【摘要】：磁性液體是一種新型磁敏智能材料。磁性液體在磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)和力學(xué)等方面表現(xiàn)出許多不可替代的特性,使其在航空、航天、化工、機(jī)械、醫(yī)藥等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用,磁性液體流變學(xué)是這些應(yīng)用的共同理論基礎(chǔ)。近五十年來(lái)關(guān)于磁性液體流變特性的研究取得了大量的成果,但由于磁性液體內(nèi)部在磁場(chǎng)下形成的各向異性結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,該領(lǐng)域尚未能形成統(tǒng)一的微觀理論模型。同時(shí),宏觀流變學(xué)實(shí)驗(yàn)缺乏系統(tǒng)性,亟待對(duì)不同實(shí)驗(yàn)方法取得的研究結(jié)果進(jìn)行整合。即使在研究最充分的磁粘效應(yīng)領(lǐng)域,被廣泛采用的鏈狀微觀模型基于強(qiáng)烈的理想化假設(shè),不能用于宏觀流變實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。在磁性液體粘彈性、觸變性等復(fù)雜流變性方面,相關(guān)研究才剛剛起步,不同類型微觀結(jié)構(gòu)生成與破壞的機(jī)理并不明確。本文針對(duì)磁性液體不同類型微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的流變現(xiàn)象,制備了一系列不同基載液粘度和顆粒體積分?jǐn)?shù)的磁性液體,根據(jù)磁性液體磁粘及復(fù)雜流變特性研究需求,提出新型實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法并制定實(shí)驗(yàn)方案。系統(tǒng)研究了磁性液體在不同溫度、磁場(chǎng)等條件下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng),深入分析其微觀演化機(jī)理。通過(guò)將磁性液體磁粘特性、粘彈性、觸變性的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果整合,拓展并加深了對(duì)磁性液體復(fù)雜流變特性的認(rèn)識(shí)。采用不同模型對(duì)磁性液體流變特性進(jìn)行描述,結(jié)合觸變性提出一種磁性液體屈服應(yīng)力的新定義方法。此外,通過(guò)研究粘度和磁粘效應(yīng)對(duì)磁性液體密封液體介質(zhì)性能影響,將磁性液體流變學(xué)理論與工程應(yīng)用相結(jié)合。在磁性液體磁粘特性方面,將磁性液體微觀模型與宏觀動(dòng)力學(xué)理論相結(jié)合,實(shí)驗(yàn)研究了氟碳化合物基磁性液體在不同溫度、磁場(chǎng)、剪切速率條件下的磁粘效應(yīng)。通過(guò)對(duì)不同剪切速率下磁性液體粘溫曲線的分析,提出溫度影響磁粘效應(yīng)的兩種微觀機(jī)理,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)了兩種機(jī)理的轉(zhuǎn)變過(guò)程。通過(guò)研究不同基載液粘度磁性液體在不同磁場(chǎng)下的磁粘系數(shù)、屈服應(yīng)力、Masson數(shù)曲線等,發(fā)現(xiàn)高粘度基載液磁性液體具有更顯著非牛頓性,提出基載液粘度可通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)作用影響磁性液體內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)方式。在磁性液體粘彈性方面,采用蠕變回復(fù)和小幅振蕩剪切方法分別對(duì)磁性液體靜態(tài)和動(dòng)態(tài)粘彈性進(jìn)行研究,分析顆粒體積分?jǐn)?shù)、磁場(chǎng)、溫度等不同因素對(duì)磁性液體粘彈性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,顆粒體積分?jǐn)?shù)超過(guò)3.74%的磁性液體在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下表現(xiàn)出線性粘彈特性,而體積分?jǐn)?shù)為1.88%的磁性液體在任何磁場(chǎng)下均不具有線性粘彈特性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出,磁性液體在小應(yīng)變或應(yīng)力下表現(xiàn)出的顯著粘彈性由內(nèi)部柱狀結(jié)構(gòu)的可逆取向變化和與測(cè)量夾具表面分離過(guò)程造成�；趹�(yīng)變速率頻率疊加原理實(shí)驗(yàn)測(cè)得磁性液體完整的頻率掃描模量曲線,證明磁性液體在不同時(shí)間尺度下具有不同的微觀松弛機(jī)理。采用廣義Burgurs模型對(duì)磁性液體粘彈性模擬,提出磁性液體在蠕變回復(fù)測(cè)試中產(chǎn)生比普通粘彈性流體更復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)松弛過(guò)程。磁性液體屈服及觸變性方面,通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力測(cè)試、固定應(yīng)力粘度分岔、滯后環(huán)測(cè)試、3階段觸變性測(cè)試等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了磁性液體的時(shí)間相關(guān)流變特性。將磁性液體的屈服與觸變性相結(jié)合深入探究其共同的微觀作用機(jī)理,即不同類型微觀結(jié)構(gòu)隨時(shí)間發(fā)生生成和破壞。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到不同應(yīng)力、磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度下磁性液體的粘度分岔現(xiàn)象,從觸變性角度重新對(duì)磁性液體屈服應(yīng)力進(jìn)行定義。3階段觸變性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,磁性液體內(nèi)部鏈狀和柱狀結(jié)構(gòu)的重建可以引起顯著的觸變恢復(fù)行為。根據(jù)磁性液體結(jié)構(gòu)生成與破壞特點(diǎn)提出一種非線性結(jié)構(gòu)模型,采用該模型對(duì)磁性液體時(shí)間相關(guān)流變特性進(jìn)行模擬,結(jié)果表明該模型可以成功預(yù)測(cè)磁性液體的粘度分岔現(xiàn)象。磁性液體粘度對(duì)密封液體介質(zhì)性能影響方面,搭建密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)并設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)研究不同基載液粘度磁性液體在不同轉(zhuǎn)速、壓力條件下的極限耐壓能力和密封壽命,并結(jié)合流變學(xué)理論對(duì)分析磁性液體密封失效機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明磁性液體粘度是影響其密封液體介質(zhì)性能的決定性因素之一。提出磁性液體粘度對(duì)密封界面不穩(wěn)定性及密封膜損耗具有不同的影響機(jī)理,兩種機(jī)理的影響程度共同決定了磁性液體密封液體介質(zhì)的性能。本文的研究對(duì)磁性液體流變學(xué)實(shí)驗(yàn)方法與理論的完善有著重要意義,有利于磁性液體的定量化、精準(zhǔn)化應(yīng)用和調(diào)控。
【圖文】：

性液體中鐵磁顆粒在基載液中的布朗運(yùn)動(dòng)足以抵消重力造成的沉降作用，并在無(wú)逡逑磁場(chǎng)條件下使鐵磁顆粒均勻分散，因此在重力場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下磁性液體逡逑仍能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。磁性液體具體組成如圖１－１所示。磁性液體自發(fā)明５０多年來(lái)逡逑一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，這來(lái)源于其物理特性的磁場(chǎng)可控性。磁性液體在無(wú)磁逡逑場(chǎng)作用時(shí)與普通流體相似，當(dāng)外加磁場(chǎng)作用時(shí)表現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)、磁學(xué)、表面光逡逑學(xué)和聲學(xué)等特性，因此，它具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景ｍ。正如美國(guó)航逡逑空航天局２０１１年在其官方網(wǎng)站上指出：“磁性液體理論及其應(yīng)用研宄是未來(lái)２０年逡逑最重要的研究領(lǐng)域之一�！卞义希掊澹插澹睿礤义稀姡卞宀芬唬ⅲ睿礤逡唬儒澹姟鲥义希檫姡浚椤矗义线婂澹暹婂义希义萧敚咤义洗赔耦w粒逡逑圖ｌ－ｌ磁性液體具體組成Ｍ４逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋ｓｐｅｃｉｆｉｃ邋ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｆｌｕｉｄ１９１４逡逑１逡逑

注入體內(nèi)的磁性液體與外部磁場(chǎng)相互作用，將化療藥劑高度集中在腫瘤組織逡逑附近，以最大限度地發(fā)揮其對(duì)癌細(xì)胞致死的作用，降低其對(duì)健康細(xì)胞的毒性破壞，逡逑基本原理如圖１－４所示。逡逑—極靴逡逑－逡逑與藥物結(jié)合的邐邐腫瘤逡逑ｓｍ邋液體逡逑｜邐ｙ逡逑動(dòng)脈逡逑圖１－４磁性靶向藥物治療原理Ｍ逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｔｈｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｄｒｕｇ邋ｔａｒｇｅｔｉｎｇ邋ｔｈｅｒａｐｙ邋１１９１逡逑磁熱療通過(guò)注射磁性顆粒進(jìn)入腫瘤組織，在腫瘤區(qū)域施加高強(qiáng)度的交變磁場(chǎng)，，逡逑利用磁性顆粒磁滯效應(yīng)產(chǎn)生熱量，在殺死癌細(xì)胞的同時(shí)減少體溫升高導(dǎo)致的系統(tǒng)逡逑性副作用。磁性液體在醫(yī)學(xué)中應(yīng)用共同的基礎(chǔ)在于磁性顆粒在人體組織環(huán)境中的逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB381

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2597687