新型磁性液体的制备及其旋转轴动态封油技术研究*
* 国家重点基础研究发展规划项目（973）“纳米材料和纳米结构”（基金号G1999064508）
刘辉1 钟伟2 都有为2
（1马鞍山金科粉体工程有限公司 243051 马鞍山）
（2南京大学物理系 210093 南京）
关键词 磁性液体，转轴密封，憎油基，封油技术
Preparation and Dynamic Sealing Oil Application
of Novel Magnetic Fluids
Liu Hui1, Zhong Wei2, Du Youwei2
1 Maanshan Jinke Powder Engineering Ltd. Co., Maanshan 243051
2 Department of Physics, Nanjing University, Nanjing 210093
ABSTRACT Magnetic fluid is a special kind of nanostrctured magnetic material which has unique and marvelous properties and vast practical applications. In this present work, a novel kind of magnetic fluid has been prepared and used for sealing machine oil. The influence of the geometry of sealing stages, sorts of magnets and the number of stages on the capacity of sealing oil are also discussed.
KEY WORDS magnetic fluid, dynamic seal, sealing oil technique
1
引言
由于磁性液体具有磁性与流动性两者合一的独特性质，一经问世，立即引起了世界各国科学家的浓厚兴趣[1,2]。对它的基础理论、理化性质、制备工艺等各方面的研究日益深入，它的应用范围也迅速扩展到航天、电子、化工、冶金、仪表、环保、医疗等各个领域，其中磁性液体旋转轴动密封技术是磁性液体较成熟也是最重要的应用之一，是磁性液体所有应用中第一个商业化的技术，现已广泛应用于X－射线转靶衍射仪、单晶炉、电子计算机、大功率激光器等精密仪器的转轴密封。磁性液体旋转轴动密封是一种非接触式密封（即动件和静件没有直接接触），其工作原理是：由环状永磁体，导磁极靴和导磁转轴构成闭合磁路，利用永磁体中的磁能，在转轴与极靴极齿顶端的齿形间隙中产生强弱相间的非均匀磁场，将磁性液体紧紧吸住，形成磁性液体“O”型密封环，把间隙堵死，从而达到密封的目的。与其它各种各样的转轴动密封技术相比，磁性液体密封技术具有零泄漏、无固体磨擦、无机械磨损、能耗小、寿命长等优异特性，许多过去无法解决的工程难题，由于磁性液体的问世而迎刃而解。
磁性液体动密封（真空或气体）经过30年的发展，已达到较高的技术水平，并以其独特的密封性能在工业中广泛应用。磁性液体封油技术具有更广阔的应用前景，由于难度大，迄今尚未见公开报道。本文制备了新型憎油基磁性液体，并着重讨论了该磁性液体在旋转轴动态封油技术上的应用。
2 磁性液体的制备
磁性液体由磁性超细微粒、表面活性剂、基液三部分构成稳定的胶体体系。
制备磁性微粒的方法很多，有机械研磨、金属有机热分解法、电解法、真空蒸镀法等，我们采用化学共沉淀法[3],以FeCl2、FeCl3(或FeSO4)为原料，NaOH(NH3.H2O)为沉淀剂，制备出10nm左右的Fe3O4微粒。
表面活性剂的选择是制备性能优良磁性液体的关键所在。表面活性剂可以是一种，也可以是数种联合使用。总的选择原则是：活性剂的一端要能化学吸附在磁性微粒表面，形成溶剂化膜，而另一端要与基液有较高的亲合性，使其能在基液中自由伸展摆动，同时还要求表面活性剂分子有一定的链长，以克服微粒间的范.德.瓦尔斯吸引力。表面活性剂可以与沉淀剂一起加入到铁盐溶液中，也可以在磁性微粒形成后加入，以防止微粒进一步聚集、长大。包裹好表面活性剂的微粒要经过多次清洗，以去除多余的物理吸附于微粒表面的活性剂。
用作旋转轴封油用的磁性液体，其基液必须与被密封的油不具有相亲性，不发生破坏性化学反应，有较低的饱和蒸气压，同时要有合适的表面活性剂与之匹配，现有的磁性液体如烃基、二酯基磁性液体无法用于旋转轴封油，因为磁性液体与所要密封的介质会相互混溶，使磁液浓度很快下降，导致密封失效。水与油不互溶，理论上说水基磁性液体可用于封油，但是，由于水的饱和蒸汽压高，容易挥发，使磁性液体很快失去液体特性导致密封失效。我们是采用自制的ZDW基液制备新型的磁性液体来进行旋转轴封油实验。这种ZDW基液和油不互溶，饱和蒸汽压低，常温放置一年没有检测到重量损耗。磁性液体的制备过程大致如下：
准确称量适量的二氯化铁（或硫酸亚铁）、三氯化铁溶于水中配制成一定浓度的溶液，强力搅拌下加入到70-900C的氢氧化钠溶液中，通过调变溶液的pH值、反应温度和反应时间来控制磁性微粒的粒径。加入表面活性剂，800C反应2小时，使表面活性剂化学吸附于磁性微粒表面。经多次充分洗涤，除去物理吸附的表面活性剂和其它杂质。低温干燥后加入ZDW基液，加入第二种表面活性剂，即制成稳定的ZDW基磁性液体。在磁场、电场中长期放置或高速离心没有观测到分层或沉淀现象。
3 磁性液体旋转轴动态封油器件的设计
在真空或压力状态下工作的旋转轴密封，历来是精密机械和精密仪器设计制造中的一个难题。传统的密封方式都是采用器件与转轴过紧配合，靠固体与固体之间的紧密接触来达到密封的目地。这就不可避免地造成固体摩擦、机械磨损，因而寿命短、易泄漏。而磁性液体密封技术从根本上解决了这些问题。
磁性液体旋转轴动密封通常采用如图1所示的几种结构。图1中（a）(b)和(c)三种结构适用于导磁转轴，而(d)结构适用于非导磁转轴。
（插 图1）
磁性液体旋转轴动密封是利用转轴与极靴极齿顶端间隙中的非均匀磁场对磁性液体“O” 型密封环的作用力，来平衡密封环两侧的压差，从而实现密封的目的。目前已广泛地应用于真空和气体介质的旋转轴密封。利用磁性液体密封另一种液体，则难度很大，可靠性大幅降低。主要原因是在旋转轴高速旋转搅动下，磁性液体和被密封液体的界面之间会发生相互溶解或乳化现象，使磁性液体的性能大幅度降低，耐压下降。当密封件所提供的总耐压能力不足，致使被密封物质冲破磁性液体密封环，形成喷射状泄漏，同时携带走大量磁性液体，使之无法自动恢复耐压能力，从而造成磁性液体密封失效。因此，磁性液体密封的寿命取决于一系列物理和化学参数。可从以下几个方面考虑：
（1） 选择合适的磁性液体
选择合适的磁性液体是使密封取得成功的关键，除了要求磁性液体的稳定性要绝对保证，即磁性液体在重力场、磁场、电场中能长期放置不沉淀，不分离外，还要根据密封介质进行全面考虑。要求磁性液体与被密封物质不具有相亲性，不发生破坏性化学反应。密封液体介质，应着重考虑在液体－液体界面发生的紊乱现象。Rosensweig[4]利用改进的Kelvin-Helmholtz不稳定性方程来描述不互溶的两种液体a和b（其中一种为磁性液体）界面的稳定性极限
式中：
和
为速率，
和
是密度，
和
为两种液体的相对渗透率，
是表面张力，g为重力常数，H是磁场
考虑了密度、表面张力、磁场和相对渗透率，Rosensweig公式给出了两种液体界面稳定的极限相对速率，即旋转轴的极限转速。超过这个转速，则液体－液体界面将发生紊乱，导致密封失效。有一点应特别注意，在Rosensweig公式中，没有考虑工作温度及转轴跳动的影响。
（2） 设计最佳磁路结构
为了保证磁性液体封油能够可靠长久地工作，除了磁性液体本身性能稳定，基液与油不相容外，还要设计最佳磁路结构，使磁性液体密封器件具有足够的耐压能力。一般应考虑以下几个因素：
a. 确定密封级数
密封级数就是整个密封结构的总极齿数目。在保证每个极齿下的磁场不变的前提下，耐压能力正比于密封级数。但每一个极靴上的极齿数也不宜过多（一般3-6级），否则各极齿间磁场分布很不均匀。确定密封级数要根据实际耐压需要，如果油压过高，可采用多组串联的结构形式(见图1 b)。
b. 确定极齿结构
极齿结构一般采用矩形齿（图2 a）和梯形齿（图2 b）。矩形齿耐压能力大，两方向耐压相同，加工工艺简单，性能容易保证；梯形齿的磁场梯度大，磁性液体界面稳定性能好。
（插 图2）
通过多次反复对照实验，我们摸索出一套极齿最佳取值范围。
对于矩形极齿： Lt/Lg=3～5
Ls/Lg=20～30
Lh/Ls=0.8～1
对于梯形极齿： Lt/Lg=1.5～4
(Lt+Ls)/Lg=30～40
α=400～600
式中：Lt为极齿的宽度，Ls为极齿之间的距离，Lh为极齿高度，Lg为极齿与转轴之间的间隙。
c. 选择永磁体
选择何种永磁体，需要全面综合考虑各种影响因素。密封结构的体积、径向尺寸、密封间隙、密封压力、工作温度变化、冲击振动及射线辐射等，都是永磁体选择中应考虑的因素。另外，对于特大轴径、或规格特殊、批量小的转轴密封可采用小块永磁体拼接成封闭环形的方法，而不必专门制作环形永磁体。小块永磁体为相同几何形状的圆片圆柱体等[5]。
（3） 设计密封辅助结构
这一步骤主要是对某些特殊需要而言，如工作温度过高或轴转速过大时，需设计水冷系统；要求长期连续运转的装置，需设计磁性液体补充结构；另外，为了减少转轴高速旋转时对油的冲击力，防止磁性液体与油之间的乳化，可设计阻挡装置。
4 磁性液体旋转轴动态封油器件的应用
采用新型的ZDW憎油基磁性液体，我们在实验室模型(采用15#机油)及大型工程机械(采用32#机油)上进行了旋转轴动态封油试验。
模型
转轴：∮16 mm , 转速：～2500 rpm , 油压：0.2 kg/cm2 密封间隙：0.10 mm , 极齿级数:3 级, 永磁铁：钕铁硼 ,连续运转4600小时无任何泄漏。
大型机械
16吨、200吨吊车变速箱及桥箱输出轴上，转轴：∮75 mm , 转速：2000 rpm , 油压：常压，密封间隙：0.15 mm , 极齿级数:4 级 , 永磁铁：钕铁硼 ,运转良好。
装载机的变速箱输入、输出轴上，转轴：∮80 mm , 转速：3000 rpm , 油压：常压，密封间隙：0.10 mm , 极齿级数:6级 , 永磁铁：钕铁硼 ,运转正常。在大型机械上试用磁性液体旋转轴动态封油器件，取得较好结果。但由于经费及生产成本原因，没有进行长期跟踪考察。
5 小结
旋转轴动态封油是许多行业经常面临的较为棘手的问题，油的跑、冒、滴、漏现象非常普遍，磁性液体旋转轴动密封技术为解决这一难题提供了崭新的思路和方法。本文介绍了我们在这方面的初步工作，希望能得到社会各界的关心和支持，使磁性液体旋转轴动密封技术日臻成熟，这对提高产品质量、消除安全隐患、保护生态环境均具有重要意义。
参 考 文 献
1 Neuringer J L, Rosensweig R E, phys.Fluids , 1964;7:1927
2 Rosensweig R E, Advences in Electrons and Electron physics, Vol 48(New York Academic,1979) P 3
3 都有为，陆怀先，顾新远≤应用科学学报≥，1985;3:267
4 Rosensweig R E, Ferrohydrodynamics(Cambridge University Press, Cambridge,1985)
5 中国实用新型专利CN2077063U