磁性液体是一类由纳米至微米尺度的磁性微粒,分散在无磁性载液中制得的磁流变材料。在磁场作用下,磁性颗粒相互吸引,迅速形成链状或片状细观结构,限制基体流动,因而样品的剪切流变性能会在极短的时间内增大2至3个量级,称为磁流变效应。由于力学性能变化显著且受磁场调控、响应迅速、撤去磁场后可回复至初始状态,磁性液体已在设备减振、建筑抗震、抛光等工业领域以及靶向药物、磁热疗等医学领域得到了大量应用。近年来,为了进一步提高磁流变效应、改善沉降问题,通过改进颗粒形貌、内部微结构、表面粗糙度,基于纳米结构磁性颗粒的新型磁性液体得到了深入探索。然而,磁性颗粒的形貌、微结构和表面粗糙度与磁流变效应的相互关系仍然比较模糊,新型颗粒的磁流变效应增强机理亟需进一步阐述。本文通过实验与数值模拟相结合,系统研究了新型磁性液体的力学性能与磁流变效应机制。首先,基于现有的颗粒动力学模拟方法,提高模型精度,拓展了适用范围。之后,研制出磁流变性能优异,密度较低的Fe3O4空心微球,采用颗粒动力学模拟确定了最佳的粒径与壁厚参数。同时,将空心微结构与链状形貌相结合,进一步合成出Fe3O4空心链,研究了空心链相比于空心球的优缺点及其适用领域,并采用数值模拟分析了磁流变机理。最后,采用数值模拟研究了磁流变效应随颗粒间摩擦力的变化趋势,确定了最佳的摩擦系数。本文将为高性能磁性颗粒和磁性液体的研制提供理论指导。具体内容包括以下几个方面:1.颗粒动力学模拟方法与程序研究。在现有理论模型的基础上,发展出一套适用于球形和链状形貌,实心、核壳和空心微结构磁性颗粒的数值模拟方法。引入磁偶极子力、黏性阻力的修正系数,改进范德华力公式,提高了模拟精度;采取恰当的近似,忽略浮力和布朗运动,提升了程序效率;考虑颗粒间弹性挤压力和切向摩擦力的影响,拓展了这一模拟方法的适用范围。2.磁性液体内Fe3O4空心球的最佳粒径、壁厚参数模拟。合成出低密度和高磁流变效应的Fe3O4空心球。采用数值模拟研究粒径、壁厚、颗粒浓度对磁性液体剪切流变性能的影响,得出了最佳的空心比例参数。结果表明:剪应力随壁厚呈二次曲线关系,是颗粒间相互作用力强弱、颗粒数密度、细观结构的紧密程度和取向四项因素相互竞争的结果。数值模拟既解释了实验现象,又可指导材料制备。3.基于Fe3O4空心链的磁性液体制备及流变性能研究。在空心球磁性液体的基础上提升磁流变效应同时保持抗沉降性能,进一步研制出由Fe3O4空心球固连而成的空心链,实验表明基于空心链的磁性液体在B≤100 mT的小磁场下表现出比空心球磁性液体更强的磁流变效应,可广泛应用在小尺寸低能耗器件中。数值模拟揭示了这一新型磁性液体的磁流变机理:力矩平衡主导细观结构的演化。小磁场下,空心链形成倾斜的片状结构;大磁场下形成竖直的柱状结构。小磁场下的细观结构具有更大的平均倾角,因此产生了更强的剪应力。4.摩擦力对磁性液体力学性能的影响。将磁流变机理的研究重点从磁偶极子力拓展到摩擦力这一非磁性相互作用,将研究对象从某一特定颗粒上升至一般粗糙颗粒,模拟了颗粒间摩擦力对磁流变效应的影响。系统地讨论不同饱和磁化强度、外磁场、应变率和颗粒浓度下,磁性液体宏观力学性能随细观摩擦力的变化趋势,确定了最佳的摩擦系数。0.2 ≤μ≤0.5时摩擦力不影响磁性液体的力学性能;高摩擦系数下(1.0<μ≤2.5)剪应力最多可提升102%;摩擦力继续增大反而会削弱磁流变效应。分析了摩擦力提升磁流变效应的细观机理,为新型高性能磁性颗粒和磁性液体的研制提供理论指导。