(fù)合材料;通過對新材料以及新制備工藝的研發(fā)來開拓新的磁流體制備研究領(lǐng)域。

　　(2)利用現(xiàn)代分析手段，研究磁性納米顆粒在基液中穩(wěn)定分散機(jī)制，研究不同條件下磁流體磁粘效應(yīng)以及其它磁特性。

　　(3)深入研究磁流體密封在不同密封環(huán)境條件下對磁流體密封影響的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

　　(4)加強(qiáng)磁流體密封技術(shù)理論研究工作，以磁流體密封原理為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)等技術(shù)強(qiáng)化磁流體理論研究，深入研究磁流體密封磁場分布及影響因素。

　　(5)加強(qiáng)磁流體密封試驗(yàn)研究工作，通過制備不同特性的磁流體和設(shè)計(jì)不同形式的磁流體密封裝置研究影響磁流體密封能力的因素。

　　(6)加強(qiáng)磁流體密封實(shí)際應(yīng)用推廣工作。

5、結(jié)論

　　磁流體密封是一項(xiàng)不斷發(fā)展并逐步走向成熟和完善的技術(shù)，該技術(shù)在國外已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，國內(nèi)也在逐漸推廣應(yīng)用。同時(shí)，國內(nèi)外各高等院校和研究單位正在進(jìn)行磁流體密封理論研究和實(shí)踐使用研究工作，并逐步將磁流體密封技術(shù)應(yīng)用到各種密封領(lǐng)域。但是，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.jnannai.com/)認(rèn)為目前磁流體密封技術(shù)理論研究認(rèn)識不夠深，應(yīng)用方面亦欠缺經(jīng)驗(yàn)，關(guān)于磁流體密封技術(shù)研究和應(yīng)用還需很多工作要做。