1、第五章第五章 磁性液體磁性液體*定義：定義：磁磁性性液體，又液體，又稱稱磁流體、鐵磁性流體、磁性磁流體、鐵磁性流體、磁性膠體膠體。它是它是由由納米級納米級(10nm)的磁性顆粒的磁性顆粒，通過界面活性劑高度地通過界面活性劑高度地分散、懸浮在載液中，形成穩(wěn)定的分散、懸浮在載液中，形成穩(wěn)定的膠膠體體系。體體系。5.1 磁性液體的基本概念磁性液體的基本概念*發(fā)展史：發(fā)展史：*最早的磁性液體最早的磁性液體(磁性膠體磁性膠體)是是Bredig于于1898年通過電化學(xué)年通過電化學(xué)反應(yīng)方法制備。反應(yīng)方法制備。Ostwald等人也制取了具有一定磁性能的膠體，但獲得的磁等人也制取了具有一定磁性能的膠體，但獲得的

2、磁性膠體極不穩(wěn)定，很難獲得應(yīng)用。性膠體極不穩(wěn)定，很難獲得應(yīng)用。*特點特點：超順磁性、超順磁性、液體的流動性液體的流動性*1965年，為解決宇航服頭盔轉(zhuǎn)動密封問題，年，為解決宇航服頭盔轉(zhuǎn)動密封問題，Pappel將磁鐵將磁鐵礦粉、界面活性劑礦粉、界面活性劑(油酸油酸)和潤滑油混合在一起，在球磨機和潤滑油混合在一起，在球磨機中球磨，再利用離心方法去掉大顆粒而研制成功中球磨，再利用離心方法去掉大顆粒而研制成功。*1977年第一屆國際磁性液體會議召開。年第一屆國際磁性液體會議召開。*磁性液體的組成：磁性液體的組成：三個要素：基液或載液、納米級磁性固體顆粒、界面活性三個要素：基液或載液、納米級磁性固體顆粒

3、、界面活性劑劑(表面活性劑或分散劑表面活性劑或分散劑)。*按磁性顆粒的種類進行分類：按磁性顆粒的種類進行分類：1、60年代初，第一代鐵氧體磁性液體問世，解決了有無年代初，第一代鐵氧體磁性液體問世，解決了有無問題；問題；2、80年代第二代金屬磁性液體出現(xiàn)，提高了磁性能；年代第二代金屬磁性液體出現(xiàn)，提高了磁性能；3、90年代日本研制出第三代氮化鐵磁性液體，既具有良年代日本研制出第三代氮化鐵磁性液體，既具有良好的抗腐蝕性能又具有較高的磁性能。好的抗腐蝕性能又具有較高的磁性能。5.2 磁性液體的分類磁性液體的分類5.3 磁性液體的基本特性磁性液體的基本特性一、物理特性一、物理特性1、磁化特性：超順磁性

4、、磁化特性：超順磁性2、熱效應(yīng)：溫度梯度磁場、熱效應(yīng)：溫度梯度磁場MS梯度梯度壓力梯度壓力梯度磁液流動磁液流動3、聲學(xué)特性：、聲學(xué)特性：超聲波在磁液中的傳播速度及衰減量與外加超聲波在磁液中的傳播速度及衰減量與外加磁場強度有關(guān)，且在外場作用下方向發(fā)生變化，超聲波在磁場強度有關(guān)，且在外場作用下方向發(fā)生變化，超聲波在磁液中的傳播顯示各向異性。磁液中的傳播顯示各向異性。4、光學(xué)特性：、光學(xué)特性：磁液在磁場中的表現(xiàn)像一個單晶體，在光的磁液在磁場中的表現(xiàn)像一個單晶體，在光的作用下產(chǎn)生雙折射。作用下產(chǎn)生雙折射。5、粘度特性：主要取決于基液粘度，也與磁性顆粒的含量、粘度特性：主要取決于基液粘度，也與磁性顆粒的

5、含量及外場有關(guān)。無外場時，且磁液濃度較低時，磁液呈牛頓及外場有關(guān)。無外場時，且磁液濃度較低時，磁液呈牛頓流體特性；當(dāng)施加靜態(tài)的強場時，磁液的粘度增加，呈現(xiàn)流體特性；當(dāng)施加靜態(tài)的強場時，磁液的粘度增加，呈現(xiàn)非牛頓流體特性。另外溫度升高，其粘度將會減小。非牛頓流體特性。另外溫度升高，其粘度將會減小。6、磁液的密度：、磁液的密度：在載液和表面活性劑固定的情況下，磁液在載液和表面活性劑固定的情況下，磁液的密度主要取決于納米級磁性顆粒的含量。的密度主要取決于納米級磁性顆粒的含量。7、界面現(xiàn)象：、界面現(xiàn)象：在垂直于磁液界面的方向施加磁場，靜磁能在垂直于磁液界面的方向施加磁場，靜磁能有使界面擴張的作用，使表

6、面張力減小。若外場較大，擴有使界面擴張的作用，使表面張力減小。若外場較大，擴張作用大于表面張力，磁液表面出現(xiàn)無數(shù)的張作用大于表面張力，磁液表面出現(xiàn)無數(shù)的“針形磁花針形磁花”。“針形磁花針形磁花”的方向與磁力線的方向相同。的方向與磁力線的方向相同。二、化學(xué)特性二、化學(xué)特性1、穩(wěn)定性：在強磁場和重力長時間作用下不分層，磁性顆、穩(wěn)定性：在強磁場和重力長時間作用下不分層，磁性顆粒不析出、不團聚。粒不析出、不團聚。2、抗氧化特性：主要指磁性顆粒的抗氧化性，對于金屬磁、抗氧化特性：主要指磁性顆粒的抗氧化性，對于金屬磁液更為重要。液更為重要。3、界面活性劑與母液及磁性顆粒的化學(xué)匹配特性：、界面活性劑與母液及

7、磁性顆粒的化學(xué)匹配特性：界面活性劑的親液基必須與基液的分子機構(gòu)或理化特性相界面活性劑的親液基必須與基液的分子機構(gòu)或理化特性相近似，才能和基液互溶。界面活性劑的憎液基與磁性顆粒近似，才能和基液互溶。界面活性劑的憎液基與磁性顆粒結(jié)合，形成穩(wěn)定的膠體體系。結(jié)合，形成穩(wěn)定的膠體體系。4、蒸發(fā)特性：為獲得長壽命的磁液，要選擇蒸發(fā)率低、蒸、蒸發(fā)特性：為獲得長壽命的磁液，要選擇蒸發(fā)率低、蒸氣壓小的基液和表面活性劑。氣壓小的基液和表面活性劑。三、流體力學(xué)特性三、流體力學(xué)特性*修正的伯努利方程修正的伯努利方程5.4 磁性液體的穩(wěn)定性磁性液體的穩(wěn)定性一、粒子間的磁力吸引一、粒子間的磁力吸引*磁性微粒之所以能在基液

8、中穩(wěn)定地懸浮，是因為磁性粒子磁性微粒之所以能在基液中穩(wěn)定地懸浮，是因為磁性粒子很小，分子的熱運動足以克服粒子間相互聚集的磁性引力。很小，分子的熱運動足以克服粒子間相互聚集的磁性引力。*兩個磁性粒子間的磁力吸引位能：兩個磁性粒子間的磁力吸引位能：*r為粒子半徑，為粒子半徑，R為粒子間的中心距離，為粒子間的中心距離，h=(R-2r)/r為粒子為粒子表面距離與粒子半徑之比。表面距離與粒子半徑之比。*為達到分散穩(wěn)定效果，需滿足：為達到分散穩(wěn)定效果，需滿足：*由上式求出穩(wěn)定的磁性粒子的粒徑上限。表面活性劑使得由上式求出穩(wěn)定的磁性粒子的粒徑上限。表面活性劑使得磁粉粒徑的允許值擴大了。磁粉粒徑的允許值擴大了

9、。二、范德瓦耳斯引力二、范德瓦耳斯引力*范德瓦范德瓦耳斯引力是分子間瞬間電偶極矩的相互作用力，耳斯引力是分子間瞬間電偶極矩的相互作用力，它它是粒子間普遍存在的短程相互作用力，隨著分子是粒子間普遍存在的短程相互作用力，隨著分子間距離加間距離加大，便迅速地減弱。大，便迅速地減弱。 范德瓦范德瓦耳斯引力能為：耳斯引力能為：61RE * R為粒子間的中心距離。為粒子間的中心距離。* 當(dāng)顆粒緊密接觸時，對很小的顆粒，范氏力無法用熱運動當(dāng)顆粒緊密接觸時，對很小的顆粒，范氏力無法用熱運動來克服，易造成顆粒團聚。同樣表面活性劑的加入會削弱來克服，易造成顆粒團聚。同樣表面活性劑的加入會削弱范氏力。范氏力。三、重

10、力場及梯度磁場的影響三、重力場及梯度磁場的影響*在重力場在重力場中微粒的空間分布將處于中微粒的空間分布將處于重力重力與擴散力動態(tài)平衡與擴散力動態(tài)平衡之中之中。在重力場中膠體溶液中粒子濃度梯度為：在重力場中膠體溶液中粒子濃度梯度為：*n為為高度高度Z處單位體積內(nèi)的膠處單位體積內(nèi)的膠粒數(shù)，粒數(shù)，d為膠粒直徑，為膠粒直徑， 為為膠膠粒密度，粒密度， c 為為基液密度基液密度。*在梯度磁場中時有：在梯度磁場中時有：*若此時磁性流體中有非磁性體存在，就會受到指向低磁場若此時磁性流體中有非磁性體存在，就會受到指向低磁場方向的浮力。方向的浮力。*V為非磁性體體積，為非磁性體體積， 為非磁性體密度，為非磁性體

11、密度， H為磁場梯度，為磁場梯度， 為磁流體的密度為磁流體的密度， 為磁流體的平均磁化強為磁流體的平均磁化強度。度。M四、磁性流體粘度與外磁場的相互作用四、磁性流體粘度與外磁場的相互作用*實驗證明，有外場時磁流體的粘度增加，且液體流動方向?qū)嶒炞C明，有外場時磁流體的粘度增加，且液體流動方向與外場平行時的粘度比垂直時大。與外場平行時的粘度比垂直時大。原因：無磁場時，懸浮粒子的運動方向與磁性流體流動方原因：無磁場時，懸浮粒子的運動方向與磁性流體流動方向一致，加磁場時，磁粒子便向磁力線方向運動。磁粒子向一致，加磁場時，磁粒子便向磁力線方向運動。磁粒子的這種運動會增大對流體流動的阻力，從而導(dǎo)致粘度增大。

12、的這種運動會增大對流體流動的阻力，從而導(dǎo)致粘度增大。五、磁性流體密度對磁化強度的影響五、磁性流體密度對磁化強度的影響*單位質(zhì)量磁流體的磁化強度：單位質(zhì)量磁流體的磁化強度： 為流體密度，為流體密度， 1為溶劑密度，為溶劑密度， 2為微粒密度為微粒密度， s為微粒的磁為微粒的磁化強度化強度六、超順磁性粒子的磁化過程服從朗之萬函數(shù)六、超順磁性粒子的磁化過程服從朗之萬函數(shù)*鐵磁單疇顆粒在磁場中的位能：鐵磁單疇顆粒在磁場中的位能：EH = -VMSHcos 其中其中 角按波耳茲曼分布角按波耳茲曼分布*當(dāng)當(dāng) 1(強磁場強磁場)時，時，七、磁性流體遵從修正的伯努利方程七、磁性流體遵從修正的伯努利方程*磁性流

13、體在磁場中增加了一項與磁化強度、磁場有關(guān)的靜磁性流體在磁場中增加了一項與磁化強度、磁場有關(guān)的靜壓力，從而使壓力變大。把一個比重大于磁性流體的非磁壓力，從而使壓力變大。把一個比重大于磁性流體的非磁性物體放在磁性流體內(nèi)，當(dāng)把它們放進磁場時，原先沉在性物體放在磁性流體內(nèi)，當(dāng)把它們放進磁場時，原先沉在底部的物體會底部的物體會“漂浮漂浮”到表面上來。到表面上來。*上述相互作用與影響，導(dǎo)致磁性微粒存在著永久性的聚集上述相互作用與影響，導(dǎo)致磁性微粒存在著永久性的聚集作用，在實際應(yīng)用中很難制成長期穩(wěn)定的磁性流體。作用，在實際應(yīng)用中很難制成長期穩(wěn)定的磁性流體。5.5 磁性液體的制備方法磁性液體的制備方法1、化學(xué)

14、共沉降法、化學(xué)共沉降法FeCl2+FeCl3+沉淀劑沉淀劑(NaOH或或KOH)小于小于10nm的的Fe3O4磁磁性顆粒性顆粒經(jīng)脫水干燥后添加一定的表面活性劑和母液，充經(jīng)脫水干燥后添加一定的表面活性劑和母液，充分攪拌后獲得磁液分攪拌后獲得磁液*優(yōu)點：粒度均勻、成本低、適合工業(yè)化生產(chǎn)優(yōu)點：粒度均勻、成本低、適合工業(yè)化生產(chǎn)一、鐵氧體磁性液體的制備方法一、鐵氧體磁性液體的制備方法2、機械研磨法、機械研磨法*以球磨法為例：以球磨法為例：Fe3O4粉末粉末+煤油煤油+油酸油酸球磨球磨520個星期個星期高速離心機去除高速離心機去除粗大粒子后得到磁液粗大粒子后得到磁液*優(yōu)點：方法簡單優(yōu)點：方法簡單*缺點：耗

15、時長適合，效率低，費用高，不適合大批量生產(chǎn)。缺點：耗時長適合，效率低，費用高，不適合大批量生產(chǎn)。二、金屬磁性液體的制備方法二、金屬磁性液體的制備方法1、金屬羰基化合物熱分解法、金屬羰基化合物熱分解法（工藝簡單、能耗低）（工藝簡單、能耗低）*含表面活性劑的載液含表面活性劑的載液中添加羰基金屬化合物中添加羰基金屬化合物Fe(CO)5、Co2(CO)8、Ni(CO)4或它們的混合或它們的混合物物，置于帶有加熱裝置的密閉，置于帶有加熱裝置的密閉容器內(nèi)，經(jīng)熱分解制成納米級容器內(nèi)，經(jīng)熱分解制成納米級Fe、Co、Ni或其合金顆粒，顆粒或其合金顆粒，顆粒經(jīng)表面活性劑包覆后均勻、穩(wěn)定地分散在載液中成為金屬磁經(jīng)表

16、面活性劑包覆后均勻、穩(wěn)定地分散在載液中成為金屬磁液。液。*優(yōu)點：飽和磁化強度較高優(yōu)點：飽和磁化強度較高*缺點：極容易氧化缺點：極容易氧化2、等離子、等離子CVD法法*在反應(yīng)容器底部溶入在反應(yīng)容器底部溶入含表面活性劑的載液，將有機金屬化合物含表面活性劑的載液，將有機金屬化合物氣化，與氣化，與H2、N2或或Ar或它們的混合氣體混合后導(dǎo)入到反應(yīng)容器或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、高頻電場、微波或激光的作內(nèi)，在直流電場、高頻電場、微波或激光的作用下產(chǎn)生低溫等用下產(chǎn)生低溫等離子體，使氣化的有機金屬化合物分解生成金屬原子或原子團，離子體，使氣化的有機金屬化合物分解生成金屬原子或原子團，

17、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，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(jīng)攪拌后，顆粒被表面活性劑包覆并分散在載液中成為金屬磁經(jīng)攪拌后，顆粒被表面活性劑包覆并分散在載液中成為金屬磁性液體。性液體。3、蒸發(fā)冷凝法、蒸發(fā)冷凝法*在旋轉(zhuǎn)的真空滾筒底部放入含表面活性劑的載液，隨滾筒旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的真空滾筒底部放入含表面活性劑的載液，隨滾筒旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)表面上形成液體膜其內(nèi)表面上形成液體膜。使置于滾筒中心部位的鐵磁性金屬蒸使置于滾筒中心部位的鐵磁性金屬蒸發(fā)。冷凝后的粒徑在發(fā)。冷凝后的粒徑在2-10nm的顆粒被液體膜捕捉，隨著滾筒的的顆粒被液體膜捕捉，隨著滾筒的旋轉(zhuǎn)進入載液內(nèi)

18、。滾筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)進入載液內(nèi)。滾筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，由底部提供新的由底部提供新的液體膜，如液體膜，如此反復(fù)制備成此反復(fù)制備成金屬磁液。金屬磁液。*其它方法：電解沉積法、氣相還原法、水溶液還原法其它方法：電解沉積法、氣相還原法、水溶液還原法三、氮化鐵磁性液體的制備方法三、氮化鐵磁性液體的制備方法*優(yōu)點：高飽和磁化強度、穩(wěn)定的化學(xué)性能優(yōu)點：高飽和磁化強度、穩(wěn)定的化學(xué)性能1、熱分解法、熱分解法2、等離子、等離子CVD法法*從作為電極的導(dǎo)氣管往旋轉(zhuǎn)反應(yīng)容器內(nèi)導(dǎo)入出從作為電極的導(dǎo)氣管往旋轉(zhuǎn)反應(yīng)容器內(nèi)導(dǎo)入出N2、Ar、Fe(CO)5蒸氣組成的混合氣體。往電極加高頻電壓產(chǎn)生等離蒸氣組成的混合氣體。往電極加高頻電壓

19、產(chǎn)生等離子，使子，使Fe(CO)5分解生成納米級氮化鐵顆粒。這些顆粒被容分解生成納米級氮化鐵顆粒。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，中，形成含有氮化鐵顆粒的磁性液體。形成含有氮化鐵顆粒的磁性液體。5.6 磁性液體的應(yīng)用磁性液體的應(yīng)用磁性液體在應(yīng)用上的工作原理：磁性液體在應(yīng)用上的工作原理：(1)通過磁場檢測或利用磁性液體的物性變化；通過磁場檢測或利用磁性液體的物性變化；(2)隨著不同磁場或分布的形成，把一定量的磁性液體保持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；在任意位置或者使物體懸浮

20、；(3)通過磁場控制磁性液體的運動。通過磁場控制磁性液體的運動。一、磁液密封一、磁液密封*磁液密封的特點：磁液密封的特點：（1）可以封氣、封水、封油、封塵、封煙霧等；）可以封氣、封水、封油、封塵、封煙霧等；（2）無泄漏；）無泄漏；（3）軸的旋轉(zhuǎn)速度從靜止到低速、高速，都具有相同的密）軸的旋轉(zhuǎn)速度從靜止到低速、高速，都具有相同的密封效果；封效果；（4）無摩擦、磨損等問題，對軸的跳動、偏心和表面光潔）無摩擦、磨損等問題，對軸的跳動、偏心和表面光潔度要求不嚴，壽命長；度要求不嚴，壽命長；（5）磁液密封無方向性，瞬間過壓，在壓力回復(fù)時，磁液）磁液密封無方向性，瞬間過壓，在壓力回復(fù)時，磁液可自動復(fù)位；可

21、自動復(fù)位；（6）系統(tǒng)簡單，密封的同時又有潤滑作用；）系統(tǒng)簡單，密封的同時又有潤滑作用；（7）磁液泄漏損失極小，經(jīng)久耐用。）磁液泄漏損失極小，經(jīng)久耐用。*磁液密封的適用范圍磁液密封的適用范圍:（1）被密封介質(zhì)應(yīng)是氣、液態(tài)或粉塵等。若介質(zhì)為固態(tài)或）被密封介質(zhì)應(yīng)是氣、液態(tài)或粉塵等。若介質(zhì)為固態(tài)或固液混合態(tài)，均會破壞固液混合態(tài)，均會破壞O形環(huán)，使密封失效。形環(huán)，使密封失效。（2）磁液的工作溫度范圍以）磁液的工作溫度范圍以-20120為宜。溫度過低，為宜。溫度過低，磁液可能凝固；溫度太高，磁性減弱甚至于消失，磁液迅磁液可能凝固；溫度太高，磁性減弱甚至于消失，磁液迅速揮發(fā)，破壞其穩(wěn)定性。速揮發(fā)，破壞其穩(wěn)定

22、性。二、磁性液體研磨二、磁性液體研磨*用于精細加工，特別是超硬材料的精細加工。方法是在水用于精細加工，特別是超硬材料的精細加工。方法是在水或者油基磁液中混入粒度為數(shù)微米到數(shù)百微米的磨料，通或者油基磁液中混入粒度為數(shù)微米到數(shù)百微米的磨料，通過磁力作用使磨料強制研磨加工件的表面。由于加工件在過磁力作用使磨料強制研磨加工件的表面。由于加工件在研磨過程中自身可以旋轉(zhuǎn)，不管加工面是平面還是曲面均研磨過程中自身可以旋轉(zhuǎn)，不管加工面是平面還是曲面均能同時研磨。與通常的加工法相比，其效率提高能同時研磨。與通常的加工法相比，其效率提高15倍。倍。三、磁性液體在揚聲器上的應(yīng)用三、磁性液體在揚聲器上的應(yīng)用*為滿足音

23、響系統(tǒng)高水平的需要，要求提高揚聲器的動態(tài)范為滿足音響系統(tǒng)高水平的需要，要求提高揚聲器的動態(tài)范圍和最大聲壓水平，為此必須提高揚聲器的輸入功率。但圍和最大聲壓水平，為此必須提高揚聲器的輸入功率。但會造成音圈的溫度上升，當(dāng)超過允許值時音圈產(chǎn)生熱破壞。會造成音圈的溫度上升，當(dāng)超過允許值時音圈產(chǎn)生熱破壞。*解決方法：在揚聲器空氣隙內(nèi)的音圈周圍注入磁性液體。解決方法：在揚聲器空氣隙內(nèi)的音圈周圍注入磁性液體。 作用：作用：(1)改善音圈散熱條件，提高揚聲器承受功率；改善音圈散熱條件，提高揚聲器承受功率；(2)改改善頻率響應(yīng)，減少失真；善頻率響應(yīng)，減少失真；(3)提高磁通密度，增加靈敏度，提高磁通密度，增加靈敏度，減少磁鐵尺寸。減少磁鐵尺寸。四、磁性液體在潛艇推進器上的應(yīng)用四、磁性液體在潛艇推進器上的應(yīng)用*螺旋槳是潛艇噪聲中最主要的噪聲源，用磁性液體推進器螺旋槳是潛艇噪聲中最主要的噪聲源，用磁性液體推進器代替螺旋槳推進器能大幅度降低潛艇噪聲。代替螺旋槳推進器能大幅度降低潛艇噪聲。1、推進器外套由鈦合金制成，內(nèi)壁裝有具有高彈件及高韌、推進器外套由鈦合金制成，內(nèi)壁裝有具有高彈件及高韌性的橡膠套，在橡膠套內(nèi)充有高飽和磁化強度的磁液，在