磁性液體性質(zhì)及應用

1、磁性液體性質(zhì)及應用 南京大學物理系 鐘偉都有為 一、概述磁性液體是由納米級（10納米以下）的強磁性微粒高度彌散于某種液體之中所形成的穩(wěn)定 的膠體體系。60年代美國首先應用于宇航工業(yè)，后來逐漸轉(zhuǎn)為民用，現(xiàn)已成為很龐大的產(chǎn) 業(yè)，在美國、日本、德國等發(fā)達國家都有磁性液體公司，全球每年要生產(chǎn)磁性液體器件數(shù)百 萬噸。磁性液體中的磁性微粒必須非常小，以致在基液中呈現(xiàn)混亂的布朗運動，這種熱運動足以抵消重力的沉降作用以及削弱粒子間電、磁的相互凝聚作用， 在重力和電、磁場的作用下能穩(wěn)定存在，不產(chǎn)生沉淀和凝聚。 磁性微粒和基液渾成一體，從而使磁性液體既具有普通磁性材料的磁性，同時又具有液體的流動性，因此具有許多獨

2、特的性質(zhì)。 磁性液體是由強磁性微粒、基液以及表面活性劑三部分組成。為了得到穩(wěn)定的磁性液體，強磁性微粒必須足夠小，如對鐵來說，微粒直徑要小于3納米；對F%O4來說，直徑不能大于10納米。制備納米微粒的方法很多，我們采用化學共沉淀技術制備直徑10納米左右、分布均勻的Fe3O4微粒?；瘜W共沉淀技術具有操作簡便、成本低，對設備要求不高等優(yōu)點。選擇 合適的表面活性劑是制備磁性液體的關鍵。表面活性劑包覆在微粒表面，具有以下作用：1.防止磁性顆粒的氧化；2.克服范德瓦爾斯力所造成的顆粒凝聚；3.削弱靜磁吸引力；4.改變磁性顆粒表面的性質(zhì)， 使顆粒和基液渾成一體。 對表面活性劑總的要求是，活性劑的一端能吸附于

3、微粒表面， 形成很強的化學鍵， 另一端能與基液溶劑化。 不同基液的磁性液體要選 擇不同的表面活性劑， 有時甚至需要兩種以上的表面活性劑。南京大學從八十年代開始進行磁性液體的研制工作，在強磁性微粒的制備，表面活性劑的選擇等方面積累了豐富的經(jīng)驗。 現(xiàn)已能制備出高質(zhì)量的水基、煤油基和鄰苯二甲酸二異辛脂基磁性液體。 二、磁性液體的性質(zhì) 由于磁性液體同時具有磁性和流動性，因此具有許多獨特的磁學、流體力學、光學和聲學特性。 磁性液體表現(xiàn)為超順磁性，本征矯頑力為零，沒有剩磁； 在外磁場下，磁性液體被磁化，滿足修正的伯努利方程。與常規(guī)伯努利方程相比，添加了一項磁性能，使磁性液體具有其它流體所沒有的、與磁性相關

4、聯(lián)的新性質(zhì)：例如磁性液體的表觀密度隨外磁場強度的增加而增大； 當光通過稀釋的磁性液體時， 會產(chǎn)生光的雙折射效應與雙向色性現(xiàn)象。當磁性液體被磁化時，使相對于磁場方向具有光的各向異性，偏振光的電矢量平行于外磁場方向比垂直于外磁場方向吸收更多，具有更高的折射率； 超聲波在磁性液體中傳播時，其速度及衰減與外磁場有關，呈各向異性； 磁性液體在交變場中具有磁導率頻散、磁粘滯性等現(xiàn)象。 三、磁性液體的應用 磁性液體的特殊性質(zhì)開拓了許多新的應用領域，一些過去難以解決的工程技術問題，由于磁性液體的出現(xiàn)而迎刃而解。下面簡單地介紹幾種磁性液體應用的原理。1 .旋轉(zhuǎn)軸動態(tài)密封磁性液體旋轉(zhuǎn)軸動態(tài)密封技術是磁性液體較成熟

5、也是最重要的應用之一，現(xiàn)已廣泛應用于 X-射線轉(zhuǎn)靶衍射儀、單晶爐、大功率激光器、計算機等精密儀器的轉(zhuǎn) 軸密封。其結(jié)構(gòu)原理見圖1.磁性液體在非均勻磁場中將聚集于磁場梯度最大處，因此利用外磁場可將磁性液體約束在密封部位形成磁性液體"O”型環(huán)，具有無泄露、無磨損、自潤滑、壽命長等特點。圖1.磁性液體密封原理目前在國外的精密儀器中，磁性液體密封部件作為一個整體出售，售價一般在兩、三千美圓,不單獨出售磁性液體。南京大學在磁性液體旋轉(zhuǎn)軸動態(tài)密封方面做了大量工作，積累了豐富的經(jīng)驗，擁有一項國家實用新型專利。在南京大學、南京師范大學、南京 55研究所等單位 的儀器上使用我們的磁性液體密封技術，效果良

6、好，真空度可達10-67磁性液體密封技術目前重要用于真空、灰塵、氣體的動態(tài)密封，封水等液體由于難度較大， 實際應用的不多。若能在封水、封油等方面取得突破，其應用領域?qū)O為廣闊，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 我們認為可從以下方面開展工作：改進密封件結(jié)構(gòu)，改善磁路設計，研制新型磁性液體。2 .揚聲器 將磁性液體注入揚聲器的音圈氣隙對音圈的運動起一定的阻尼作用，并能使音圈自動定位，同時音圈所產(chǎn)生的熱量可以通過磁性液體耗散，因此加入磁性液體可以提高揚聲器的承受功率，在同樣結(jié)構(gòu)條件下可彳輸入功率提高2倍，同時改善頻率響應，提高保真度。磁性液體用于金屬膜揚聲器性能更佳。目前國內(nèi)許多廠家生產(chǎn)磁性液體揚

7、聲器，生產(chǎn)線和磁性液體均從國外進口。若能將磁性液體國產(chǎn)化，必將帶來非?？捎^的收益。3 .阻尼器件利用磁性液體作為旋轉(zhuǎn)與線性阻尼器，以阻尼不需要的系統(tǒng)振蕩模式。與一般阻尼介質(zhì)相比優(yōu)點在于可擠占籍助外磁場定位。例如在步進馬達中使用磁性液體阻尼來消除系統(tǒng)的振蕩與共振，使馬達精確定位。另外在防振臺中使用磁性液體阻尼（圖2）,可消除外界振動噪音的干擾，以確保精密儀器（天平，光學設備等）正常工作。圖2.磁性液體阻尼器件圖3.磁性液體選礦分離示意圖4 .選礦分離 利用磁性液體的表觀比重隨外磁場的變化而改變的特點，可用來篩選比重不同的非磁性礦物（圖 3）。比重差別在10%左右的礦物可用此技術較好地分離，一般采

8、用水基 磁性液體，可重復使用。5 .” 圖4為磁性液體無摩擦開關示意圖。水銀和磁性液體裝在一個不導電的容器中，利用外磁場改變水銀在容器中的位置，來達到接通和斷開電流的目的。圖5為不需動力的新型磁性液體離心開關示意圖。 磁性液體密封在轉(zhuǎn)軸上的非磁性容器中。當轉(zhuǎn)軸靜止時，磁性液體位于容器下部，傳感器檢測不到它；當軸轉(zhuǎn)動時，離心力使磁性液體分布于容器內(nèi)壁，傳 感器檢測到磁性液體并引發(fā)開關動作。圖4.無摩擦開關圖5.新型離心開關6 .精密研磨和拋光磁性液體研磨是利用磁性液體的浮力將微米級的磨料懸浮于液體表面，與待拋光的工件緊密接觸。不論工件的表面形狀多么特殊，均可用此技術精密拋光。另外還可用來研磨高級

9、 Si3N4陶瓷球（圖6）,效率比傳統(tǒng)方法高 40倍。7 .傳感器目前有兩種商用磁性液體傳感器：一種是在石油勘探工業(yè)中用來測量鉆頭的加速和傾斜（圖7）,另一種是在建筑工業(yè)中用來檢測地下管道的傾斜（圖8）。圖6.磁性液體研磨圖7.磁性液體傾角計圖8.傾斜傳感器8.其它應用 除此以外，磁性液體還在許多領域有著廣泛的應用前景。如：磁性液體印刷、磁性液體薄膜軸承、聲納系統(tǒng)、磁性藥物、細胞磁性分離、磁性液體人工發(fā)熱器、磁性液體渦輪發(fā)電、光學開關，磁性液體剎車，等等。四、當前的重要工作首先將已經(jīng)成熟的磁性液體旋轉(zhuǎn)軸封真空、封氣技術推向市場，以此為突破口占領市場。同時研制用于超高真空的硅油基磁性液體、可封油

10、用的憎油基磁性液體；改善磁路設計和密封件結(jié)構(gòu)，力爭在封水、機油等液體介質(zhì)方面取得突破。磁性液體由于技術含量高， 制備工藝復雜，應用領域廣，盡管國際上已研究發(fā)展了很多年 （美 國是最早開始研究磁性液體技術，并首先在航天、軍事等領域應用的），國際上對磁性液體的研究仍很活躍，不斷有新的應用領域被發(fā)現(xiàn)，新的應用技術被提出，如近年磁性納米微粒 （磁性液體）在醫(yī)療上特別在防治腫瘤等領域中的應用就是一個研究熱點。我們在磁性液體技術上進行了大量研究和開發(fā)，開發(fā)成功揚聲器用磁液和密封用磁性液體并在相應領域應用，本單位目前正在致力于開發(fā)磁性液體阻尼器及磁性液體軸承電機，同時也 歡迎相關行業(yè)如微電機行業(yè)能與我們合作

11、，共同開發(fā)。磁性液體阻尼器磁性液體的表觀性質(zhì)在磁場作用下會發(fā)生較大的改變，例如密度、粘滯性等，因為磁場的作用，磁性液體可以定位在一定區(qū)域內(nèi)，磁性液體這些和磁性有關的獨特性質(zhì)，可以利用磁性液體制作高性能的阻尼器件。它是由一個非磁性的慣性塊、一個安裝了磁性體的輪圈以及一 定量的磁性液體組成。 其基本原理就是在輪圈與非磁性慣性塊的間隙中注入磁性液體，利用磁性體的強力磁場作用，使磁性液體在非磁性慣性塊和磁性體之間形成一層磁性液體層，從而使該非磁性慣性塊懸浮在磁性液體層上。這樣就使磁性液體既具有了液體滑動軸承的功 效，又由于磁場的作用而無泄漏之憂。同時磁性液體的粘性作用又產(chǎn)生了最佳的阻尼效果。在實際應用

12、時將輪圈與步迸電機的轉(zhuǎn)軸固定， 當電機加速或減速時， 由于非磁性慣性塊的慣 性作用使其穩(wěn)定時間大幅度地縮短， 同樣也可抑制電機在其共振頻域的振幅。 當電機勻速轉(zhuǎn) 動時，由于輪圈和非磁性塊是同時回轉(zhuǎn)的， 因此幾乎沒有能量損失。 下圖為磁性液體慣性阻 尼器的基本結(jié)構(gòu)和典型應用簡圖。圖一、磁性液體慣性阻尼器的基本結(jié)構(gòu)圖二、永磁轉(zhuǎn)子電機中可直接應用磁性液 體實現(xiàn)阻尼對于以永磁體作轉(zhuǎn)子的步進電機，可以直接把磁性液體注入磁極間隙即可，磁性液體的阻尼同樣可以有效的消除系統(tǒng)的振蕩與共振。阻尼效果比較示意圖用僦(TIMI)M閘(T1MI)鼾幽(TIME)磁性液體軸承是利用被磁場固定在電機轉(zhuǎn)軸部位的 磁性液體，旋轉(zhuǎn)時形成的液體膜使電機轉(zhuǎn)軸懸浮并自 動定中，電機運轉(zhuǎn)時，電機軸與電機其它部件沒有直 接接觸，這樣電機工作時的磨損小，噪音低，如使用 了 SoftSonicTM FDB（流體軸承）的 Seagate Barracuda? ATA IV,其聲強僅為20dB,并且還是現(xiàn)在市場主流硬 盤內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率最高的產(chǎn)品。磁性液體軸承電機可以應用在多種需要高速穩(wěn)定運注：黑線為不加阻尼時電機響應曲線，棕色線為加了阻尼后電機響應曲線。磁性液體軸承電機現(xiàn)代硬盤技術的飛速發(fā)展， 硬盤轉(zhuǎn)速的提高對電機性能提出了更高的要求，目前希捷等專業(yè)硬盤廠商已經(jīng)在其主流產(chǎn)品使用了磁性液體軸承電機來滿足硬盤驅(qū)動器高轉(zhuǎn)速