纳米磁性流体密封液体技术

零泄漏、零磨损、长寿命、自润滑的密封方式一直是机电设备密封的理想性能要求。纳米磁性流体是专享一种具有真正工业实用价值的液体智能磁性材料，纳米磁性流体密封液体技术则充分利用了这一材料性能。全书共分10章：章概述说明了纳米磁性流体的组成特点及在密封液体方面的研究状况；第2章全面分析了纳米磁性流体的性能特性及应用；第3章阐述了纳米磁性流体的制备方法及工艺，并分析了它与被密封液体的不相溶性；第4章阐述了纳米磁性流体的非牛顿特性；第5章阐述了纳米磁性流体与被密封液体的相对运动速度；第6章阐述了纳米磁性流体与被密封液体界面的波动性；第7章阐述了纳米磁性流体静密封液体界面的稳定性；第8章阐述了纳米磁性流体动密封液体界面的稳定性理论；第9章介绍了纳米磁性流体动密封液体界面的稳定性试验；0章介绍了纳米磁性流体动密封液体的工程应用实例。本书是作者近期的研究成果，可供机械密封设计开发与制造专业技术人员，高等院校相关专业的本科生、硕士研究生、博士研究生及科研机构的研究人员参考使用。

章 绪论 1 1.1 纳米磁性流体概述 1 1.1.1 纳米磁性流体的定义 1 1.1.2 纳米磁性流体的组成 2 1.1.3 纳米磁性流体的性能及与其他液体相比具有的特点 5 1.1.4 纳米磁性流体密封与传统密封相比具有的特点 5 1.2 机械密封概述 7 1.3 界面概述 9 1.4 稳定性概述 10 1.5 文献综述 11 1.5.1 纳米磁性流体研究的历史状况及主要研究方向 11 1.5.2 纳米磁性流体应用于液体密封方面的研究状况 14第2章 纳米磁性流体的性能特性及应用 18 2.1 纳米磁性流体的性能指标 18 2.2 纳米磁性流体的特性 19 2.2.1 稳定性 19 2.2.2 磁化性能——超顺磁特性和无磁滞特性 21 2.2.3 表观黏度特性 22 2.2.4 热学特性 24 2.2.5 光学特性 24 2.2.6 磁致伸缩效应 25 2.2.7 声学特性 25 2.3 纳米磁性流体的应用 26 2.3.1 磁性流体应用概述 26 2.3.2 密封 27 2.3.3 润滑 30 2.3.4 阻尼 31 2.3.5 研磨及抛光 33 2.3.6 矿物分选 34 2.3.7 生物医学 35 2.3.8 油水分离和废水处理 36 2.3.9 工业机器人 36 2.3.10 其他应用 37第3章 与被密封液体不相溶的纳米磁性流体的制备 38 3.1 纳米磁性流体的制备方法 38 3.2 纳米磁性流体的制备过程及工艺 41 3.2.1 化学原料及仪器 41 3.2.2 制备过程及步骤 43 3.2.3 制备注意事项 45 3.3 纳米磁性流体与被密封液体不相溶性试验 47第4章 纳米磁性流体的非牛顿特性 50 4.1 非牛顿流体的基本特性及其本构方程 50 4.1.1 非牛顿流体概述 50 4.1.2 非牛顿流体不同于牛顿流体的奇异特性 51 4.1.3 非牛顿流体类型及其本构方程 52 4.2 两相流的特性 53 4.2.1 两相流概述 53 4.2.2 两相流的类型 54 4.2.3 两相流的基本理论 55 4.3 纳米磁性流体的非牛顿特性 56 4.3.1 纳米磁性流体非牛顿特性分析及试验 56 4.3.2 纳米磁性流体黏度特性分析 61第5章 纳米磁性流体与被密封液体的相对运动速度 63 5.1 纳米磁性流体与被密封液体为定常层流(Stratified flow)的条件 63 5.2 被密封液体的速度分布规律 65 5.3 纳米磁性流体的速度分布规律 70 5.4 纳米磁性流体与被密封液体的相对运动速度差分析 77第6章 纳米磁性流体动密封液体界面的波动性 81 6.1 波动概述 81 6.2 纳米磁性流体与被密封液体界面波动存在性的试验 82 6.2.1 试验目的 82 6.2.2 试验用的材料及仪器 83 6.2.3 试验装置的设计及试验现象 83 6.2.4 试验结果 86 6.3 纳米磁性流体与被密封液体界面波动性的机理分析 87 6.4 纳米磁性流体与被密封液体界面波动性的理论探讨 88 6.4.1 双流体模型的确定 88 6.4.2 纳米磁性流体与被密封液体界面波动性数学模型的建立 88第7章 纳米磁性流体静密封液体界面的稳定性 96 7.1 纳米磁性流体静密封液体要解决的主要问题 96 7.2 外磁场对纳米磁性流体薄膜的影响 97 7.2.1 薄膜的研究意义 97 7.2.2 垂直磁场对纳米磁性流体薄膜的影响 97 7.2.3 平行磁场对纳米磁性流体薄膜的影响 100 7.3 外磁场对磁性流体静密封液体界面影响的试验 101 7.4 纳米磁性流体与被密封液体静密封界面稳定性的机理分析 104 7.4.1 物理模型 104 7.4.2 数学模型 104 7.4.3 无磁场情况下界面稳定性分析 105 7.4.4 外加垂直磁场情况下界面稳定性分析 106 7.4.5 外加平行磁场情况下界面稳定性分析 107第8章 纳米磁性流体动密封液体界面的稳定性理论 109 8.1 从界面的化学及热力学特性来分析界面的稳定性 109 8.1.1 界面张力及界面自由能的特性 109 8.1.2 液液界面形成的机理 110 8.1.3 液液界面稳定的机理 110 8.2 从流体分层及界面层的特性来研究界面稳定性 111 8.2.1 流体流动的层面分析 111 8.2.2 物理模型 113 8.2.3 数学模型 114 8.3 从界面波动性来研究界面稳定性 122 8.3.1 界面稳定性与波动性的关系 122 8.3.2 物理模型 123 8.3.3 数学模型 123 8.3.4 无磁场情况下界面稳定性分析 124 8.3.5 平行磁场对界面稳定性的影响分析 125 8.3.6 垂直磁场对界面稳定性的影响分析 125第9章 纳米磁性流体动密封液体界面的稳定性试验 127 9.1 纳米磁性流体密封液体的工作原理 127 9.2 试验目的 128 9.3 试验的仪器及材料 129 9.4 界面稳定性试验系统设计 130 9.4.1 试验系统总体布置 130 9.4.2 可调磁场装置的设计 131 9.4.3 供液装置的设计 134 9.4.4 管道设计 135 9.4.5 辅助装置及测量装置的设计和选择 136 9.5 试验得到的现象及结果 137 9.5.1 层流的试验 137 9.5.2 磁性流体与被密封液体原界面被破坏及新界面形成的过程 139 9.5.3 界面不稳定时被破坏的过程 141 9.5.4 纳米磁性流体与被密封液体相对运动速度差的阈值 147 9.6 磁性流体动密封液体界面稳定性的机理分析 1510章 纳米磁性流体动密封液体的工程应用实例 153 10.1 船舶艉轴的纳米磁性流体密封 153 10.1.1 船舶艉轴密封概述 153 10.1.2 船舶艉轴磁性流体密封装置结构设计 156 10.1.3 船舶艉轴磁性流体密封试验 158 10.2 水轮机主轴的纳米磁性流体密封 159 10.3 微泵式上游泵送磁性流体密封装置 163参考文献 165

自然界是充满规律的，而规律是客观的，是不以人的意志为转移的。科技工作者的任务主要是观察归纳自然现象并揭示它的因果关系及规律，探索并解决那些通常被认为是不可克服的难题，探索从现象到本质，达到遵循和应用规律的目的。磁性流体是20世纪40年代发现的，60年代获得应用，是目前在常温下唯一可以存在的液态磁性物质。对磁性流体的研究是一门涉及数学、电磁学、物理学、化学、力学、流变学、机械学等学科的边缘学科和新兴学科。磁性流体在重力和磁力作用下能够长期保持稳定，不会出现沉淀或分层现象，属于软物质的一种，兼有固体磁性材料的磁性与液体材料的流动性，既非普通的牛顿流体，也不同于常用的非牛顿流体，故有着广泛的应用。纳米磁性流体密封液体技术是有许多特殊功能的尖端纳米技术之一，对此进行研究有着实用的意义。机械密封自19世纪末的项开始至今已发展了100多年。 机械密封新技术、新概念、新结构、新产品、新材料、新工艺和新标准不断涌现，并向广度发展；高性能、高参数和高水平的产品大量研制出来， 并向深度发展， 使机械密封的使用范围不断扩大。随着人们对环境保护的日益关注， 对机械密封的要求也越来越严格。 因此， 机械密封的发展总体趋势是利用新概念、新技术、新工艺和新材料， 改进机械密封结构， 以提高机械密封的可靠性、延长寿命、降低泄漏量和开发出适用于特殊工况下的机械密封产品。作者从2000年开始从事纳米磁性流体的研究，10余年来，一直关注并从事该领域的教学与科研工作。本书是在博士论文基础上撰写而成的，主要内容为综述磁性流体的性能特点及在密封液体方面的研究状况，分析纳米磁性流体的性能特性、应用、制备及非牛顿特性，阐述纳米磁性流体静密封液体界面的稳定性，以及纳米磁性流体与被密封液体的相对运动速度、界面的波动性，并对纳米磁性流体动密封液体界面的稳定性进行理论和试验分析，阐明纳米磁性流体动密封液体的工程应用实例。本书以界面化学、物理学、工程热力学、流体力学、磁学、机械学等为基础，以建立模拟试验台及用相关仪器进行测试和试验为桥梁，以应用MATLAB语言进行计算机仿真的方法为手段，以探讨磁性流体与被密封液体界面的稳定性的内在规律为目的，从理论上和试验上来研究，意义在于为密封行业的发展和进步作出一定的贡献。本书在撰写过程中参阅了国内外多种同类教材、论文、专著及相关网站中的资料，得到了各界人士的帮助、指导和支持，受到了常熟理工学院现代机电技术中心项目（KYZ2012088Z）、天银机电项目（KYZ2011025Z）、矿山机械的理论与应用研究项目（KYZ2013005Z）以及电梯智能安全实验室的资助，在此一并表示衷心的感谢。同时， 还要感谢中国矿业大学杨志伊、肖兴明、唐小行、刘同冈、刘书进、高宏、钱济国、鲍久圣、胡元等老师及所有关心、支持和帮助过我的常熟理工学院各级领导、老师和同事，感谢家人多年来的理解和大力支持。最后，还要特别感谢本书所引用文献的作者李德才、池长清、王之珊、赵丕智、邹继斌、杨洪娟、杨恩霞、许杨等，他们辛勤的工作和对科技事业的默默贡献给本书提供了良好的铺垫和基础，他们的开创性研究和智慧结晶同样令人尊敬。限于作者水平，书中的缺点和不足在所难免，恳请读者批评指正。