第7章1磁性液體

1、7.1磁性液體本節(jié)講述的主要內容：7.1.1磁性液體的基本概念7.1.2磁性液體的基本特性7.1.3磁性液體的穩(wěn)定性7.1.4磁性液體的分類7.1.5磁性液體的制備方法7.1.6磁性液體的應用7.1.1 磁性液體基本概念磁液在重力和磁力作用下不會出現凝聚和沉淀現象既具有固體的磁性，又具有液體的流動性磁性微粒為單疇或近單疇，產生自發(fā)磁化磁性微粒在基液中作布朗運動，故磁液顯示超順磁性磁化時，磁化-退磁-磁化過程曲線顯示 “S”型磁性液體(Magnetic Liquids)是由納米級的磁性顆粒，通過界面活性劑高度地分散、懸浮在載液中，形成穩(wěn)定的膠體體系 超細磁性顆粒：Fe3O4、-Fe2O3、Fe、

2、Co、Ni、Fe-Co-Ni 合金、-Fe3N及-Fe4N等 表面活性劑：羧基、胺基、羥基、醛基、硫基等 載液：水、礦物油、酯類、有機硅油、氟醚油及水銀等 磁性顆粒表面活性劑載液磁性液體的組成和結構7.1.2 磁性液體的基本特性 磁性液體的特性是磁性顆粒、界面活性劑及載液性能的綜合表征 1物理特性2化學特性3流體力學特性（1）磁化特性；（2）熱效應（3）聲學特性（4）光學特性（5）粘度特性（6）磁性液體的密度（7）界面現象（1）磁性液體的膠體穩(wěn)定特性（2）磁性液體的抗氧化特性（3）界面活性劑與母液及磁性顆粒的化學匹配特性（4）蒸發(fā)特性20124HPVghMdHC磁化特性固態(tài)磁體（a）和磁性液體

3、（b）的磁化曲線MH（b）MH（a）無磁場時，磁液顯示超順磁性；有磁場時，磁性顆粒同向排列，磁液顯示磁性磁化曲線：無剩磁、無矯頑力聲、光特性聲學特性：超聲波在磁性液體中的傳播速度及衰減量與外加磁場強度有關,且在外磁場作用方向發(fā)生變化,超聲波在磁性液體中的傳播顯示各向異性。光學特性：在磁場作用下，磁液中的磁性微粒有序排列。光線通過幾十微米厚的磁性液體薄膜，產生雙折射現象。盡管磁液是黑色的，但光線卻可以通過粘度、密度特性在外加磁場作用下，磁場能量轉變?yōu)榇乓簤簭娫龃?，結果使原來沉浸在磁液中的高密度非磁性物體“漂浮”起來。20124HPVghMdHC密度特性粘度特性粘度是指液體流動時表現出來的內摩擦力

4、外加磁場使磁性粒子取向排列，從而增加磁液流動的阻力，導致粘度增大界面特性磁性液體的表面在外加磁場的作用下會產生變形。當外加磁場垂直于磁性液體的表面時，磁性液體的表面出現無數的“針形磁花”?！搬樞未呕ā钡姆较蚺c磁力線的方向相同。此時，磁場力、磁性液體的表面張力和重力平衡7.1.3 磁液的穩(wěn)定性磁液中磁性粒子存在相互聚集的吸引力，為了充分分散，必須減小微粒尺寸，使熱振動能克服磁性引力。磁性粒子靠近時的最大磁位能為：23036MM rEh為使磁液穩(wěn)定存在，必須滿足：MkTE以Fe3O4作為分散質的磁性流體為例，設M=0.35T，求得粒徑上限為10nm 粒子間的吸引力范德瓦爾斯引力 范德瓦耳斯引力是分

5、子間瞬間電偶極矩的相互作用力，它是粒子間普遍存在的短程相互作用力，隨著分子間的距離加大，便迅速地減弱 ，可表示為：2061 34xEhvr 振子平衡點間的距離極化系數普朗克常數 電荷分布的特征振動頻率 磁力場及梯度磁場對磁液的影響重力場使磁性流體中的顆粒產生沉淀，使顆粒上稀下濃，濃度差又引起微粒由高濃度向低濃度方向擴散因此，磁性顆粒處于重力和擴散力的動態(tài)平衡中推導出磁性粒子濃度梯度為：3/6cdndg nkTdZ同理，在梯度為 dH/dZ的磁場中，濃度梯度為：3/6dndHd MnkTdZdZ磁性流體粘度與外磁場的相互作用 磁性流體通常都具有粘滯性，其粘度服從牛頓的內摩擦定律，它與流體中的顆粒

6、數量和外磁場大小及方向有密切關系；在有外加磁場時，磁流體的粘度可增加4倍；液體流動方向與外加磁場方向平行時的粘度比垂直時大 ；從流變特性分析，磁流體的粘度，從低到高可根據磁場的強弱加以控制 磁性流體密度對磁化強度的影響 1221S 如果將磁性流體的密度作為變量，磁性流體的單位質量的磁化強度可近似表示為：分散微粒的磁化強度溶劑的密度分散微粒的密度磁流體密度磁性流體遵從修正的伯努利方程 20124HPVghMdHC與常規(guī)伯努利方程相比，多了一個負的磁能相磁能項與其它每一項組合，都會產生新的流體現象 7.1.4 磁液分類按照磁性顆粒的種類，大體可分為：鐵氧體磁性液體金屬磁性液體氮化鐵磁性液體磁性顆粒

7、：納米級的鐵氧體顆粒（Fe3O4、-Fe2O3）磁性顆粒：納米級的金屬顆粒（Fe、Co、Ni或Fe-Ni、Fe-Co-Ni等合金）磁性顆粒：納米級的氮化鐵顆粒（-Fe3N、-Fe4N及Fe8N）7.1.5 磁性液體的制備方法二價的鐵鹽（FeCl2）溶液和三價的鐵鹽（FeCl3）溶液按一定的比例混合，加入沉淀劑（NaOH或KOH）反應后，獲得粒度小于10nm的Fe3O4磁性顆粒，經脫水干燥后，添加一定量的表面活性劑劑母液，充分攪拌混合后獲得鐵氧體磁性液體。鐵氧體磁性液體的飽和磁化強度一般為0.05T。該方法能夠獲得粒度均勻的納米級顆粒，且成本低，適合工業(yè)化生產。 化學共沉降法鐵氧體磁性液體的制備

8、方法將Fe3O4粉末與煤油及油酸按一定比例混合在一起，裝入球磨機進行研磨，大約需要520個星期，以保證Fe3O4粒子達到膠體尺寸，直徑為2.515nm之間，然后用高速離心機除去直徑大于25nm的粗大粒子。該法雖然簡單，但耗時較長，效率低，費用高，不適合大批量生產。如選用非磁性的方鐵礦為原料，研磨制成膠體溶液，然后再使其變?yōu)殍F磁性，這樣可以縮短約95的研磨時間。 球磨法金屬磁性液體的制備方法在含有表面活性劑的載液中添加羰基金屬化合物Fe(CO)5、Co2(CO)8、Ni(CO)4或它們的混合物，置于帶有加熱裝置的密閉容器內，經熱分解制成納米級Fe、Co、Ni或其合金顆粒，這些顆粒經表面活性劑包覆

9、后均勻、穩(wěn)定地分散在載液中成為金屬磁性液體。該法工藝簡單、能耗低，可制備高飽和磁化強度的磁性液體 金屬鐵磁性材料（Fe、Co、Ni及其合金）的飽和磁化強度遠遠高于鐵氧體，利用它們制備金屬磁性液體，其飽和磁化強度較高，在應用上優(yōu)于鐵氧體磁性液體。但金屬、合金以及包覆的復合納米級粉末極容易氧化是金屬磁性液體的致命缺點。金屬羰基化合物熱分解法等離子CVD法在反應容器底部旋轉溶入表面活性劑的載液，并保持低壓狀態(tài)。把能氣化分解后獲得鐵磁性金屬顆粒的有機金屬化合物作為原料，并使之氣化，與H2、N2或Ar或者它們的混合氣體混合后導入到反應容器內，在直流電場、高頻電場、微波或激光的作用下產生低溫等離子體。在該

10、等離子體的作用下使氣化的有機金屬化合物分解生成金屬原子或者金屬原子團，它們在向容器底部流動的過程中碰撞長大成納米級金屬顆粒，經攪拌后，這些金屬顆粒被表面活性劑包覆后分散在載液中成為金屬磁性液體。該法制備的磁性顆粒粒徑分布較寬，制備裝置復雜 蒸發(fā)冷凝法在旋轉的真空滾筒的底部放入含有表面活性劑的載液，隨著滾筒的旋轉，在其內表面上形成一液體膜。將置于滾筒中心部位的鐵磁性金屬加入，使之蒸發(fā)。冷凝后的粒徑在210nm的鐵磁性顆粒被液體膜捕捉，隨著滾筒的旋轉進入載液內。滾筒繼續(xù)旋轉，由底部提供新的液體膜，如此反復制備成金屬磁性液體 氮化鐵磁性液體的制備方法氮化鐵具有高飽和磁化強度、高矯頑力以及比金屬磁粉更

11、好的穩(wěn)定性。利用納米級-Fe3N顆粒制備的氮化鐵磁性液體不但具有優(yōu)良的磁性能，而且還具有穩(wěn)定的化學性能。 熱分解法55Fe COFeCO33FeNHNH 催化33FeNFe N與金屬磁液制備工藝相似該方法可以制備高飽和磁化強度的磁性液體。氮化鐵磁性液體的制備方法該方法是從作為電極的導氣管往旋轉反應容器內導入由N2、Ar、Fe(CO)5蒸氣組成的混合氣體。往電極加高頻電壓（13.56MHz）產生等離子，使Fe(CO)5分解生成納米級氮化鐵顆粒。這些顆粒被容器內表面上的液體膜捕捉并均勻分散到容器底部的載液中，形成含有氮化鐵顆粒的磁性液體。 等離子CVD法 7.1.6 磁性液體的應用磁性液體在應用上

12、的工作原理如下： a通過磁場檢測或利用磁性液體的物性變化；b隨著不同磁場或分布的形成，把一定量的磁性液體保持在任意位置或者使物體懸浮；c通過磁場控制磁性液體的運動。由于各工作原理相互關聯，所以應用時往往綜合應用上述工作原理。 磁性液體的基本工作原理和應用范圍 基本工作原理被利用的性質功能應用物性變化磁性由溫度引起的磁變化溫度的計量和控制確認位置液面計；測厚儀頁面變形水平儀；電流表內壓變化壓力傳感器；流量傳感器磁光效應光變化磁力傳感器；光學快門（相機）保持作用磁力密封軸、管密封；壓力傳感器可視化法磁疇檢測；磁盤、磁帶檢測；探傷熱傳導散熱揚聲器；驅動器粘性、磁力潤滑軸承阻尼旋轉阻尼；阻尼測量器；揚聲器負載保持加速度計；阻尼器；研磨；比重計；選礦；軸承等流體運動磁力、流動性制導油水分離；造影劑；治癌劑磁力流體驅動泵；液壓變速裝置液滴變形傳感器；傳動器磁力、熱傳導熱交換能量變換；熱泵；熱導管；變壓器；磁制冷；MHD發(fā)電流動性位置控制顯示器薄膜變形界面層控制裝置磁液密封特點