ТЕКУЧАЯ КОМПОЗИЦИЯ С МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
FLUID COMPOSITION HAVING MAGNETORHEOLOGICAL PROPERTIES

Изобретение относится к составам текучих композиций, реагирующих на действие магнитного поля резким изменением их реологических свойств, и может найти применение в машиностроении, робототехнике, для управления течением рабочей жидкости в гидравлических устройствах (демпферах, вибраторах, приводах и т.д.), приборостроении, в частности, для финишной обработки оптических поверхностей в магнитном поле.
Использование магнитореологической жидкости в качестве полировального материала позволяет значительно улучшить качество поверхности оптических деталей и повысить производительность обработки. Так как полировальный материал формируется магнитным полем в зоне обработки, то существенно снижаются трудозатраты на его изготовление (технология изготовления магнитореологической жидкости проста по сравнению с производством твердых смоляных полировальных форм). При полировании с использованием магнитореологического полировального материала его форму задает сама полируемая деталь, поэтому отсутствуют ограничения на форму обрабатываемой поверхности и появляется возможность обработки сложных асферических поверхностей.
Известен состав для структурообратимого полировального инструмента для обработки оптического стекла [1], содержащий, мас.%:
полирит
11,7-17,45
карбонильное железо
27,9-56,12
полимер винил-Н-бутилового эфира
0,96-1,83
α-нафтол
0,0064-0,013
керосин
12,33-23,63
натриевая соль додецилсульфокислоты
0,033-0,05
аэросил
2,34-4,49
вода
остальное
Данный состав за счет применения полирита в качестве абразива позволил интенсифицировать процесс обработки оптических деталей.
Однако наличие в составе керосина и воды не позволяет получить однородную смесь.
Известна магнитореологическая текучая композиция на водной основе [2], содержащая, об.%:
частицы карбонильного железа
36,05
оксид церия
5,7
глицерин
2,4
карбонат натрия
0,74
вода
остальное
Рецептура этой жидкости разработана исходя из условий обеспечения скорости уноса обрабатываемого материала (2-3) мк/мин, что на порядок выше, чем при использовании известных ранее полировальников, и позволяет получить конечную микрошероховатость поверхности - 10 Å.
Однако практика эксплуатации магнитореологической жидкости выше приведенного состава в условиях постоянной циркуляции и перемешивания в контакте с воздухом показала, что на определенном этапе возникает проблема «времени жизни», связанная с необратимыми изменениями (коррозией) частиц карбонильного железа при контакте их поверхности с водой. Кроме того, образование окисей и гидроокисей на поверхности частиц произвольно изменяет условия на границе раздела фаз твердое тело - жидкость, что, в свою очередь, сказывается на реологических свойствах магнитореологических жидкостей и качестве обработки поверхности оптической детали [3].
Известна текучая композиция с магнитореологическими свойствами [4] (протопип), в которую с целью увеличения «времени жизни» или, иначе, времени работоспособности введена дополнительная составляющая - гексаметафосфат натрия. Такая жидкость содержит, об.%:
частицы карбонильного железа
36,05
оксид церия
5,7
глицерин
2,4
карбонат натрия
0,74
гексаметафосфат натрия
0,01-0,1
вода
остальное
Такой состав позволил увеличить «время жизни» магнитореологической жидкости с 5 до 15 суток.
Современные требования к оптическим изделиям предусматривают получение более качественной обрабатываемой поверхности, т.е. показатель среднеквадратичной микрошероховатости поверхности должен быть менее 10 Å.
Задачей настоящего изобретения является повышение показателей качества обрабатываемой поверхности за счет достижения значений среднеквадратичной микрошероховатости 2-5 Å.
Поставленная задача решается следующим образом. В известной текучей композиции с магнитореологическими свойствами, содержащей частицы карбонильного железа, глицерин, карбонат натрия, гексаметафосфат натрия и воду, согласно изобретению, в качестве абразива используют наноразмерные частицы алмаза при следующем соотношении компонентов, об.%:
частицы карбонильного железа
36,05
частицы алмаза
0,001-0,03
глицерин
2,4
карбонат натрия
0,74
гексаметафосфат натрия
0,01-0,10
вода
остальное
Использование в качестве абразива наноразмерных частиц алмаза вместо оксида церия позволит улучшить качество обрабатываемой поверхности и добиться микрошероховатости 2-5 Å.
Предлагаемую текучую композицию получают следующим образом. В соответствии с рецептурой в дистиллированную воду добавляют глицерин, карбонат натрия, гексаметафосфат натрия и размешивают до полного растворения компонентов. В полученный раствор (водную основу) добавляют навески порошков карбонильного железа и абразива (частицы алмаза). Тщательно смешивают в течение 2 часов до получения однородной композиции.
В приведенных ниже примерах рассматриваются различные составы заявляемой текучей композиции, а в таблице приведены сравнительные характеристики их свойств, поскольку кроме основного показателя их пригодности - качества обработанной поверхности оптической детали, к ним, с точки зрения работоспособности, предъявляются обязательные требования по седиментационной устойчивости; невысокой вязкости вне поля для обеспечения необходимых гидравлических условий движения жидкости; стабильности реологических свойств во времени и отсутствию агломератов из частиц дисперсной фазы, засоряющих гидроканал; величине касательного напряжения сдвига в магнитном поле в заданных пределах.
Образец 1 (прототип). Соотношение компонентов следующее, об.%:
частицы карбонильного железа
36,05
частицы окиси церия
5,70
глицерин
2,40
карбонат натрия
0,74
гексаметафосфат натрия
0,01-0,10
вода
остальное
Образец 2. Соотношение компонентов следующее, об.%:
частицы карбонильного железа
36,05
частицы алмаза
0,001
глицерин
2,40
карбонат натрия
0,74
гексаметафосфат натрия
0,06
вода
остальное
Образец 3. Соотношение компонентов следующее, об.%:
частицы карбонильного железа
36,05
частицы алмаза
0,01
глицерин
2,40
карбонат натрия
0,74
гексаметафосфат натрия
0,06
вода
остальное
Образец 4. Соотношение компонентов следующее, об.%:
частицы карбонильного железа
36,05
частицы алмаза
0,03
глицерин
2,40
карбонат натрия
0,74
гексаметафосфат натрия
0,10
вода
остальное
В эксперименте использовалось карбонильное железо марки Р-10 (Россия), абразив - окись церия (США), наноразмерный порошок алмаза (США, Strans Chemical Corporation, I1).
Измерения начальной (без воздействия магнитного поля) вязкости магнитореологической жидкости выполнены на вискозиметре. Константа седиментации жидкостей, помещенных в мерную пробирку, оценивалась по скорости оседания частиц железа. Микрошероховатость обработанной поверхности оптических деталей определялась на атомно-силовом микроскопе марки NT-206. Результаты измерений приведены в таблице.
Таблица
Показатель
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Образец 4
Вязкость без поля η, Па·с, γ=800 с<sup>-1</sup>
0,21
0,11
0,11
0,11
Напаряжение в магнитном поле В=300 мТл τ, КПа
25,1
25,0
25,0
25,1
Константа седиментации S, МСб
0,06
0,06
0,06
0,06
Среднеквадратичная шероховатость Rg, Å.
9,7
2,7
2,3
2,5
Таким образом, как показали результаты измерения, предлагаемое изобретение позволяет сохранить для предложенной магнитореологической жидкости показатели как у прототипа - «время жизни» - 15 суток, седиментационную устойчивость, чувствительность к магнитному полю и, помимо этого, добиться улучшения показателей обработки оптических деталей в 4 раза и дополнительно уменьшить начальную вязкость в 2 раза. Уменьшение количества алмазного порошка (<0,001 об.%) ухудшает качество полируемой поверхности. Увеличение концентрации алмазного порошка нецелесообразно, т.к. не происходит уменьшения микрошероховатости поверхности оптической детали, но увеличивается стоимость магнитореологической жидкости.
Источники информации
1. А.с. СССР №2034693, МПК B24D 3/34, публ. 1995 г.
2. Патент США №5804095, МПК В24В 31/00, публ. 1996 г.
3. Мацепуро А.Д., Новикова З.А., Городкин С.Р., Кордонский В.И. Стабилизация водных магнитореологических жидкостей // Тепло- и массоперенос - 98/99. Минск, АНК «ИТМО им. А.В.Лыкова», НАНБ, 1999, стр.72-76.
4. Патент BY 11595, МПК H01F 1/44, 2007 (прототип).