納米磁性流體在工業(yè)中的應用

納米磁性流體在工業(yè)中的應用

20世紀60年代出現了這種溫和的材料。它不同于固體材料，具有獨特的滲透性，在工業(yè)領域得到廣泛應用，促進了科學發(fā)展。1992年,諾貝爾物理學獎獲得者DeGennes受獎時的講演題目是“SoftMatter”(軟物質);1994年,英國工程物理學會將“Softsolid”(軟固體)列為研究專題1在其他方面的應用及發(fā)展磁性流體是一種新型的磁性材料,自20世紀60年代美國首先在實驗室研制成功以來,50年來發(fā)展迅速。由于磁性流體具有獨特而奇妙的特性,不僅被廣泛應用于密封、潤滑、研磨、傳感元件、揚聲器、油墨、減振器、浮選、拋光和阻尼器等機械開發(fā)方面,同時,它在熱學、光學、聲學、醫(yī)學上也有廣闊的應用前景,現已將其推廣到航空、航天、機械、電子、遙測、能源、化工、冶金、儀表、環(huán)保、醫(yī)療、衛(wèi)生等諸多領域2在其他方面的應用納米磁性流體密封經過50多年的發(fā)展,已經達到較高的技術水平,并以其獨特的密封性能被廣泛應用于工業(yè)生產中,實現了氣體密封的零泄漏、零磨損和長壽命。目前,大功率氣體激光器中鼓風機的旋轉軸密封、大型超導發(fā)電機冷卻系統(tǒng)的密封等都可以采用磁性流體密封。另外,使用磁性流體非接觸式機械密封技術生產的真空密封傳動裝置、真空密封軸承和旋轉密封管閥接頭產品,也已被應用于電子、機械及自動化設備,真空機電設備,包裝設備,電子真空加工設備,比如真空點膠機、真空鍍膜設備、半導體真空焙燒裝置以及在硅生長、目標位置電子指示器、濺射、等離子蝕劑、化學氣相淀積、離子移置技術、液晶再生過程;高強度壓力設備,比如氣泵、壓縮機、風動機、壓力機等零部件的動態(tài)密封,其在包括軸的旋轉密封和直線密封等領域已經得到了廣泛應用。此外,磁性流體密封還可用于封塵、封煙霧等,是防止污染物通過的有效屏障。例如計算機磁盤存貯器的密封可以防止研磨下的磨屑、油蒸氣和灰塵進入磁頭與磁盤之間的縫隙,從而保護磁盤和磁頭,使其正常工作;X射線管和X射線機的旋轉靶密封;單晶爐真空旋轉軸的密封;在半導體工業(yè)中各種薄膜沉積、光刻、腐蝕等裝置和半導體生產的清潔機器人連接處的密封;在紡織和機械加工中的隔絕密封;氣體激光器、真空加熱爐、電廠貯能大飛輪、超導電機的密封;船舶的螺旋推進器的密封;飛行時間質譜儀的密封;宇宙飛船上望遠鏡的軸端部的密封等。磁性流體除了用于旋轉軸密封外,還可以制成面密封、直線運動密封以及各種特殊的磁性流體機械構件從磁性流體在密封方面的應用研究來看,磁性流體密封具有傳統(tǒng)密封無法比擬的優(yōu)越性,它改變了人們的思想觀念,在密封中顯示出了獨特的優(yōu)勢,解決了無泄漏、無磨損和高速密封的問題。雖然它在密封氣體方面的應用比較成熟,但是,還存在比較多的問題,比如不能長時間穩(wěn)定地密封液體。納米磁性流體要想在密封領域向大的壓差方向發(fā)展,還需要進一步深入研究磁性流體在密封中的作用機理,研究流體力學和動力學在振動、偏心、離心力和磁力中造成的影響以及在不同磁場中磁性流體極齒齒形和氣氛(比如氣體、流體或塵埃)等條件下的優(yōu)化設計;推廣磁性流體密封在各種設備中的使用,用組合密封、壓力平衡和某些特殊處理拓寬磁性流體的應用范圍(比如線速度超過35m/s、溫度超過80℃、壓力超過2~10MPa),提高磁性流體密封各項性能指標,加強研究機構與生產企業(yè)的合作,將各種不同種類和性能的磁性流體密封用于實際工作中3在潤滑方面的應用及發(fā)展磁性流體是一種富有生命力的新型潤滑劑。在磁場的作用下,磁性流體具有良好的流變學性能和摩擦性能,在外磁場作用下可使?jié)櫥湍Σ料禂迪陆?而且由于磁性流體中的磁性顆粒很小,比一般金屬表面的磨蝕坑還小,再加上磁性顆粒受到有機分子的包復,磁性流體對物體的磨損極小。由此可以看出,磁性流體作為潤滑劑與其他潤滑劑的主要差別在于,磁性潤滑劑擁有利用外磁場在需要潤滑的部位保持潤滑劑的能力,并有著耐磨、摩擦力小的特點。其次,由于磁性流體中有固體顆粒存在,在潤滑過程中可以抵御萬有引力、加速度和向心力等。因此,磁性流體具有良好的摩擦學性能,在機械傳動中是不可多得的一種特殊潤滑材料,而且它在高溫、低溫和特殊要求的工作場合有其獨特的作用近年來,在滾動軸承、滑動軸承、巨型壓縮機、高速磨床、高速紗錠機、天文觀察裝置等機械設備上,將磁流體作為潤滑劑,對各種相互接觸的滾動、滑動表面進行潤滑,均有成功應用的實例。從磁性流體在潤滑方面的應用研究來看,除了對磁流體的潤滑理論做了大量研究以外,還設計了一系列磁流體潤滑機構,比如磁流體潤滑人工關節(jié)、充滿磁流體的滑動軸承、磁流體傳感器、使用無主動控制部件的磁性軸承飛輪裝置。經過大量的測試,分析、比較相關結果,發(fā)現磁流體滑動軸承能形成良好的全油膜潤滑4在阻尼中的應用磁性流體是具有磁性的流體,它本身具有黏滯性,而且其黏度又隨外加磁場的變化而變化,因此,可以利用黏度較大的磁性流體實現液體的阻尼,制成各種阻尼器。與一般流體能起到的減振作用相比,以此制成的阻尼器具有低頻小幅以及通過電流改變磁場達到控制黏度而實現阻尼減振的作用。也是因為有此特性,其被廣泛用于儀表、計算機及外部設備、高精度搬運系統(tǒng)、醫(yī)療機器、機器人、打印機、繪圖儀、計量表、振動隔離器的負載盤等工業(yè)中,用磁性流體阻尼裝置來消除系統(tǒng)振蕩。從阻尼的機理來看,磁性流體產生的阻尼是利用磁性流體內部的黏性剪切作用將多余的機械能轉化為熱能散失掉的原理,這與普通液體是相同的,不同之處是磁性流體流過環(huán)狀逢時因有可調磁場的作用使其黏度可變,而普通液體卻不能。在一定范圍內,由外加磁場快速無級調節(jié)、阻尼呈非線性狀態(tài)且變化是瞬時可逆的。將磁性流體作為旋轉與線性阻尼器,以阻尼不需要的系統(tǒng)振蕩模式。與一般的阻尼介質相比,將磁性流體應用于阻尼方面,優(yōu)點是可借助外磁場定位。例如,在步進馬達中使用磁性流體阻尼來消除系統(tǒng)的振蕩和共振,使馬達精確定位。另外,在防振臺中使用磁性流體阻尼,可以消除外界振動噪聲的干擾,以確保精密儀器(天平、光學設備等)能夠正常工作5在傳感器方面的應用及發(fā)展磁性流體兼具流動性與磁性的特性,非常適合作為一種靈敏的感應元件使用,它在解決各種復雜、特殊、條件惡劣環(huán)境下的檢測問題,有其他傳感器所代替不了的作用。在實際工作中,可以將磁性流體作為感應核心,通過磁性流體的磁性來感應由被測量帶來的感生電動勢差的變化,從而檢測出被測量,比如磁性流體水平傳感器、磁性流體傾角傳感器和加速度、壓差、體積、流量、磁場等的測量用傳感器。從磁性流體在傳感器方面的應用研究來看,目前,在很多場合,磁性流體在傳感器中的應用是作為輔助部分,而不是作為主要部分,未能充分發(fā)揮磁流體的獨特性,而國內外的研究主要停留在應用研究上,理論研究很少,在磁性流體傳感器的實驗設計方案、驗證手段等方面的研究也不夠系統(tǒng)和完善,與工程實際應用有較大的差距。因此,在實際工作中,還需從以下方面入手作進一步的深入研究:(1)新型磁性流體傳感器的傳感機理、建模和仿真優(yōu)化技術研究,將是未來磁性流體傳感器研究的一個重要方向。(2)充分發(fā)揮磁流體的流動性和磁性,在外磁場作用下可以改變其黏度等特點?；诖艌鲎饔孟碌拇帕黧w傳感器智能性也將是重要研究內容之一。(3)發(fā)現與利用新效應、新材料是傳感器技術發(fā)展的重要基礎,微型化、集成化、智能化和數字化是傳感器發(fā)展的新趨勢,磁流體傳感器的研究也將要順應這個趨勢而迅速發(fā)展6光學元件的表面粗糙度在生產實踐過程中,研磨是一種常用的精加工工藝,而且研磨方法也在不斷進步和更新,有超聲波拋光、磨料流噴射加工、電解研磨、化學拋光、磁性磨料研磨、液體磨料研磨等表面光整加工技術。最常用、應用最多的是機械研磨,其特點是尺寸精度、形狀精度高,表面粗糙度(Ra0.01m)好。但是,在此要求操作者要有很高的技術水平,要有豐富的操作經驗,因為加工效率低、勞動強度大、加工質量不易被控制、表面殘余應力大、表面殘留,都會影響所加工物品的表面質量。擠壓研磨是用一種含有磨料的黏彈性介質,在一定壓力下,以極低的速度通過被加工型腔,利用磨料顆粒的刮削作用進行研磨,表面粗糙度可達Ra0.025m。對磁性流體來說,當沒有外磁場作用時,磁性流體的徹體力與普通流體一樣,都是重力。此時,它的浮力僅是重力作用,而當有外磁場作用時,磁性流體除了會受到重力場產生的重力作用外,還會受到外磁場產生的磁力作用。由于磁性流體中的磁性顆粒非常小,可視為大分子,用分子電流的觀點來討論它們的磁化時,每個固相顆粒就可以用一個分子電流環(huán)來代替,所以,電流環(huán)在外磁場中受到的磁力就構成了磁性流體的磁徹體力。一旦外磁場具有所需要的強度和梯度時,它對磁性流體的作用與重力場相比,可以在數值上大很多倍。此時,磁性流體中的非磁性物質(為了研磨而滲入的金剛石或碳化物)也產生比在重力場中大許多倍的浮力,這時,可利用和控制這種浮力使這些非磁性硬粒子在高速下微切削工件表面而達到研磨的目的。所以,磁性流體研磨是一種利用磁性流體本身所具有的流動性和外加磁性來保證磨粒與工件被子加工表面間的相對運動和壓力,在外磁場作用下使磁性流體中的磁性顆粒形成磁徹體力反推磁性流體中的非磁性物質(硬磨粒和浮板),使其形成微切削外載荷而對工件實施研磨加工。磁性流體拋光是利用磁性流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,磁性流體拋光還可以用來研磨高級Si3N4陶瓷球,效率比傳統(tǒng)方法高40倍。在磁性流體拋光過程中,較大粒度的磁性流體拋光液有利于工件表面粗糙度快速降低,較小粒度的磁流體拋光液可以獲得更加光滑的光學表面,而最終加工出光學元件表面粗糙度可達到0.76nm(rms),其高頻表面粗糙度達到0.471nm(rms值),已滿足對一定短波段光學研究的要求。但是,在磁場強度和磁性流體拋光液中,磁性微粒的粒度匹配問題,以及在磁性流體拋光液中加入的非磁性拋光粉(比如氧化鈰、氧化鋁、金剛石微粉等)的化學性質、尺寸、易碎性等特性還需進一步深入研究,以獲得較為完美的光學元件超光滑拋光效果。7在不均勻磁場中的應用磁性流體作為一種新型的礦物分選介質,其密度可通過磁場無級調整,直至其高于原介質的數倍,而流動性、黏滯性卻不發(fā)生變化。利用磁性流體的表觀比例隨外磁場的變化而改變的特點,可以用來篩選比例不同的非磁性礦物。磁性流體靜力分選技術在國際上的發(fā)展極為迅速,前景也十分誘人。這種在不均勻磁場中以鐵磁性膠粒懸浮物溶液為分選介質,根據礦物之間的密度差別和比磁化系數以及導磁率的差異而使不同礦物分離的選礦方法,由于其密度可隨意提高,而動力黏度卻比較小,分選精度又高,可用于稀有貴金屬、黑色金屬、煤、非金屬等礦石的分選,在巖礦鑒定中還可代替有毒重液進行快速分析。比例差別在10%左右的礦物可用此技術較好地分離,一般采用水基磁性流體,可重復使用。針對磁性流體的分選物質原理,俄羅斯的研究人員將磁性流體用于砂金的分選,使黃金的采收率達到98%以上,而且處理時間減少了1/3;日本的日立公司(Hitachi)也成功地采用磁性流體進行寶石的萃取,萃取速度高達1000t/h。從使用的性能特點來看,用磁性流體進行礦物分選,能大大降低電能的消耗,并且水基磁性流體造價比較低,易于回收,對生態(tài)無害,在提倡節(jié)省能源保護環(huán)境的今天,磁性流體礦物分選技術是一很有應用前途的礦物分選技術。8用于特殊領域及領域的磁流變治療技術醫(yī)用磁性流體是根據其密度分選的磁性與流動性相結合的一項高新技術,1966年,它由工業(yè)應用引入醫(yī)學領域基礎實驗研究,研究發(fā)現,磁性流體能逃逸網狀內皮細胞系統(tǒng)的靶前廓清,表現出它具有優(yōu)勢的導向特點。因此,磁性流體逐漸成為矚目的、在生物體方面最有應用前途的導向研究材料之一。目前,該材料作為磁性藥載體和高純體、高純度快速細胞分離技術實驗的研究對象,因它是低毒性物質,有望用于高容量的抗癌藥固相磁載體,介入放射輔助的磁導向栓治療技術等。比如以磁性流體為母液來配制藥物,可將其作為藥物載體,用磁場將藥物運送到目標位置,可為癌癥交熱處理提供一種新方法磁性流體在生物磁學上不斷獲得新的應用,用磁性流體技術處理血液、骨髓、血栓和分離細胞,利用磁性流體分流技術可以實現生物物料提純,鑒別微量有機物細胞或基因物質,診斷和處理人的血液和骨髓疾病,比如磁性流體能用于腸中的定向運動、處理血栓、分離細胞及處理血液和骨髓;用于手術止血,人造關節(jié)等醫(yī)學領域。舉例來說,人得了胃潰瘍,服藥后藥便“散布”到整個機體內,當用無害的磁性流體作為藥劑的母液時,只需把磁鐵放到人體上,便可把藥物引到必需的部位。為了達到這一目的,可以很方便地制做磁性自硬膏。另外,采用高梯度磁分離技術從血液中成功分離出紅血球,使微細彌散的磁性顆粒懸浮液與細菌細胞相黏接,獲得比一般方法高得多的細菌鑒別靈敏度9設置油槽磁線由于以烴類作分散劑的磁性流體可與油而不與水混合,在磁性流體中加入油水混合液時,油被磁性流體吸附并停留在磁場區(qū),因此,可利用磁性流體進行油水分離。大型油輪失事造成海面嚴重污染的事故時有發(fā)生,利用此原理可以回收泄漏在海面上的油和乳膠,這對國民經濟和環(huán)境治理有很大的應用價值。例如,前蘇聯烏恰耶夫設計了一種油被磁性流體吸附并停留在磁場區(qū)的方法,它是在油輪上設置幾個盛裝親油磁性流體的槽,槽與油槽用管子相聯,管子與油槽相接的一端裝有噴嘴,船壁裝有幾個電磁鐵,電磁鐵可由船上發(fā)電機供電而使船體某部分磁化。一旦傳感器發(fā)出油槽漏油信號,鐵磁信號便通過噴嘴噴入油槽并迅速與石油混合,從而使油體帶有磁性。與此同時,電磁鐵通電,把油槽里的“混合油”和油槽金屬壁“束縛”在電磁鐵所產生的強磁場之中。這樣至少可以大大減緩石油外漏的速度,便于堵塞油槽裂口,