3D打印模块化附件为标准流变仪带来低成本磁场测试

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研究人员开发了一款3D打印模块化附件，使普通旋转流变仪能够在受控磁场下探测铁磁流体的流动行为，旨在为专用的商用磁流变设备提供一种经济实惠的替代方案。该系统由聚乳酸（PLA）组件和四个钕磁铁构建，总成本约为161美元，并作为开源硬件在CC BY 4.0许可下发布，所有设计文件均可供其他实验室免费获取和复制。研究团队报告称，目前市场上不存在该设备的商用同类产品，并且该附件在Rheotest RN 5.1旋转流变仪上进行了验证，同时兼容其他制造商的柱型仪器。

铁磁流体是分散在载体液体中的磁性纳米颗粒的稳定胶体悬浮液，它们在医学和工程领域已成为极具多功能性的材料。其既能像液体一样流动，又能对外部磁场做出响应的双重能力，支撑了广泛的功能应用。在医学领域，它们作为造影剂用于增强磁共振成像，其在靶向药物递送系统中的应用也正在研究中。在工程领域，它们被用于开发磁性密封件、减振器和智能润滑剂（其粘度可按需调节）。它们在太阳能系统中也具有潜力，并能显著提高热工程应用（如电子冷却系统）中的传热效率，此外还应用于材料分离、传感器技术和能量收集装置。当暴露于磁场中时，铁磁流体可以调节其粘度和热导率，这使其在广泛的技术应用中具有实用价值。

表征这些流体的流动是其研究的关键方面，但绝非易事。流变响应取决于许多变量，包括粒径分布、悬浮固体浓度、与表面活性剂的相互作用、表面自由能、温度以及晶体结构中的杂质。所施加磁场的强度和方向直接影响流体的响应，影响其粘度、稳定性和传热能力。由于这种复杂性，目前尚未提出能够准确描述铁磁流体流动行为的通用数学关系，因此必须开发特定的流变模型来预测它们在不同操作条件下的行为。流动特性通常使用旋转流变仪进行表征，该仪器通过几何常数将转速与剪切速率相关联，并将施加的扭矩与剪切应力相关联，从而构建应力-剪切速率曲线，并确定特定剪切速率或温度下的粘度。

专用的商用设备可以测定磁场下铁磁流体的流变特性，例如与MCR流变仪兼容的Anton Paar磁流变表征附件。然而，研究人员指出，此类系统存在显著的局限性：高昂的成本限制了获取途径，且与其他商用流变仪参考标准的兼容性差，将测量限制在拥有特定仪器品牌的实验室中。这些限制促使研究人员开发了一种附件，通过多功能且易于获取的实验装置促进铁磁流体的表征，使使用不同测量系统的实验室也能进行磁流变测试。

新开发的附件由一个连接到定位底座的中心结构和四个用于放置永磁体的臂组成。每个臂包含六个用于磁铁胶囊的导轨，允许不同的磁铁到样品的距离，从而产生不同的磁场强度。中心结构包含一个隔间，设计用于容纳外径最大为83毫米的盛液杯，在杯子和磁组件之间留出空间，用于放置非磁性绝缘层或未来的热控制元件。对于外径为43毫米的Rheotest RN 5.1配置，该隔间提供约20毫米的可用径向间隙，足以容纳非磁性绝缘层（如硅胶或硅胶泡沫片），并可能允许未来集成薄型加热套。由于加热会降低有效绝缘厚度，团队建议高温操作仅在对杯子、磁铁和打印组件进行温度监测的情况下进行，将打印结构保持在约45摄氏度的保守极限以下，并将磁铁保持在安全操作范围内。

重要的是，打印的附件从不接触被测流体。样品被限制在流变仪杯内，而附件纯粹作为外部磁场定位系统，因此测量精度仍由商用流变仪的校准和规格决定。定心元件作为同轴对准平台，确保转子的旋转轴与附件的对称轴对齐，并确保测量杯插入到生成的磁场中的适当深度。磁铁固定胶囊的设计尺寸为46×21×10毫米，与设置中使用的钕磁铁相匹配，并确保完全覆盖所选流变几何形状定义的变形区域。胶囊设计可进行调整以适应其他商用磁铁尺寸，使系统兼容不同的旋转流变仪或粘度计。保护盖安装在臂上，以防止附近金属物体产生的强排斥或吸引磁力导致磁铁意外移位。

开发了一个独立的测量组件，用于在测试前表征每种磁铁配置产生的磁场。该元件将高斯计探头定位在预定义的笛卡尔坐标上，复制应用附件的相对磁铁位置。使用侧面入口，可以在xy平面的12个位置进行测量，对应于单个象限的顶部，并且由于组件的对称性，可以在包含铁磁流体的整个区域进行多达40次测量。顶部入口的三个变体允许在xz和yz平面的z轴不同深度进行测量，与侧面入口的位置重合。然后通过矢量组合在三个平面中测量的分量来计算所得磁场的大小。高斯计在流变测量之前独立使用；在测试期间，仅将磁场施加附件定位在流变仪杯周围。

该设备采用熔融沉积成型（FDM）制造，这是一种易于获取且经济高效的3D打印技术，能够快速迭代具有复杂几何形状的零件。选择聚乳酸是因为其尺寸稳定性、可生物降解性、低热收缩率以及作为结构实验室组件的足够机械强度。组件在配备0.2毫米喷嘴的FLSUN Super Racer 3D-FDM打印机上打印，打印速度为100毫米/秒，层厚为0.2毫米。总共使用了1,375克PLA来形成磁组件，总打印时间为64小时。材料清单显示，打印的聚合物部件仅占总成本的一小部分；最大的单项支出是一台89美元的高斯计和四个每个10美元的磁铁。尽管该附件是围绕Rheotest RN 5.1开发的（该仪器在高达2,000/秒的剪切速率下测量5至105毫帕·秒的粘度），但它也兼容其他柱型旋转流变仪，如T.A. Instruments、PCE Instruments和Thermo Fisher制造的流变仪，前提是设计了与杯子直径匹配的定制定心器。

为了验证组件的功能，团队使用乙二醇基磁铁矿铁磁流体在六种体积浓度下进行了流变测试：0.01%、0.05%、0.1%、0.3%、0.5%和1%。这些颗粒的尺寸在60到100纳米之间，大于经典铁磁流体中通常报道的尺寸，但仍处于纳米级，并且远小于传统磁流变流体中通常使用的微米级颗粒。该验证被设计为对附件的功能评估，而不是与商用磁流变系统的全面计量比较。每次测试施加一个在20/秒的恒定剪切速率下持续10秒的预处理阶段，然后在60秒内从0增加到200/秒，并在60秒内从200/秒降低到0，每次测试重复三次。施加的磁场不被假定为空间均匀的；相反，其分布使用测量元件进行表征，测量的分量通过矢量组合来估计所得磁场的大小。在测试的磁铁排列中，最强的表征配置达到269.6高斯，对应于臂设置为π/2时的排列2，而最弱的测量值为24.6高斯。

平均剪切应力与剪切速率曲线显示出宾汉塑性响应，其特征是在流动开始后剪切应力与剪切速率之间呈近似线性关系，并且存在与表观屈服应力相关的非零应力截距。在最低浓度0.01%时，曲线未被施加的磁场明显区分，表明在高度稀释条件下磁场引起的变化很小。随着浓度的增加，曲线向更高的应力值移动，主要是通过表观屈服应力的增加，而它们的斜率保持相对相似。塑性粘度在磁场强度下保持在接近17毫帕·秒，并且在大多数磁场条件下保持在约16至18毫帕·秒的狭窄范围内，表明浓度没有显著改变粘性贡献。相比之下，表观屈服应力对固体浓度和磁场强度表现出更强的依赖性，其回归斜率在较高磁场下显著增加，特别是在105和167高斯左右。团队得出结论，在测试范围内，主导的磁场诱导效应是颗粒结构化，这增加了启动流动所需的应力，而不是塑性粘度的显著增加。

作者承认了一些局限性。每次运行期间磁场的时间变化未被直接监测，尽管测试在室温下在没有主动加热的情况下使用短测量序列进行，因此预计不会出现显著的热致磁场变化。连续磁场监测和定量时间稳定性评估仍有待在未来工作中解决，并且未测量流体、磁铁和打印组件的温度分布，因此未通过实验验证高温操作。PLA组件的耐用性可能会受到高温、湿度、紫外线辐射、化学清洁剂或意外损坏的影响，并且在使用前应目视检查臂槽、磁铁胶囊、盖子和定心元件，如果观察到变形、开裂、松动或磁铁定位精度丧失，则应予以更换。在这些操作限制内，研究人员将这种低成本模块化组件作为一个实用平台，用于评估具有不同配方、浓度和磁场配置的磁性悬浮液，使以前缺乏预算或特定仪器品牌的实验室也能进行磁流变表征。

资讯来源

• Bioengineer.org (2026-10-24)
• 原文： 3D打印模块化附件为标准流变仪带来低成本磁场测试
• https://bioengineer.org/3d-printed-modular-accessory-brings-low-cost-magnetic-field-testing-to-standard-rheometers/