磁流体密封技术:磁流体密封技术包括哪些

磁流体密封技术

国内自九十年代开始在对密封要求特别高的设备（如单晶炉、离子派 射、化学气相沉积等）及对军工产品环境要求较高的部件上尝试推广应用。但受 相关技术限制，其应用发展十分缓慢甚至停滞不前，目前也只是一些科研院所和 少数几家单位根据客户的需求定制生产。

1磁流体密封原理及结构 磁流体密封装置由外壳、永磁铁、磁极、转轴和磁磁回路 其中，永磁体为硬磁材料,磁极、转轴为导磁性能好的软磁材料，外 壳为非导磁材料。磁极和转轴之间的间隙为密封间隙，密封间隙内充入磁流体。

由于磁极极尖下磁场最强,磁流体被磁场力吸附在极尖处,在密封间隙形成一道 “0”形密封环。当无外加压差作用时,磁流体处于磁场最强处，即密封间隙的最尖 处。当有外加压差时,磁流体的位置和形状发生变化,磁场对磁流体产生的轴向力 同外加压差相平衡，磁流体处于新的平衡位置，阻止被密封介质泄漏,从而达到 密封的目的。由于磁流体是液体密封,无固体间的摩擦,故摩擦力小,功率损失小。

如图2所示,在磁极两侧压力相同时,磁流体的状态如图2(a)所示；
当右 侧的压力大于左侧时，磁流体发生弯曲，如图2(b)所示；
当两侧的压力差大于一 定值时就有气泡穿过磁流体,如图2(c)所示；
如果两侧的压力差进一步加大,磁流体 就会被击穿，如图2(d)所示。由于击穿后磁流体两侧的压力趋于相同，则磁流体 又会重新愈合,恢复耐压能力,这是磁流体密封的一个很重要的特点，被称为磁流 体密封溅射特性。磁流体的破裂溅射能使装配时磁流体分布的不均匀变得均匀。

一般将整个密封系统设计为多个磁流体密封圈来整合提高系统的密 封能力（有些场合还与机械密封同时使用），每个密封圈能承受15kPa~25kPa的 压差(图3),整个密封装置能承受的压力就为各级压差之和,从而产生较高的密封 效果。从当前资料来看,一般最多只能设计70级~80级,大约能承受1MPa~2MPa的 系统压力。如要进一步提高的话，则需采用压力平衡等方法进行过渡处理。2实现磁流体密封的两大技术要素 实现磁流体密封有两大技术要素：一是制备具有高饱和磁化强度的磁 流体；
二是在满足外部条件前提下设计具有高磁场强度的磁流体密封装置。

磁流体一般包含0.1nm~30nm铁磁性纳米级颗粒、包裹颗粒的稳定剂 和一种适宜的液体3种成分。液体作为液态载体,是一种稳定的胶体,应有足够的物 理化学稳定性,不易汽化或蒸发。流体的粘度不宜过大，以减少密封系统对运动 的阻力。

磁流体的性能指标主要有以下3个方面：
1)饱和磁化强度（单位:mT),表示磁流体在外加磁场的作用下可产生的 最强的磁性，一般在50mT~300mT范围，是磁流体应用技术中最为重要的一个技 术指标。

2)粘度（单位:cp),表示磁流体的流动性能,是流体力学和流变学的重要 参数，会对磁流体应用技术产生一定的影响。

3)磁性颗粒直径（单位:nm),表示磁流体的磁性颗粒的粗细程度，是影 响四大效应（小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应）的根 本因素，也是影响磁流体稳定性、饱和磁化强度、热力学性能等最重要的因素。

由于制造方法的改进，现在有了质量更高的铁磁流体,而表面活化剂 技术的进展则使可用载体的范围得以扩大并使流体性能更稳定。

磁流体密封装置的设计主要需考虑装置所能利用的空间、布局形式、 耐压要求、密封介质等要素。装置的实现基本以设定磁场强度的磁场构型实现为 目标，主要考虑的要素有密封间隙、极齿形状与尺寸、磁铁磁极大小、各种材料 的磁导率、耐压级数的确定以及磁路的合理计算等。

3磁流体密封应用及优缺点 根据其特性,磁流体密封主要应用于动态过程密封(旋转或摇摆）、隔 绝密封、特殊机械密封、环境密封等。动态过程密封当前的主要应用领域有半导体加工、光学纤维、激光器、 X-射线装置、热处理设备、硅单晶多晶炉和航天电子技术等。隔绝密封是利用磁 流体对关键元件进行保护的密封方式,如在纺织工业中，磁流体密封可保护电动 机轴承免受纤维污染;在各类机床中，磁流体密封可在含碎屑的切削液和轴衬润 滑液之间形成可靠的隔绝层,从而延长轴承寿命。

特殊机械密封是把磁流体密封应用于具有特殊目的的密封,其压力范 围一般在10“Pa~106Pa,如应用最多的真空密封、铰孔阀和压力聚集器、动力传递 轴的密封等。具有密封可靠、结构简单、维修少、寿命长等优点。

环境密封主要应用于化工厂、核电厂、冶炼厂等排放污染危险物的位 置,采用一级机械密封和一级磁流体密封的方式,可使泄漏和排放水平降到零S。

与普通的机械密封方式相比，设计优良的磁流体密封有着无可比拟的 优越性。其主要优点有：
1)严密的密封性，真空密封时能达到10-Pa的真空度要求。

2)几乎无泄漏,泄漏量最高小于10-12m3/(Pas)。

3)不需要复杂的外润滑系统，结构较简单紧凑。

4)可靠性高。磁流体密封件在正压情况下产生瞬时过压击穿时，由于 具有溅射特性，能自身“愈合”，当压力降低到密封可以承受的程度时，密封效果 依然保持，因此使用的可靠性相当高。

5)无方向性密封。密封件的左右两侧都能承受压力，没有方向性。如 果需要改变承压方向，对于磁流体密封件来说,无需增加任何元件即能完成。

6)密封处不需要高的光洁度，允许有较大的尺寸误差。流体能适应各 种配合间隙、形状和表面状况，允许轴有一定的偏心和径向跳动。

7)低摩擦、低磨损、低发热。在装有轴承的密封件中，除了轴承在旋 转过程中的机械磨损外，内部磁芯组件和转轴不直接接触，因而磨损小、发热低， 所需的运转动力小。

8)使用寿命长。用于磁流体密封的磁性载液一般具有惰性、稳定、低 蒸汽压等特点,挥发消耗量极低，正常工作寿命一般都在10年以上,且更换添加磁流体后还可继续使用。

9)基本无污染。由于密封件本身不存在机械磨损，磁性液体饱和蒸汽 压极低，因而即使在高真空状态下使用也不会产生污染。

10)良好的修复性。在使用当中，因某些原因造成的磁流体密封失效, 只要内部元件功能正常，一般在现场用较短的时间就能使磁流体密封件得以修复。

当然，磁流体密封也有一些很难克服的缺点，主要有以下几点：
1)要求被密封介质与磁流体载液互相不溶合。

2)不适合会造成磁流体蒸发和磁铁退磁的场合。

3)不适合较高温度的使用场合。温度升高会导致磁流体退磁和加速其 蒸发，一般磁流体温度不应高于105°C,否则应采取冷却措施,其最低温度为-20°C。

4磁流体密封技术的发展方向 磁流体密封技术的发展主要靠磁流体密封应用需求的带动，该项技术 将来会朝着更广更深的方向发展，主要体现在以下3个方面：
1)深入研究磁流体在振动、偏心、离心等竞争力中的影响，以及在不 同磁场和环境（如气体、液体、尘埃或纤维）等条件下的优化设计。

2)以磁流体密封原理为基础，利用组合密封、压力平衡等技术大大拓 宽现有磁流体密封的能力界限(温度80C,压力10MPa,转速35m/s),并在大量设备中 得到应用。

3)通过研发新材料、新工艺，制作具有更优性能的磁流体,并开拓更多 新的研究领域,在更大范围实现其特有的应用价值。

袁林生,高凌 (南京电子技术研究所，江苏南京210039)