磁性材料-第五章

第五章磁性液体*定义：磁性液体，又称磁流体、铁磁性流体、磁性胶体。它是由纳米级(10nm)的磁性颗粒，通过界面活性剂高度地分散、悬浮在载液中，形成稳定的胶体体系。5.1磁性液体的基本概念*发展史：*最早的磁性液体(磁性胶体)是Bredig于1898年通过电化学反应方法制备。Ostwald等人也制取了具有一定磁性能的胶体，但获得的磁性胶体极不稳定，很难获得应用。*特点：超顺磁性、液体的流动性*1965年，为解决宇航服头盔转动密封问题，Pappel将磁铁矿粉、界面活性剂(油酸)和润滑油混合在一起，在球磨机中球磨，再利用离心方法去掉大颗粒而研制成功。*1977年第一届国际磁性液体会议召开。*磁性液体的组成：三个要素：基液或载液、纳米级磁性固体颗粒、界面活性剂(表面活性剂或分散剂)。*按磁性颗粒的种类进行分类：1、60年代初，第一代铁氧体磁性液体问世，解决了有无问题；2、80年代第二代金属磁性液体出现，提高了磁性能；3、90年代日本研制出第三代氮化铁磁性液体，既具有良好的抗腐蚀性能又具有较高的磁性能。5.2磁性液体的分类5.3磁性液体的基本特性一、物理特性1、磁化特性：超顺磁性2、热效应：温度梯度磁场MS梯度压力梯度磁液流动3、声学特性：超声波在磁液中的传播速度及衰减量与外加磁场强度有关，且在外场作用下方向发生变化，超声波在磁液中的传播显示各向异性。4、光学特性：磁液在磁场中的表现像一个单晶体，在光的作用下产生双折射。5、粘度特性：主要取决于基液粘度，也与磁性颗粒的含量及外场有关。无外场时，且磁液浓度较低时，磁液呈牛顿流体特性；当施加静态的强场时，磁液的粘度增加，呈现非牛顿流体特性。另外温度升高，其粘度将会减小。6、磁液的密度：在载液和表面活性剂固定的情况下，磁液的密度主要取决于纳米级磁性颗粒的含量。7、界面现象：在垂直于磁液界面的方向施加磁场，静磁能有使界面扩张的作用，使表面张力减小。若外场较大，扩张作用大于表面张力，磁液表面出现无数的“针形磁花”。“针形磁花”的方向与磁力线的方向相同。二、化学特性1、稳定性：在强磁场和重力长时间作用下不分层，磁性颗粒不析出、不团聚。2、抗氧化特性：主要指磁性颗粒的抗氧化性，对于金属磁液更为重要。3、界面活性剂与母液及磁性颗粒的化学匹配特性：界面活性剂的亲液基必须与基液的分子机构或理化特性相近似，才能和基液互溶。界面活性剂的憎液基与磁性颗粒结合，形成稳定的胶体体系。4、蒸发特性：为获得长寿命的磁液，要选择蒸发率低、蒸气压小的基液和表面活性剂。三、流体力学特性*修正的伯努利方程5.4磁性液体的稳定性一、粒子间的磁力吸引*磁性微粒之所以能在基液中稳定地悬浮，是因为磁性粒子很小，分子的热运动足以克服粒子间相互聚集的磁性引力。*两个磁性粒子间的磁力吸引位能：*r为粒子半径，R为粒子间的中心距离，h=(R-2r)/r为粒子表面距离与粒子半径之比。*为达到分散稳定效果，需满足：*由上式求出稳定的磁性粒子的粒径上限。表面活性剂使得磁粉粒径的允许值扩大了。二、范德瓦耳斯引力*范德瓦耳斯引力是分子间瞬间电偶极矩的相互作用力，它是粒子间普遍存在的短程相互作用力，随着分子间距离加大，便迅速地减弱。范德瓦耳斯引力能为：61RE*R为粒子间的中心距离。*当颗粒紧密接触时，对很小的颗粒，范氏力无法用热运动来克服，易造成颗粒团聚。同样表面活性剂的加入会削弱范氏力。三、重力场及梯度磁场的影响*在重力场中微粒的空间分布将处于重力与扩散力动态平衡之中。在重力场中胶体溶液中粒子浓度梯度为：*n为高度Z处单位体积内的胶粒数，d为胶粒直径，为胶粒密度，c为基液密度。*在梯度磁场中时有：*若此时磁性流体中有非磁性体存在，就会受到指向低磁场方向的浮力。*V为非磁性体体积，为非磁性体密度，H为磁场梯度，为磁流体的密度，为磁流体的平均磁化强度。M四、磁性流体粘度与外磁场的相互作用*实验证明，有外场时磁流体的粘度增加，且液体流动方向与外场平行时的粘度比垂直时大。原因：无磁场时，悬浮粒子的运动方向与磁性流体流动方向一致，加磁场时，磁粒子便向磁力线方向运动。磁粒子的这种运动会增大对流体流动的阻力，从而导致粘度增大。五、磁性流体密度对磁化强度的影响*单位质量磁流体的磁化强度：为流体密度，1为溶剂密度，2为微粒密度，s为微粒的磁化强度六、超顺磁性粒子的磁化过程服从朗之万函数*铁磁单畴颗粒在磁场中的位能：EH=-VMSHcos其中角按波耳兹曼分布*当1(弱磁场)时，*当1(强磁场)时，七、磁性流体遵从修正的伯努利方程*磁性流体在磁场中增加了一项与磁化强度、磁场有关的静压力，从而使压力变大。把一个比重大于磁性流体的非磁性物体放在磁性流体内，当把它们放进磁场时，原先沉在底部的物体会“漂浮”到表面上来。*上述相互作用与影响，导致磁性微粒存在着永久性的聚集作用，在实际应用中很难制成长期稳定的磁性流体。5.5磁性液体的制备方法1、化学共沉降法FeCl2+FeCl3+沉淀剂(NaOH或KOH)小于10nm的Fe3O4磁性颗粒经脱水干燥后添加一定的表面活性剂和母液，充分搅拌后获得磁液*优点：粒度均匀、成本低、适合工业化生产一、铁氧体磁性液体的制备方法2、机械研磨法*以球磨法为例：Fe3O4粉末+煤油+油酸球磨5~20个星期高速离心机去除粗大粒子后得到磁液*优点：方法简单*缺点：耗时长适合，效率低，费用高，不适合大批量生产。二、金属磁性液体的制备方法1、金属羰基化合物热分解法（工艺简单、能耗低）*含表面活性剂的载液中添加羰基金属化合物[Fe(CO)5、Co2(CO)8、Ni(CO)4或它们的混合物]，置于带有加热装置的密闭容器内，经热分解制成纳米级Fe、Co、Ni或其合金颗粒，颗粒经表面活性剂包覆后均匀、稳定地分散在载液中成为金属磁液。*优点：饱和磁化强度较高*缺点：极容易氧化2、等离子CVD法*在反应容器底部溶入含表面活性剂的载液，将有机金属化合物气化，与H2、N2或Ar或它们的混合气体混合后导入到反应容器内，在直流电场、高频电场、微波或激光的作用下产生低温等离子体，使气化的有机金属化合物分解生成金属原子或原子团，它们在向容器底部流动的过程中碰撞长大成纳米级金属颗粒，经搅拌后，颗粒被表面活性剂包覆并分散在载液中成为金属磁性液体。3、蒸发冷凝法*在旋转的真空滚筒底部放入含表面活性剂的载液，随滚筒旋转，其内表面上形成液体膜。使置于滚筒中心部位的铁磁性金属蒸发。冷凝后的粒径在2-10nm的颗粒被液体膜捕捉，随着滚筒的旋转进入载液内。滚筒继续旋转，由底部提供新的液体膜，如此反复制备成金属磁液。*其它方法：电解沉积法、气相还原法、水溶液还原法三、氮化铁磁性液体的制备方法*优点：高饱和磁化强度、稳定的化学性能1、热分解法2、等离子CVD法*从作为电极的导气管往旋转反应容器内导入出N2、Ar、Fe(CO)5蒸气组成的混合气体。往电极加高频电压产生等离子，使Fe(CO)5分解生成纳米级氮化铁颗粒。这些颗粒被容器内表面上的液体膜捕捉并均匀分散到容器底部的载液中，形成含有氮化铁颗粒的磁性液体。5.6磁性液体的应用磁性液体在应用上的工作原理：(1)通过磁场检测或利用磁性液体的物性变化；(2)随着不同磁场或分布的形成，把一定量的磁性液体保持在任意位置或者使物体悬浮；(3)通过磁场控制磁性液体的运动。一、磁液密封*磁液密封的特点：（1）可以封气、封水、封油、封尘、封烟雾等；（2）无泄漏；（3）轴的旋转速度从静止到低速、高速，都具有相同的密封效果；（4）无摩擦、磨损等问题，对轴的跳动、偏心和表面光洁度要求不严，寿命长；（5）磁液密封无方向性，瞬间过压，在压力回复时，磁液可自动复位；（6）系统简单，密封的同时又有润滑作用；（7）磁液泄漏损失极小，经久耐用。*磁液密封的适用范围:（1）被密封介质应是气、液态或粉尘等。若介质为固态或固液混合态，均会破坏O形环，使密封失效。（2）磁液的工作温度范围以-20℃~120℃为宜。温度过低，磁液可能凝固；温度太高，磁性减弱甚至于消失，磁液迅速挥发，破坏其稳定性。二、磁性液体研磨*用于精细加工，特别是超硬材料的精细加工。方法是在水或者油基磁液中混入粒度为数微米到数百微米的磨料，通过磁力作用使磨料强制研磨加工件的表面。由于加工件在研磨过程中自身可以旋转，不管加工面是平面还是曲面均能同时研磨。与通常的加工法相比，其效率提高15倍。三、磁性液体在扬声器上的应用*为满足音响系统高水平的需要，要求提高扬声器的动态范围和最大声压水平，为此必须提高扬声器的输入功率。但会造成音圈的温度上升，当超过允许值时音圈产生热破坏。*解决方法：在扬声器空气隙内的音圈周围注入磁性液体。作用：(1)改善音圈散热条件，提高扬声器承受功率；(2)改善频率响应，减少失真；(3)提高磁通密度，增加灵敏度，减少磁铁尺寸。四、磁性液体在潜艇推进器上的应用*螺旋桨是潜艇噪声中最主要的噪声源，用磁性液体推进器代替螺旋桨推进器能大幅度降低潜艇噪声。1、推进器外套由钛合金制成，内壁装有具有高弹件及高韧性的橡胶套，在橡胶套内充有高饱和磁化强度的磁液，在橡胶套外装有一组环形激磁线圈。通电时线圈形成脉冲磁场，磁液在脉冲场作用下产生行进波，使橡胶套内壁不断“蠕动”，迫使海水从套筒前端吸入且得到加速，并以高速从后端喷出。五、磁性液体在生物医学方面的应用2、仿生阻尼器：用磁液和光滑的弹性胶层组成仿生的降阻降噪覆盖层包覆在潜艇表面。1、将药物混在磁液中制成乳剂注入到血管中。在外磁场作用下将乳剂移送到病灶部位进行治疗。2、用磁性液体做胃肠的X射线造影时的造影剂，然后在外磁场的作用下进行胃肠的检查。3、除掉血液中特殊细胞：对血液做化学处理使生物细胞粘覆超微磁性颗粒，使红血球磁化。然后在强磁场梯度的作用下分离出红血球而将特殊细胞除掉。六、磁性液体在分离技术方面的应用*比重法分离：把两种密度不同的需要分离的非磁性材料放入磁液中。在外磁场的作用下使磁液的密度为上述两种物质密度的平均值时，一种物质下沉，另一种浮起，达到分离回收的目的。