流变特性是铁磁流体应用中常见问题的理论基础和关键，因此期望通过在制备过程中改变铁磁流体的微观结构来调节流变特性以满足不同的技术要求。本文通过控制共沉淀过程中前驱体溶液浓度，制备了4种不同磁粒径的铁磁流体样品，并研究了这些样品的流变学特性。

这些样品表现出现场控制的流变特性。永恒磁场会增强微观结构的形成，导致粘度增加。而随着剪切速率的增加，微观结构趋于破坏，导致黏度降低。前体溶液浓度的影响有两种相反的机制。

一方面，降低前体溶液浓度会产生尺寸较小的初级磁性颗粒。但另一方面，由于比表面积增加，表面活性剂不足以完全包覆磁性颗粒，导致磁性颗粒聚集并形成二次团簇结构，从而强烈增强了磁粘性效应并削弱了粘弹性效应。

铁磁流体（也称为磁性流体）表现出液体行为以及对外部磁场的响应能力，因此已广泛应用于许多设备中，例如密封件，传感器和减震器。流变特性是铁磁流体应用中常见问题的理论基础和关键。

例如，铁磁流体的流变特性会影响密封件的电阻扭矩、光学器件的透射率、减震器的阻尼性能、传感器的精度和传热装置的热特性。以铁磁流体密封为例，在实际应用中应用最为广泛。在各种工况下，考虑到设备功率和响应时间，铁磁流体密封的电阻转矩往往要求足够小，随着外界环境的变化保持在一定范围内，长时间使用后保持稳定。

而影响电阻转矩的最重要因素是铁磁流体的粘度。因此，有必要在设计过程之前弄清楚铁磁流体的流变特性，以便我们在制备和后处理过程中通过调整条件，根据不同的应用要求选择合适的铁磁流体类型。

影响铁磁流体流变性能的因素很多，包括磁性颗粒的类型、形状、体积分数和尺寸分布、载液的类型、表面活性剂的用量、添加剂等。Shahnazian等人发现钴基铁磁流体的屈服应力强于磁铁矿基铁磁流体，在高磁场强度下，具有纳米盘颗粒的铁磁流体比具有球形纳米颗粒的铁磁流体表现出更高的屈服应力。

Wu等人将植物病毒衍生的纳米管添加到商业铁磁流体中，并观察到磁粘度显著增强并抑制剪切稀化。López-López等比较了由CoNi纳米球和纳米纤维构成的铁磁流体的流变特性，发现屈服应力与磁场曲线的曲率在纳米球铁磁流体的情况下为负，而在纳米纤维铁磁流体的情况下为正，这可能是由于纳米纤维铁流体存在强烈的粒子间固体摩擦。

Felicia等研究了多壁碳纳米管（MWCNTs）对铁磁流变性能的影响，结果表明，当掺入0.5 wt%的MWCNT时，在纯铁磁流体中观察到的抗剪切平台消失，复合体系的屈服应力值略小于纯体系。铁磁流体中磁性颗粒的粒径分布对流变特性有显著影响，因为它会影响磁性颗粒的磁矩，这会改变颗粒之间磁偶极相互作用的强度，从而对铁磁流体中聚集体的形成产生重要影响。

Iskakova等人从理论上分析了链间相互作用对其尺寸分布的影响，并估计了链间相互作用对尺寸分布以及链中粒子平均数量的影响。Thurm等人使用磁分离装置获得了具有不同比例较大颗粒的铁磁流体样品，发现较大的颗粒表现出强烈的磁场诱导的颗粒间相互作用并形成链状结构，这反过来又主导了流动行为。

Wang等通过Langevin分子动力学模拟研究了多分散性对粒径的影响，发现大颗粒形成的平均聚集体尺寸随着小颗粒体积分数的增加而减小。Chand等人研究了尺寸分布对铁磁流体粘弹性的影响，并得出结论，尺寸分布和偶极-偶极相互作用对形成磁诱导链结构的贡献最大。

Nowak等人比较了三种不同流体动力学直径和岩心组成的生物相容性铁磁流体的流变行为，结果表明，多核铁磁流体表现出很强的磁粘性效应，当流体动力学直径只有大约两倍时，这种效应大约强三倍。Wu等通过实验研究了不同粒径铁磁流体的流变特性，并通过分子动力学模拟分析了力学特性，指出强磁流变效应源于外磁场作用下强组装微观结构。

我们的团队也对这一领域进行了研究，通过应用磁场梯度处理铁磁流体样品，以获得具有不同比例大颗粒的样品，结果表明富含大颗粒的样品表现出更强的磁流变效应。同时，粒度分布是制备过程中可以相对方便地控制的因素。

因此，本工作选择通过控制化学共沉淀过程中前驱体溶液的浓度来控制铁磁流体中磁性颗粒的尺寸分布，得到了4个不同的铁磁流体样品。然后研究了它们的流变特性，以找出不同因素的影响。因此，我们可以确定铁磁流体应用中的关键参数（例如电阻转矩）如何随环境因素而变化，以及我们应该如何调整制备过程和后处理程序，以获得具有所需微观结构的铁磁流体，以满足应用要求。

铁磁流体样品采用化学共沉淀法制备。在共沉淀过程中，纳米颗粒的形成可分为成核过程和生长过程两个过程。两过程的关键是过饱和度，它对晶体的成核速率和生长速率有显著影响，因此可以看作是共沉淀反应的驱动力。因此，我们在共沉淀过程中改变了前驱体溶液的浓度，以控制过饱和度，得到了4个不同粒度分布的铁磁流体样品，铁磁流体样品的制备过程如图1所示。

利用VSM对铁磁流体样品的磁化特性进行了表征。磁化曲线如图2所示。所有样品均表现出超顺磁性，饱和磁化强度分别为42.41 emu/g、41.14 emu/g、41.73 emu/g和40.90 emu/g。这些样品之间没有太大差异，表明在相同体积浓度的磁性颗粒下，制备过程中不同浓度的前驱体溶液引起的粒径分布差异对铁磁流体的磁性影响不大。

使用安东帕 MCR 302 流变仪研究了不同铁磁流体样品的流变特性，如图 3 所示。不同外部磁场下剪切应力和粘度对铁磁流体样品剪切速率的依赖性如图4所示。不同外磁场下剪切应力（a）和黏度（b）对铁磁流体试样剪切速率的依赖性

根据结果，铁磁流体样品表现为没有外部磁场的牛顿流体，而在外部磁场下表现出非牛顿流体性质，这表明微观结构的形成。对于每个样品，在不同的外磁场强度下，随着剪切速率的增加，剪切应力增大，但增加速率逐渐减小，黏度减小并逐渐达到稳定值。y轴上有一个截距，表明铁磁流体样品具有屈服应力。此外，对于相同的铁磁流体样品，剪切应力和粘度会随着外部磁场的强度而增加。

拟合参数如图5所示。对于同一铁磁流体样品，随着外磁场的增加，稠度增加，表现出铁磁流体的磁粘性效应，而流动指数减小，与1的偏差逐渐增大，表明非牛顿流变性能更强。此外，屈服应力的逐渐增大表明铁磁流体中存在更复杂的聚集体。

从图6可以看出，对于所有铁磁流体样品，粘度的相对变化随外部磁场强度增加，随剪切速率而减小。磁粘效应从1号铁磁流体样品到3号铁磁流体样品变弱，然后在4号铁磁流体样品处反弹。不同剪切速率下铁磁流体试样黏度对磁场强度的依赖性。

这是由于两种对立机制的影响。一方面，随着前驱体溶液浓度的降低，化学共沉淀反应产生的初级磁性颗粒尺寸变小，导致磁粘效应减弱。另一方面，随着初级磁性颗粒尺寸的减小，颗粒的比表面积增大，导致不同制备工艺中含量相同的表面活性剂不足以完全包覆磁性颗粒。

因此，聚集现象变得更加强烈，形成了更多的次生团簇结构，从而增加了有效磁粒径并导致磁粘性效应增强。两种机制的共同作用导致磁粘效应从1号铁磁流体样品逐渐减弱到3号铁磁流体样品，然后在4号铁磁流体样品处反弹的趋势。

不同铁磁流体样品的振幅扫描曲线如图7所示。根据图7，对于所有样品，在不同磁场下，储能模量趋于先经历平台期，然后被幂律衰减，而损耗模量先经过平台期，然后增加到峰值，最后被幂律衰减，衰减指数小于储能模量。随着外磁场的增加，储能模量和损耗模量均增大。

在临界剪切应变下，储能模量和损耗模量之间存在交点（在B = 21.14 mT时不明显），交点参数如图8所示。当剪切应变小于临界剪切应变时，储能模量大于损耗模量，即样品表现出类固体流变特性。

当剪切应变大于临界剪切应变时，储能模量小于损耗模量，即样品表现出类液体流变特性。因此，两个模量的交点可以被视为铁磁流体样品从固体行为到液体行为的过渡点。随着外加磁场的增加，过渡模量增大，过渡剪切污渍减小。

临界剪切应变和交点模量均先增大，后从1号铁磁流体试样减小到4号铁磁流体试样。这可以用微观的观点来解释。当剪切应变较小时，铁磁流体中会形成长长的微观结构，这些微观结构跨越流变仪测量池的间隙。

因此，样品表现出类似固体的行为。然而，当剪切应变的振幅增加到临界应变时，间隙上的微观结构被破坏，因此样品表现出类似液体的行为。根据磁粘效应部分的分析，1号铁磁流体样品到4号铁磁流体样品的有效粒径先减小后增大。因此，在磁性颗粒的体积分数保持不变的情况下，有效尺寸较小的颗粒更有可能形成足够长的结构以跨越间隙。

本工作通过控制化学共沉淀过程中的前驱体溶液浓度，制备了4个不同粒径分布的铁磁流体样品，然后研究了这些样品的流变特性，包括流动曲线、磁粘效应和粘弹性，以找出磁场、剪切速率和前驱体溶液浓度的影响。

铁磁流体表现出场控流变特性，这可以通过铁磁流体中磁性微观结构的形成和破坏来解释。铁磁流体在外部磁场下表现为非牛顿流体，流动行为可以用Herschel-Bulkley流体模型来描述。当施加小角摆动载荷时，随着剪切应变的增加，铁磁流体表现出从类固行为向类液体行为的转变。

随着外界磁场强度的增加，铁磁流体的粘度逐渐增大。这是由于聚集体的形成阻碍了流动并导致表观粘度的增加。剪切流的引入会促进铁磁流体中聚集体的破坏，导致粘度降低，从而表现出剪切稀化效果。前驱体溶液浓度的影响影响了两种相反机理的流变特性。随着前驱体溶液浓度的降低，化学反应产生的磁性颗粒尺寸变小。但同时，由于比表面积增加，表面活性剂不足以完全包覆磁性颗粒，导致颗粒聚集并形成较大有效尺寸的团簇，从而强烈增强了磁粘性效应并削弱了粘弹性效应。