科技成果——磁性液体密封的关键技术技术开发单位北京交通大学
技术简介
磁性液体密封是一种新型的密封方式，具有零泄漏、长寿命、高可靠性等优点。磁性液体是由直径为纳米量级的磁性固体颗粒均匀分散在基载液中而形成的一种稳定的胶体溶液，这种溶液即使在重力场、电场、磁场作用下也能长期稳定的存在，不产生沉淀与分离。磁性液体既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，因此有着广泛的应用和很高的学术价值。
利用磁性液体对磁场的响应特性，把磁性液体注入到由高性能的永磁体、导磁良好的极靴和转轴所构成的导磁回路的间隙中，会形成数个磁性液体“O”型圈，当磁性液体受压差作用时，会在非均匀磁场中移动，不均匀磁场就会使磁性液体产生对抗压差的磁力，进而达到新的平衡，这样就起到了密封的作用。磁性液体密封的应用范围极其广泛，密封适应性强，无论是静态密封还是动态密封，无论是旋转密封还是往复密封，都可以应用。在某些方面，它的优点是传统密封方式无法比拟的。
因而包括美国航空航天局NASA公司在内的世界各国的军工单位一直以来都非常重视磁性液体密封的发展和应用。美国航空航天局（NASA）2011年在其官方网站上指出，磁性液体密封是今后十年内重点研究的领域之一。磁性液体密封方面已建设中试生产线，全面验证了核心技术、工艺和设备，准备进入规模化生产线建设阶段。
主要技术指标
泄漏率＜10-12Pa?m3/s；密封寿命＞10年；线速度＞20m/s。
技术特点
（1）零泄漏：在动态和静态测试中，采用质谱测定法对氦气密封进行评估，在常温常压下，氦气的泄漏量小于10-12Pa?m3/s，通常人们称为零泄漏；
（2）使用寿命长：一般寿命在十年以上；
（3）高可靠性：磁性液体密封装置包括一块简单的永磁体、极靴和少量的磁性液体，唯一会产生磨损的是轴承，因而可靠性高；
（4）完全无污染：由于没有机械磨损，液体密封环不产生污染系统的粒子；
（5）能承受高转速：最高可承受几十万rpm的高转速;
（6）最佳的扭矩传递：传动轴可进行100%的扭矩传动而没有功率损耗，并能够不间断地提供同向旋转；
（7）低的粘性摩擦：磁性液体粘性摩擦小，并不依赖于密封所加的压力，因而运转平稳。
技术水平国际领先
适用范围
各类真空炉，烧结炉，钎焊炉，淬火炉，热处理炉，单晶硅炉，真空泵，镀膜机，化学气相沉积设备，离心束刻蚀机、分子泵、超高速离心机、鼓风机等设备。
专利状态授权专利40项
技术状态批量生产、成熟应用阶段
合作方式
（1）投资需求。寻求投资扩大产能，共需资金2800万元。建设高性能磁性液体制备生产线需求资金800万元，建设磁性液体密封生产线1200万元，建设磁性液体及磁性液体密封性能检测平台800万元。
（2）合作研发。与各真空厂商，密封圈等辅助密封厂商、大型鼓风机制造厂等上下游厂商及控股股东展开合作，共同开展磁性液体密封的广泛应用和推广工作。
预期效益
磁性液体密封广泛应用于能源、军工和石化等行业，预计到2020年，磁性液体密封的产业化在全国市场容量可达720亿元，其中北京市市场容量达到147亿元。
第33卷第3期 1999年3月 上海交通大学学报 JOU RNAL O F SHAN GHA I J I AO TON G UN I V ER S IT Y V o l .33N o.3 M ar .1999 收稿日期:1998203224 基金项目:上海市教委科技发展基金资助(97H 04)作者简介:顾建明(1948～),男,副教授. 文章编号:100622467(1999)0320380203 磁流体密封间隙对密封性能的影响 顾建明1, 许永兴2, 陆明琦1, 芮 菁1 (1.上海交通大学动力与能源工程学院,上海200030;2.上海电视大学,上海200092) 摘 要:对磁流体在转轴密封中的应用作了探讨.阐明了磁流体密封的原理,根据磁学理论进行了磁回路的计算.在此基础上设计了磁流体密封的试验装置.实验中采用不同的密封间隙,以确定磁流体密封能力与密封间隙之间的关系.同时,进行了轴旋转和静止时磁流体密封能力变化的试验.试验结果表明,磁流体的密封能力随密封级数的增加而提高,随密封间隙的增大而减小,密封间隙在0.05～0.20mm 时,效果较好,同时密封级数有一个最佳值.关键词:磁流体;磁流体密封;密封间隙;密封能力 中图分类号:TH 117;TQ 584.1 文献标识码:A Effe c t of the G a p of M a gne tic F luid S e a l on S e a l C a pa c ity GU J ian 2m ing 1 , X U Y ong 2x ing 2 , L U M ing 2qi 1 , RU I Q ing 1 1.Schoo l of Pow er and Energy Engrg .,Shanghai J iao tong U n iv .,Shanghai 200030,Ch ina 2.Shanghai TV U n iv .,Shanghai 200092,Ch ina Abs tra c t :T he dynam ic seal of sp in shaft w ith m agnetic flu id w as studied .T he p rinci p le of m agnetic flu id seal w as described and w ith the calcu lati on of m agnetic loop based on m agnetic theo ry ,a test un it fo r m ag 2netic flu id seal w as estab ished .In the exp eri m en t ,the relati on sh i p betw een the seal cap acity of m agnetic flu id and the differen t seal gap w as determ ined ,and the variance of m agnetic flu id seal cap acity w as also tested w ith the shaft ro tating o r stati onary .T he resu lt show s that the seal cap acity of m agnetic flu id is raised w ith the increase of seal stage and the decrease of seal gap .W hen the seal gap is betw een 0.05mm and 0.20mm ,the resu lt is better and the num ber of seal stage has an op ti m um value . Ke y w o rds :m agnetic flu id ;m agnetic flu id seal ;seal gap ;seal cap acity 磁流体是一种新材料,它在机械、动力、航天和医学等方面有着广阔的应用前景[1,2].由于它具有独特的超顺磁特性[3],密封是它的又一个重要的用途.自70年代始,美国、前苏联、日本等国先后对磁流体 密封进行了研究和探索.由于磁流体密封是一项新技术,它涉及到磁学、热力学、流体力学等多种学科领域,在机理上是很复杂的.因此,在研究上存在相当的难度.尽管不少国家进行了一定的研究,但无论在理论还是实用上,许多问题有必要进行深入的研究.除了须研制出高性能的磁流体外,研究不同的磁 场强度、不同几何形状的磁极以及不同转轴转速对 密封性能的影响,也是一个十分重要的方面. 1 磁性流体密封原理及实验装置 1.1 密封原理 密封部分原理如图1所示.永久磁铁4和磁极3设置在固定部件上,磁极3和转轴1的间隙内注入磁流体2,将转轴贯穿的空间隔断.图1中,永久磁铁、磁极、磁流体和转轴构成一个封闭磁路.永久磁铁产生的强磁场,将磁流件牢牢地“束缚”在密封间隙内形成液体“O ” 形环,即油膜屏障,用来克服转轴两端的压差.磁流体密封的耐压能力取决于磁场对磁性流体的“束缚”力.
大学本科生毕业论文 摘要 本论文以对磁流体的表面张力的分析为出发点，建立了磁流体密封模型，根据磁流体密封力的最小单元——磁性微粒间的引力，结合磁性微粒在磁场下的浓度分布模型，推导出相应的磁流体密封耐压公式，并应用该磁流体密封耐压公式设计船舶艉轴磁流体密封实验装置的主要参数。依照密封装置的主要参数，设计出密封装置的动力源和传动机构。在设计的船舶艉轴磁流体密封实验装置上，对磁流体密封的主要密封参数进行了实验研究，并分析了影响磁流体密封装置的密封能力的因素,包括磁环、磁流体的性能，密封间隙与密封级数，磁极的齿型及转速。通过对实验数据的分析可知，密封能力是各因素综合影响的结果，任何一个因素的不合理，都能导致密封能力的降低。船舶艉轴密封实验装置，实现了较高的密封压差，对于实船应用具有一定的参考价值。 1
大学本科生毕业论文 第1章绪论 1.1选题的背景和意义 磁流体也叫磁液或铁流体，它是将磁性微粒掺入到载液中是一种对磁场敏感、可流动的液体磁性材料。磁流体自问世以来，在研磨、抛光、润滑、减振、冷却等领域逐步被人们所认识，磁流体在密封领域的应用也逐渐受到人们的重视。 磁流体密封是借助磁流体在磁场的作用下形成的磁流体密封环对气体、液体进行密封，由于它和密封轴之间是通过磁流体进行接触密封，因而避免了密封轴与密封件之间的直接摩擦，降低了附加载荷。在旋转轴密封中具有其它密封方式不可比拟的优点：无泄露、无磨损、结构简单、寿命长，受到国内外学者和工程技术人员的重视，在工业、国防等领域具有重要的意义。 磁流体密封在低压气体密封中的应用较为简单，因为密封压力低，所需的密封级数较少、密封间隙也可以选的比较大，所以容易实现。同时由于密封级数少，故密封装置的轴向尺寸限制较少，密封间隙大，其他诸如转速、磁极齿型等因素对密封装置的密封能力影响也较小，往往可以采用模糊的理论公式或经验公式对密封装置进行设计，就能满足使用的需要。随着密封压力的升高，磁流体密封耐压公式在磁流体密封装置的设计中越来越重要，它的理论水平直接决定了密封装置的性能。传统密封理论公式存在一些缺陷，比如密封力的来源不明确，计算复杂，适用范围小等等，这就不能很好的满足磁流体高压密封设计的需要。因此，应用新的、合理的密封耐压公式对旋转轴高压密封装置的设计是很必要的。 磁流体在气体密封中的应用已经很多，但是在液体密封中的应用较少，本文将磁流体密封技术应用于船舶艉轴密封中，并采用新的耐压公式，计算出密封装置的参数，设计出密封实验装置，进行了具体实验，取得了大量的数据。最后利用实验数据，分析对船舶艉轴磁流体密封的主要影响因素，可为今后进行磁流体密封装置的设计提供一定的帮助。 1.2国内外磁流体密封技术的发展现状 2
■磁性流体密封技术 磁性流体密封技术是在磁性流体的基础上发展的，当磁性流体注 入具有磁场的间隙中时，它可以充满整个间隙，成为一种液体“O型 密封圈”。 磁性流体真空进给装置是一种把旋转运动传入真空容器的装置， 其基本构成为一个永久磁场，两个磁极，一个磁性转动轴和磁性流体。 传动轴是一个多级结构，由磁极和转轴组成。在每级环形间隙中，充 满了磁性流体。在理想状态下，所有磁性流体密封在每一级极间与磁 极之间，形成一系列的“磁性流体密封圈”。每级“磁性流体密封圈” 能随的压差0.15-0.2个大气压，整个区域的随能力为密封圈子总的承 压能力，为适应真空环境，磁性流体密封圈标准设计压力大于两个大 气压，所以说是绝对安全的。 Magnetic fluid Sealing Technique Sealing techniques of magnetic fluid take advantage of response of Magnetic fluids. When a Magnetic fluid is placed into a gap between the surfaces of rotating and stationary elements in the presence of magnetic fluid, it assumes the shape of a"Liquid O-ring" to comple电话y fill the gap. The magnetic fluid vacuum rotary feed through is a device that transmits rotary motion into a vacuum chamber. The basic components are permanent magnet, two pole pieces, a magnetically permeable shaft and Magnetic fluid. The shaft (of pole pieces) contains a multistage structure, completed bye the pole pieces and the shaft, concentrating magnetic flux in the radial gap under each stage. In the ideal situation, all flux lines are confined under each stage, and none are in interstate region. The magnetic fluid is trapped and
磁流体密封原理 磁流体密封技术是在磁性流体的基础上发展而来的，当磁流体注入磁场的间隙时，它可以充满整个间隙，形成一种“液体的O型密封圈”。 磁流体密封装置的功能是把旋转运动传递到密封容器内，常用于真空密封，其基本原理见下图 磁流体密封装置是由不导磁座、轴承、磁极、永久磁铁、导磁轴、磁流体组成，在均匀稳定磁场的作用下，使磁流体充满于设定的空间内，建立起多级“O型密封圈”，从而达到密封的效果；每级密封圈一般可以承受大于0.15～0.2个大气压的压差。总承压为各级压差之和，一般设计为2.5个大气压，完全满足真空密封的需要；另外经过我公司的研究开发，也可用于高压密封。 2、磁流体密封的特性 ·长寿命 无磨损，具有极佳的工作可靠性。 ·高性能 极限真空度10-6Pa，泄漏率10-12Pa.m3/sec。 ·高适应性： 从低速到高速，从低压到高压，从室温到高温，均能满足各种[wiki]设备[/wiki]的要求。 3、磁流体密封的应用 近年来，国内外真空设备发展迅猛。在许多回转动密封装置上，磁流体密封得到了广泛的应用，例如在单晶硅炉、真空钎焊炉、真空熔炼炉、化学气相沉积、离子镀膜、液晶再生等真空设备的密封，以及高温高压设备及对[wiki]环境[/wiki]要求较高的设备的密封。从而提高产品质量，获得很好的经济效益。 1995年由美国帕佩尔（Papell）发明的磁性流体，是把磁铁矿等强磁性的微细粉末（约100?）在水、油类、酯类、醚类等液体中进行稳定分散的一种胶态液体。这种液体具有在通常离心力和磁场作用下，既不沉降和凝聚又能使其本身承受磁性，可以被磁铁所吸引的特性。 磁流体由3种主要成分组成： 1）固体铁磁体微粒（Fe3O4）； 2）包覆着微粒并阻止其相互凝聚的表面活性剂（稳定剂）； 3）载液（溶媒）。
磁流体密封 磁流体就是以液体形式存在的磁性材料，它是由粒径约为10nm的强磁性粒子，通过表面吸附界面活性剂分子而稳定分散于合适基液中所形成的一种胶态体系。根据所含的磁性粒子不同，可分为铁氧体系、金属系和氮化铁系3类。根据基液的不同可为水基、油基、醚基和酯基。 磁流体是功能材料中的一支新秀，它既具有磁性又具有流动性, 在重力和磁力作用下能够保持稳定, 不会出现沉淀或分层现象。与其他液体相比，磁流体具有以下特点： (1) 在外加磁场下, 有悬浮在载体中的能力。 (2) 既具有液体的流动性, 又具有固体磁性材料的特性, 有感应磁通的能力。 (3) 调节外加磁场强度, 可以改变磁流体的表观比重和粘度, 能使磁性的固体稳定地悬浮在其中。 (4) 超声波在磁流体中传播时, 其速度以及衰减与外磁场有关, 并显示各向异性。它的介电常数也是各向异性的。光通过稀释的磁流体时, 或磁流体的薄层时, 会产生光的双折射现象。当磁化时, 使相对于磁场方向具有光的各向异性, 具有高的折射率。此外, 在交变磁场中还具有磁粘滞现象。 (5) 在垂直磁场的作用下, 会自发地形成稳定的波峰。 (6) 对外加磁场的响应速度快, 撤去外磁场后,磁流体中的磁性粒子很快呈现无规则分布 ,即在无外加磁场时, 磁流体本身是不显磁性的。 (7) 磁流体在外加磁场的作用中, 将流向并固定在磁场强度高的一方。 对磁流体的研究起源于50 年代,标志是美国的Papell 在1963 年获得的第一个磁流体制备专利,并于1965 年在美国的NASA 航天产品的密封中获得成功应用。自此引发了对这种新型材料的研究开发和应用,并不断的取得新的进展,一步步的从实验室迈向实用化。70 年代我国开始进行磁流体的基础研究和应用探索。磁流体最通常的制备方法是借助于共同沉淀法制得粒度约为10nm 的磁铁矿之类铁氧体之后,吸附以界面活性剂,然后分散于油或水中即制成磁流体。新近又开发成功了将比铁氧体饱和磁化强应更大的纳米金属铁粉分散于液体中的磁流体,它是在水中添加粒径大的正离子或负离子(取代界面活性剂) 而将铁磁性纳米颗粒分散于液体中的离子性磁流体。当前,在磁流体中分散的铁磁性颗粒仅限于10nm 左右的大小,但可以通过改变所分散的铁磁性微粉和分散介质溶剂的性质来适应其各种用途。如果作为铁磁性微粉采用感温性铁氧体时可作磁流体泵和热泵使用;溶剂采用液态金属时 则可制备成导电性磁流体;溶剂采用弹性橡胶时可制成磁性橡胶;如果采用气体作为介质还可制成磁性气体。目前,应用最广的典型用途便是磁流体密封,还有利用磁流体的重力分选技术,以及加速度计等方面均已实用化。磁流体的应用现已扩展到机械、电子、能源、化工、冶金、船舶、航天、遥测、仪表、印刷、环保、卫生、医疗等诸多领域, 在密封、冷却、