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1、文皇京交硕士学位论文磁性液体在倾角传感器中的应用T h eA p p l i c a t i o no fM a g n e t i cF l u i d t oT i l tA n g l eS e n s o r作者：韩琪导师：张志力北京交通大学2 0 11 年6 月，；。1_l-学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本
2、授权说明)学位论文作者签名：韩谈导师签名：签字日期：洳l f 年6 月 - 7H彩恕签字日期：z 。f 年 d 时，E f = - 3 5 6 A 1 。6( 2 2 )当l 很小时，即2 d s ( 2 1 1 )其中，P f 是磁性液体的密度，1 1 H 是存在外磁场时磁性液体的动力黏性系数，M 为磁性液体的磁化强度，为真空磁导率，Q 为磁液中固体颗粒的转动速度，为磁性液体基载液的涡旋速度。假设磁性液体的密度为常数，液体的流动速度势为仇，并且磁性固体颗粒的运动不受外磁场变化的影响，磁性液体的磁化强度方向M 平行于外磁场的方向H ，就可以得到M V H = R 毫M d H _ 毫a 汀M
3、V T d H ( 2 - 1 2 、再设磁性液体距离参考点h ，可以算出重力的势能，对( 2 1 ) 进行代入和化简，得到一乃等+ 圭乃矿2 + 乃劝+ p 叫。r 施孵】+ t o 。广a 甜M v T d H = o( 2 一1 3 )这就是磁性液体B e r n o u l l i 的一般形式。在一些特定条件下，该式是可以进一步简化的。如果流场中的温度远低于C u r l e 温度，流动的过程也是等温进行的，则百O M 和v 丁都近似为零。如果磁性液体的流动定常，得到p + 与p f y 2 + p f g h p o 毫M d H = c( 2 m 、)如果流动非定常，则V ( 一乃
4、等+ 兰乃y 2 + 乃助+ p 幸叫。r M d H ) = ( ( 2 1 5 )当磁性液体浸没在其内部的磁性物体所产生的磁场作用下，能够稳定悬浮密度比自身大得多的磁性物体，这就是磁性液体的二阶浮力原理。1 81 4 ) ，2 1 6 )2 1 7 )F z = ( P i g - g o 万等确瓦警) ( 2 - 1 8 )将上式展开发现，第一项就是浸在磁性液体中的磁性物体受到的浮力，而另外两项值得大小都与外加磁场有关。由此可以得出结论：只要改变外加磁场，即使磁性物体的密度大于磁性液体，也能使它悬浮在磁性液体中。这也是磁性液体的自悬浮理论。考虑到磁性液体为黑色，无法直接观察到永磁铁的悬浮
5、情况，所以选择利用X 射线观察。本实验室何新智、赵晓光4 7 】等人就是利用X 射线研究了永磁铁分别在两种磁性液体中的悬浮情况，如图2 2 所示，观察到永磁铁是稳定的悬浮在磁性液体中。图2 2 永磁铁在磁性液体中的悬浮情况F i g 2 2S u s p e n s i o no f p e r m a n e n tm a g n e ti nt h em a g n e t i cl i q u i d这也是本论文设计磁性液体倾角传感器时的一个重要理论基础，所利用的就是磁性液体能够稳定悬浮密度比它大的永磁铁，从而减小传感过程中磁铁与外壳的摩擦力，增大传感器的灵敏度。2 7 本章小结本章主要
6、从理论上介绍了磁性液体的几个重要性质，包括磁性液体的组成、稳定性、磁化强度、黏度、密度等材料方面的特性，还有其二阶浮力原理，这也是本文实验部分利用磁性液体悬浮特性的理论基础。1 9磁性液体的制备3 磁性液体的制备现在所用的磁性液体的制备方法主要是将铁磁性颗粒弥散于基载液中，这种方法最初是由G o w a nK n i g h t 用来制备磁性液体的m l 。他是把铁屑弥散在水中并混合几个小时，水中就会悬浮有部分铁磁颗粒，但是不够稳定。之后B i t t e r 制备出一种铁磁矿在水中的胶状悬浮液，以用来研究磁畴【4 拼，颗粒尺寸在10 0 0 n m 左右。E l m o r e 制备过含有2
7、 0 n m 左右颗粒的悬浮液，已经比较类似磁性液体了1 4 川。但是还需消除大颗粒以制出高磁化强度、高颗粒浓度的稳定系统。目前制备磁性液体的几种主要方法有：化学共沉淀法、粉碎法、阴离子交换树脂法、氢还原法、火花电蚀法、紫外线分解法、热分解法、真空蒸发法、电解法等。其中，粉碎法是将分散质和表面活性剂与溶媒放在一起，在球磨机上长时自J 研磨，再通过过滤或离心分离去除粗粒子而得到磁性液体。阴离子交换树脂法是通过制取氧化铁水溶胶再渗析形成凝胶，凝胶与亲液性的阴离子转换剂接触形成稳定的有机溶胶。火花电蚀法是把金属电极插入液体，在液体中放电，使电极金属以胶体粒子形态注入液体中。紫外线分解法是以高能量光(
8、 紫外线) 取代热分解分解有机金属，做成金属超微粒子，形成磁性流体。热分解法指热分解化学上不安定的有机金属，析出金属单体，此时析出的金属超微粒子分散于溶媒中，形成磁性液体。真空蒸发法是在抽成真空的钟罩中，把金属加热蒸发，在真空中急冷，做成金属的超微粒子，进而可以形成磁性液体【l 】。而使用共沉淀法制备磁性液体，生产效率高，反应迅速，可以自动化、机械化，适合工业生产，下面着重介绍该方法。3 1 共沉淀法制备F e 3 0 4 纳米颗粒铁盐和亚铁盐在水中反应，会生成磁性F e 3 0 4 粒子，化学方程式为：F e 2 + + 2 F e 3 + + 8 0 H - - - ，F e 3 0 4
9、+ 4 H 2 0实验可以用氯化铁和氯化亚铁在氢氧化钠水溶液中反应，由以下反应式就能制得F e 3 0 4 固体颗粒。F e C l 2 + 2 F e C l 3 + 8 N a O H + F e 3 0 4 + 8 N a C I + 4 H 2 0也可以用F e 2 ( S 0 4 ) 3 和F e S 0 4 生成磁性F e 3 0 4 。这样形成的F e 3 0 4 微小颗粒吸附着作为表面活性剂的油酸离子，进行水沈和脱水，在将其分散在溶媒中，这就可以制备出磁性液体。将经过稀释的F e C l 2 4 H 2 0 和F e C l 3 6 H 2 0 在7 0 “ C 的温度条件下混
10、合，再加进2 I北京交通人学硕十学位论文过量的N a O H ，之后不断的连续搅拌。通过高速搅拌可以限制粒子的增长，从获得高度分散的共沉液。通常情况下，可以用N H 4 0 H 代替N a O H ，更能提供成F e O F e 2 0 3 的条件。反应后要用水多次清洗反应物，能够去除掉多余的C I 。和的离子，这是为了保证分散剂以及F e 3 0 4 粒子的作用。实验过程中，碱的数量过量，可以保证共沉淀反应彻底进行，反应时温度控制在2 5 - - - 4 0 “ ( 2 之间。图3 1 磁性液体制备流程图F i g 3 1T h ep r e p a r a t i o no f m a g
11、 n e t i cf l u i d用共沉淀法制得的F e 3 0 4 粒子直径范围约为2 2 0 n m ，粒子表面吸附能力强。3 2 基载液及表面活性剂的选择由于磁性液体是一种把众多铁磁性或者亚铁磁性的微粒弥散于基载液中而形成的一种稳定性很高的胶体溶液，加入表面活性剂后，得到的磁性液体在重力场、磁性液体的制备电场和磁场的作用下都不会产生沉淀和分离，能够长期稳定存在。所以选择适合的基载液和表面活性齐是很重要的。选择磁性液体的基载液需要满足以下条件：低蒸发率，低黏度，很高的化学稳定性，耐高温，抗辐射等特性。但是要满足同时这些条件是非常困难的，因为往往这些要求是相互矛盾的，要获得满足某种特定条
12、件去选择较为合适的基载液，也是会经常遇到很多难题。表3 1 列出了选用的基载液以及相应的制得的磁性液体的应用范目。表3 1 供磁性液体制备用的载液1 4 习T a b 3 IT h ec a r f i e rl i q u i d su s e df o rt h ep r e p a r a t i o no fm a g n e t i cf l u i d载液名称所制磁性液体特点及用途举例水酯及二酯精制合成油硅酸盐酯类碳氢化合物p H 值可在较宽范围内改变，价格低廉，制备： 艺简便，适用于医疗、磁性分离、选矿、显示及磁带、磁泡检验蒸汽压较低，适用于真空及高速密封，润滑好的磁液特别适用于
13、要求摩擦低的装置并可用于阻尼装置，其他如用于扬声器及步进马达等阻尼用类似于酯及二酯所制磁液，它的蒸汽压很低耐寒性好，适用于低温场合黏度低，适用于高速密封，各种碳氢化合物载液可互相混合氟碳基化合物具有不易燃、宽温、不溶于其他液体，在活泼性环境，如含臭氧、氯气等环境特别适用聚苯基醚蒸汽压低，黏度低，适用于高真空和强辐射场合，辐射阻抗人于1 0 6 G y水银可作F e 、C o 、F e - C o 、F e N i 磁性微粒的载液，所制磁液饱和磁化强度人，导热性好选择适当的表面活性剂在制取磁性液体的过程中是非常重要的，选取到合适的表面活性剂，直接影响到磁性液体的顺利制备，以及磁性液体长期稳定存在
14、等问题，是制备过程中需要面对的重要问题。表3 2 列出了部分基载液适用的表面活性剂。北京交通人学硕十学t ：) = 论文表3 2 供磁性液体制备用的表面活性洲4 5 】T a b 3 2T h es u r f a c t a n t su s e df o rt h ep r e p a r a t i o no fm a g n e t i cf l u i d载液名称适用了该载液的表面活性剂举例水碳氢化合物酯及二酯精制合成油氟碳基化合物硅油聚苯基醚不饱和脂肪酸，如油酸、弧油酸、弧麻酸以及它们衍生物的盐类及皂类、1 2 烷酸、二辛基磺化丁二酸钠等油酸、弧油酸、砸麻酸以及其他非离子型表面活性
15、剂油酸、弧油酸、弧麻酸或相应的酯酸如磷酸二酯及其他非离子型表面活性剂氟醚酸、氟醚磺酸，以及它们相应的衍生物，全氟聚异丙醚等硅烷偶联剂，羧基聚二甲基硅氧烷，羟基聚二甲基硅氧烷，氨基聚二甲基硅氧烷，羧基聚苯基甲基硅氧烷，氨基聚苯基甲基硅氧烷，羟基聚苯基甲基硅氧烷苯基十一烷基，邻苯氧基苯甲酸3 3 本文所用几种磁性液体的制备过程煤油基机油基磁性液体主要的制备过程为以下五步：( 1 ) 在去离子水中按一定量比溶入F e C l 2 和F e C l 3 ，搅拌使之加速溶解，此时溶液中含有了F e 2 + 和F e 3 + 离子，再将N I - 1 3 - H 2 0 溶液边快速搅拌边迅速加入到混合溶液
16、中，直至完全析出F e 3 0 4 固体微粒为止。( 2 ) 在析出F e 3 0 4 x H 2 0 固体颗粒的水溶液里面加入沉降剂( 需要3 - - - 5 m i n完全沉淀) 或者采用自然沉淀( 一般需要6 0 m i n 以上完全沉淀) 的方法，使得含结晶水的F e 3 0 4 固体颗粒从液体中分离出来。( 3 ) 在煤油机油中加入一定的表面活性剂，倒入烧杯中，然后加热至l1 0，在此温度下分批加入含有结晶水的F e 3 0 4 固体颗粒的沉淀物，加入完全之后将该水溶液冷却至室温。( 4 ) 将上述得到的含有F e 3 0 4 固体颗粒的煤油机油基两相溶液的烧杯放置在永磁铁( 磁场强度为0 2 T ) 上面，溶液就会产生分层，磁性液体被吸附到烧杯底部，烧杯上层为水溶液。将水溶液倒出，剩余的便是磁性液体。( 5 ) 为了得到纯净的磁性液体，将上一步所得的磁性液体再次加热到1 1 0 ，保持一段时间后，可以除去磁液中残余的水
