磁流体技术及应用的发展现状与未来-翁兴园

翁兴园(中国西南应用磁学研究所　绵阳　621000)　　　　介绍了国内外磁流体技术及应用开发现状,展望了未来发展。　磁流体　制备技术　应用开发　现状PresentEvolutionStatusandFutureoftheTechniquesandApplicationsofMagneticFluidWengXingyuanSouthwestInstituteofAppliedMagnetics,Mianyang621000　　ABSTRACT　Thetechniquesandapplicationsofmagneticfluidatthepre-sentdaywereintroduced,andoutlookoffutureevolutionorientationofmagneticfluidisgiven.KEYWORDS　magneticfluid,preparingtechniques,applicationanddevel-opment,presentstatus1　磁流体即磁性液体(MagneticLiquid),也称磁性流体(MagneticFluid)或磁性胶体(MagneticColloid),简称磁液。磁流体是铁磁性或超顺磁性微细颗粒,借助于表面活性剂稳定地分散于载液的胶体溶液或悬浊液,是一种新型的重要的液体功能材料,具有很特殊的理化性质。自从四十年代被人们发现以来,经过数十年的研究开发,获得了广泛应用,其应用范围已扩展到航空航天、电子、化工、机械、能源、冶金、仪表、环保、医疗等各个领域。目前,美国、日本、英国等国均已进入工业化生产阶段,我国一些单位在其应用研究方面也取得了可喜成绩,如中国西南应用磁学研究所、南京大学、北京理工大学、北京航空航天大学、北方交通大学、四川师范大学、沈阳铸造研究所、南方冶金学院等。随着研究开发的深入,其应用领域也不断拓展。本文系统介绍了当今磁流体技术及应用开发现状,展望了磁流体的未来发展。2　2.1　磁流体不仅具有固体的磁性,而且兼有液体的流动性。由于通过分散剂而均匀分散在载液中的超微磁粒小到亚畴状态,其磁化矢量自发磁化至饱和,但因粒子微小及涂敷界面活性剂后克服了范德瓦尔斯力,从而使其悬浮在载液中呈布朗运动,故粒子磁矩呈·35·第29卷第6期磁性材料及器件:1998928任意取向,与顺磁体的状态相同,即超顺磁性,其磁化强度随磁场强度的增大而上升,甚至在高磁场情况下也很难趋于饱和,并无磁滞现象,矫顽力和剩磁均为零。流动的磁液在磁场作用下具有一些独特的性能,这种性能也是作为工业原料使用的一种基本属性。磁流体的性能是由超微磁性粒子的种类和数量决定的,与固体磁体不同,不是百分之百的磁性体,通常磁化强度较小。磁流体的性能还取决于作为载液的溶媒种类和特性,如沸点、着火点、凝固点和蒸汽压等物理性能,直接取决于载液特性;而比重、粘度和使用温度等也间接决定于载液特性。磁性微粒既可以是磁铁矿,又可是各类铁氧体或其它磁性体,由此又决定了磁流体的颜色和居里温度点等参数。超声波在磁流体中传播时,其速度和衰减均与外磁场有关,并呈现出各向异性;当光通过稀释的磁流体或其薄层时,会产生双折射或双向色性现象,磁流体流向与外磁场方向平行时的粘度要比垂直方向的粘度大;在交变磁场中,其磁导率不但具有频散现象,而且还有磁粘滞性现象。磁流体的性能参数主要是磁化强度、粘度和使用温度范围等,在一些场合还有蒸汽压及其它理化参数。2.2　磁流体的种能较多,可按超微磁性粒子种类、载液类型等方法划分,通常按磁流体中超微磁性粒子类型进行科学分类。2.2.1　按超微磁粒类型分类磁流体(1)铁酸盐系这类磁流体的超微粒子是铁酸盐系列,如Fe3O4、γ-Fe2O3、MeFe2O4(Me=Co、Ni)等。(2)金属系这类磁流体超微粒子选用Ni、Co、Fe等金属微粒及其合金(如Fe-Co、Ni-Fe)。(3)氮化铁系这类磁流体超微粒子选用氮化铁,因其磁性较强,故可获较高饱和磁化强度。2.2.2　按载液种类分类磁流体根据载液种类可分为:①水;②有机溶剂(庚烷、二甲苯、甲苯、丁酮);③碳氢化合物(合成剂、石油);④合成酯;⑤聚二醇;⑥聚苯醚;⑦氟聚醚;⑧硅碳氢化物;⑨卤化烃;10苯乙烯等类磁流体。3　制备磁流体的方法有很多,如机械研磨、热分解、解胶法、水溶液吸附——有机相分散法[1]、更选母液球磨法、电解法、真空蒸镀法、等离子体法、气相液相反应法等。3.1　这种方法由Papell首先提出,是最初制备磁流体的方法之一,其原理是将粉碎得到的磁性粒子(Fe3O4)和表面活性剂添加到载液中,在球磨机中经过长时间(1000小时左右)球磨,其中部分微粒稳定地分散在载液中,再在高速离心机中处理几十分钟,除去直径大于2.5×10-8m的粒子,得到磁流体。该法简单,但材料利用率低,球磨罐及球的磨损严重,杂质较多,成本昂贵,还不能得到高浓度的磁流体,因而不太实用。3.2　在载液中加入表面活性剂和金属羰基化合物(如Ni、Co、Fe、Fe-Co、Ni-Fe)进行回流,羰基化合物便分解生成磁性超微金属粒子,吸附表面活性剂后分散到载液里形成金属磁流体。该法会产生污染环境的CO气体,不适宜规模生产。3.3　其原理是在溶液中所生成的沉淀物因添加第三种成份而溶解成胶态溶液,再加入油酸盐进行吸附,然后加入酸性溶液,使其凝聚,将其分离后与载液机械混合即可制得·36·JMagnMaterDevicesVol29No6磁流体。如将可溶的亚铁盐和铁盐(Fe2+和Fe3+)按比生成Fe3O4理论量(摩尔比12)更小的比例混合后,加入碱性沉淀剂,合成Fe3O4超微粒子,然后将Fe3O4粒子加入到含有表面活性剂(油酸)的载液中煮沸;分离后即得到磁流体。该法速度快,回收率高,效果也好,可以通过改变工艺条件来调整Fe3O4的粒度及其分布,也可控制表面活性剂包覆Fe3O4微粒的条件,从而获得优良的磁流体,是目前制备磁流体用的较多的一种方法,唯一需注意的是制备工艺过程中需随时观察pH值变化情况。3.4　——在水溶液中制备的磁流体称为水基磁流体,其优点是价格便宜,但容易凝聚。若将铁盐和亚铁盐(如FeSO4和Fe2(SO4)3)混合生成部分Fe3O4微粒,再加入过量表面活性剂油酸钠,加热后一部分水解成油酸,在Fe3O4表面形成油酸双分子吸附层而分散于水溶液中,然后进行酸化,使Fe3O4表面的双分子吸附层变为单分子吸附层,从水溶液分离沉淀,最后进行清洗,除去钠盐后,将其适当地分散在溶剂中,制得磁流体;或直接采用Fe3O4超微粒子,表面活性剂用油酸,则开始时油酸从单分子层吸附于Fe3O4表面,油酸中的亲水基吸附于磁性微粒,疏水基疏远磁性微粒,形成单分子层的化学吸附。当油酸浓度增加时,形成双分子层的物理吸附。在单分子层吸附时,水中的Fe3O4晶体凝聚;双分子吸附时,水中的Fe3O4晶粒分散,这是因为前者疏水基向外,后者亲水基向外的原因,从而形成稳定的胶态溶液。该法原理简单、工艺连续,但纯度不高,制备高纯度产品较为麻烦。3.5　此法是将已球磨的磁性液体,用同体积的丙酮把胶态微粒不可逆地絮凝出来,通过洗涤及烘干,再用另一母液和表面活性剂经二次球磨(比一次球磨时间少得多)制得新母液的磁性液体。对于相同成分和磁化强度的磁性液体,采用此法,粒度可降低很多,若粒度相同,则磁性微粒含量可增多。3.6　将低挥发性溶剂(含有表面活性剂)一起装入旋转滚筒,然后将筒抽成真空,蒸发金属(Fe、Co)时,表面活性剂被蒸发金属吸附在滚筒表面,分散于载液中即形成金属磁流体。该法制备磁流体磁性微粒子分散性好,粒度均匀,颗粒度小,只是需要抽真空,设备复杂。3.7　通过等离子体激发,使氮气和铁反应,然后可以制得氮化铁磁流体。该法生产效率高,但制备的磁流体中磁性粒子的粒径分布较宽,磁流体饱和磁化强度不高,产品纯化困难。3.8　该法在添加了铁羰基化合物和胺基系表面活性剂的煤油中导入氮气,生成胺基羰基铁的中间体,然后高温分散该中间体,就可生成氮化铁微粒,在氮化铁超微粒子上吸附上表面活性剂,形成氮化铁磁流体,这样制得的磁流体饱和磁化强度很高。一般磁流体饱和磁通密度为0.04T左右,而氮化铁可高3至4倍。日本科技厅金属材料技术所的科学家,通过先将羰基铁、多氨、氨和石油等原料作高温反应,借此获得铁胺羰基衍生化合物,然后将其置于氨气中实施高温分解,并用可生成氮化铁微粒子的二阶段化学反应方法来制得氮化铁磁流体,饱和磁通密度高达0.17T。4　4.1　磁流体的性能主要取决于超微磁性粒子的性能以及表面分散剂和载液的性能,而·37·第29卷第6期磁性材料及器件对磁性微粒子、表面分散剂载液的选择,确定了所制备的磁流体的应用领域和范围。目前,磁流体的制备技术中,存在着超微粒子的磁性与稳定性、表面活性剂与载液的相容性以及载液本身的局限等几个问题,这些问题相互关联,相互制约,影响着磁流体的制备及应用。对于磁性微粒的选择,要求在器件工作温度范围内能保持长期稳定,磁化强度高,起始磁导率大,粘度和蒸气压较低,特殊器件要求在重力场和磁场梯度下呈现稳定,在均匀磁场中没有明显的凝聚;热传导性好;耐化学腐蚀性好。在已知的大量磁性材料中,用以制备磁流体的只有:γ-Fe2O3、MeFe2O4(Me=Co、Mn、Ni)、Fe3O4、Ni、Co、Fe、Fe-Co和Ni-Fe合金等,其磁化强度依次增强,而稳定性依次降低,随着粒子颗粒减小,这种变化趋势更明显,因此要制得稳定性和磁性俱佳的磁流体,必须找到相应性能的磁性微粒子,这在传统磁性材料中暂还没有结果,取而代之的是人们用新型的氮化铁、硼化铁磁性好、稳定性佳的磁性微粒,获得了优越的性能,但制备技术非常复杂,随着研究开发的不断深入,希望不久的将来能实现实用化生产。就表面活性剂的选择而言,基本的准则是要求与载液相适应,具有永久吸附磁性微粒的特殊分子结构。但磁流体的稳定性还因表面活性剂受分散、水解、降解等环境因素影响而削弱。目前尚未能找到一种性能优良,又普遍适用的表面活性剂,据有关文献报道,有机硅表面活性剂效果较好,但制备技术难度大。关于载液的选择,应以低蒸发速率、低粘度、高化学稳定性、耐高温和抗辐射为标准,但同时满足上述条件非常困难,因此,往往根据磁流体的用途来选择具有相应性能的载液。如低温环境用磁流体可选择硅酸酯载液;用于旋转轴密封的磁流体,可选择耐高温、与水及一般机械用油不互溶的有机硅(硅油)载液。4.2　磁流体既具有磁特性,又兼有流动性,并具有特殊的性能。美国最先将宇航用的喷气燃料制成磁性液体,通过永磁加以控制,克服了失重状态燃料不能正常工作的问题。自七十年代起,国内外对磁流体的研究和应用开发十分活跃,其应用范围不断拓展,从军工到民用,已渗透到国民经济的各个领域。磁流体大量用于密封,主要用于水、油等液体密封,在往复运动轴[2]、旋转轴[3]、动压式机械[4]、真空系统[5]以及化工用搅拌器中作密封材料。其次是在阻尼、热交换、磁回路、传热器、电声器、医疗卫生、生物磁学等方面获得广泛应用。基于Fe3O4粒子或MnFe2O4粒子的磁流体(铁磁流体),广泛用于计算机、麦克风、半导体、运动控制部件、传感器和石化产品等工业产品中,如用作达松伐耳磁流计、等差步进电机的阻尼、用于钻头加速度和斜度测量以及管道倾斜度测量的传感器、线性源麦克风、涂镀系统、环境和气压机控制泄漏的密封,而且有希望在油罐(水)车、磁重力分离和喷墨打印机密封上得到应用。随着新兴科学——生物磁学的发展,磁流体在生物磁学上不断获得新的应用。利用磁流体分流技术可以实现生物物料提纯,鉴别微量有机物、细胞或基因物质、诊断和处理人的血液和骨髓疾病。有关资料报道,科学家们通过把烟草花叶病毒(TMV)和烟草哮喘病毒(TRV)分散在磁流体中,施加适当磁场,成功地把生物群落如烟草哮喘病毒和烟草花叶病毒取向;通过用磷脂双层薄膜包裹纳米级Fe3O4晶粒生产磁性脂质体,为磁控制生物反应器中使用纯膜状酯打开一·38·JMagnMaterDevicesVol29No6条新途径;采用高梯度磁分离技术(HGMS)从血液中