第7章1磁性液體

1、7.1磁性液體本節(jié)講述的主要內(nèi)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(yīng)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(huì)出現(xiàn)凝聚和沉淀現(xiàn)象既具有固體的磁性，又具有液體的流動(dòng)性磁性微粒為單疇或近單疇，產(chǎn)生自發(fā)磁化磁性微粒在基液中作布朗運(yùn)動(dòng)，故磁液顯示超順磁性磁化時(shí)，磁化-退磁-磁化過(guò)程曲線顯示 “S”型磁性液體(Magnetic Liquids)是由納米級(jí)的磁性顆粒，通過(guò)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(xì)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(jī)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(jié)構(gòu)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(xué)特性3流體力學(xué)特性（1）磁化特性；（2）熱效應(yīng)（3）聲學(xué)特性（4）光學(xué)特性（5）粘度特性（6）磁性液體的密度（7）界面現(xiàn)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(xué)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(wú)磁場(chǎng)時(shí)，磁液顯示超順磁性；有磁場(chǎng)時(shí)，磁性顆粒同向排列，磁液顯示磁性磁化曲線：無(wú)剩磁、無(wú)矯頑力聲、光特性聲學(xué)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(chǎng)強(qiáng)度有關(guān),且在外磁場(chǎng)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(xué)特性：在磁場(chǎng)作用下，磁液中的磁性微粒有序排列。光線通過(guò)幾十微米厚的磁性液體薄膜，產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。盡管磁液是黑色的，但光線卻可以通過(guò)粘度、密度特性在外加磁場(chǎng)作用下，磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)榇乓簤簭?qiáng)增大，結(jié)果使原來(lái)沉浸在磁液中的高密度非磁性物體“漂浮”起來(lái)。20124HPVghMdHC密度特性粘度特性粘度是指液體流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的內(nèi)摩擦力

4、外加磁場(chǎng)使磁性粒子取向排列，從而增加磁液流動(dòng)的阻力，導(dǎo)致粘度增大界面特性磁性液體的表面在外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生變形。當(dāng)外加磁場(chǎng)垂直于磁性液體的表面時(shí)，磁性液體的表面出現(xiàn)無(wú)數(shù)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(shí)，磁場(chǎng)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(dòng)能克服磁性引力。磁性粒子靠近時(shí)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(zhì)的磁性流體為例，設(shè)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(diǎn)間的距離極化系數(shù)普朗克常數(shù) 電荷分布的特征振動(dòng)頻率 磁力場(chǎng)及梯度磁場(chǎng)對(duì)磁液的影響重力場(chǎng)使磁性流體中的顆粒產(chǎn)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(kuò)散因此，磁性顆粒處于重力和擴(kuò)散力的動(dòng)態(tài)平衡中推導(dǎo)出磁性粒子濃度梯度為：3/6cdndg nkTdZ同理，在梯度為 dH/dZ的磁場(chǎng)中，濃度梯度為：3/6dndHd MnkTdZdZ磁性流體粘度與外磁場(chǎng)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(nèi)摩擦定律，它與流體中的顆粒

6、數(shù)量和外磁場(chǎng)大小及方向有密切關(guān)系；在有外加磁場(chǎng)時(shí)，磁流體的粘度可增加4倍；液體流動(dòng)方向與外加磁場(chǎng)方向平行時(shí)的粘度比垂直時(shí)大 ；從流變特性分析，磁流體的粘度，從低到高可根據(jù)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱加以控制 磁性流體密度對(duì)磁化強(qiáng)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(zhì)量的磁化強(qiáng)度可近似表示為：分散微粒的磁化強(qiáng)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(gè)負(fù)的磁能相磁能項(xiàng)與其它每一項(xiàng)組合，都會(huì)產(chǎn)生新的流體現(xiàn)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(jí)的鐵氧體顆粒（Fe3O4、-Fe2O3）磁性顆粒：納米級(jí)的金屬顆粒（Fe、Co、Ni或Fe-Ni、Fe-Co-Ni等合金）磁性顆粒：納米級(jí)的氮化鐵顆粒（-Fe3N、-Fe4N及Fe8N）7.1.5 磁性液體的制備方法二價(jià)的鐵鹽（FeCl2）溶液和三價(jià)的鐵鹽（FeCl3）溶液按一定的比例混合，加入沉淀劑（NaOH或KOH）反應(yīng)后，獲得粒度小于10nm的Fe3O4磁性顆粒，經(jīng)脫水干燥后，添加一定量的表面活性劑劑母液，充分?jǐn)嚢杌旌虾螳@得鐵氧體磁性液體。鐵氧體磁性液體的飽和磁化強(qiáng)度一般為0.05T。該方法能夠獲得粒度均勻的納米級(jí)顆粒，且成本低，適合工業(yè)化生產(chǎn)。 化學(xué)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(jī)進(jìn)行研磨，大約需要520個(gè)星期，以保證Fe3O4粒子達(dá)到膠體尺寸，直徑為2.515nm之間，然后用高速離心機(jī)除去直徑大于25nm的粗大粒子。該法雖然簡(jiǎn)單，但耗時(shí)較長(zhǎng)，效率低，費(fèi)用高，不適合大批量生產(chǎn)。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(shí)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(nèi)，經(jīng)熱分解制成納米級(jí)Fe、Co、Ni或其合金顆粒，這些顆粒經(jīng)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(jiǎn)單、能耗低，可制備高飽和磁化強(qiáng)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(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鐵氧體，利用它們制備金屬磁性液體，其飽和磁化強(qiáng)度較高，在應(yīng)用上優(yōu)于鐵氧體磁性液體。但金屬、合金以及包覆的復(fù)合納米級(jí)粉末極容易氧化是金屬磁性液體的致命缺點(diǎn)。金屬羰基化合物熱分解法等離子CVD法在反應(yīng)容器底部旋轉(zhuǎn)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(jī)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(dǎo)入到反應(yīng)容器內(nèi)，在直流電場(chǎng)、高頻電場(chǎng)、微波或激光的作用下產(chǎn)生低溫等離子體。在該

10、等離子體的作用下使氣化的有機(jī)金屬化合物分解生成金屬原子或者金屬原子團(tuán)，它們?cè)谙蛉萜鞯撞苛鲃?dòng)的過(guò)程中碰撞長(zhǎng)大成納米級(jí)金屬顆粒，經(jīng)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(fù)雜 蒸發(fā)冷凝法在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，在其內(nèi)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(zhuǎn)進(jìn)入載液內(nèi)。滾筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，由底部提供新的液體膜，如此反復(fù)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(qiáng)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(jí)-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(xué)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(qiáng)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(dǎo)氣管往旋轉(zhuǎn)反應(yīng)容器內(nèi)導(dǎo)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(chǎn)生等離子，使Fe(CO)5分解生成納米級(jí)氮化鐵顆粒。這些顆粒被容器內(nèi)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(yīng)用磁性液體在應(yīng)用上

12、的工作原理如下： a通過(guò)磁場(chǎng)檢測(cè)或利用磁性液體的物性變化；b隨著不同磁場(chǎng)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?。籧通過(guò)磁場(chǎng)控制磁性液體的運(yùn)動(dòng)。由于各工作原理相互關(guān)聯(lián)，所以應(yīng)用時(shí)往往綜合應(yīng)用上述工作原理。 磁性液體的基本工作原理和應(yīng)用范圍 基本工作原理被利用的性質(zhì)功能應(yīng)用物性變化磁性由溫度引起的磁變化溫度的計(jì)量和控制確認(rèn)位置液面計(jì)；測(cè)厚儀頁(yè)面變形水平儀；電流表內(nèi)壓變化壓力傳感器；流量傳感器磁光效應(yīng)光變化磁力傳感器；光學(xué)快門（相機(jī)）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(cè)；磁盤、磁帶檢測(cè)；探傷熱傳導(dǎo)散熱揚(yáng)聲器；驅(qū)動(dòng)器粘性、磁力潤(rùn)滑軸承阻尼旋轉(zhuǎn)阻尼；阻尼測(cè)量器；揚(yáng)聲器負(fù)載保持加速度計(jì)；阻尼器；研磨；比重計(jì)；選礦；軸承等流體運(yùn)動(dòng)磁力、流動(dòng)性制導(dǎo)油水分離；造影劑；治癌劑磁力流體驅(qū)動(dòng)泵；液壓變速裝置液滴變形傳感器；傳動(dòng)器磁力、熱傳導(dǎo)熱交換能量變換；熱泵；熱導(dǎo)管；變壓器；磁制冷；MHD發(fā)電流動(dòng)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(diǎn)