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1、1 磁流体综述1.1 概述磁流体(Magnetic Fluid)也叫磁性流体或铁磁流体,是一种对磁场敏感、可流动的超顺磁液体磁性材料。磁性液体是由纳米级铁氧体、铁磁性氮化铁颗粒借助表面活性剂高度、均匀分散于载液（有机溶剂、油或水）中而形成的稳定胶体溶液。它是一种新型的液体功能材料，具有很特殊的理化性质。磁流体自问世后短短几年就走出实验室，开始应用于科学实验和工业装置中。目前其应用范围已扩展到航天、电子、化工、机械、冶金、仪表、环保、医疗等各个领域，随着研究开发的深入，其应用领域也在不断扩展。国外一些国家对磁流体有很多的研究和应用，像美国、日本、英国等已经进入工业化生产阶段。我国也于70年代末开
2、始了磁流体及其应用技术的研究.本章系统地介绍了磁流体的组成及其特性。1.2磁流体的组成磁流体是一种固液相混的二相流体，是一种胶体溶液。它由三部分组成：磁性微粒；基液（也叫载液）；表面活性剂。如 图11图11磁流体的组成磁性微粒通常为铁磁矿，即四氧化三铁、赤铁矿、铁氧体及稀土合金等固体微粒，磁性微粒不是分子，是粒度很小的颗粒，由于直径很小，磁性微粒在基液中作布朗运动，获得动能，悬浮于基液中。目前常用的磁性微粒是四氧化三铁粉末。基液，也叫载液或母液。基液是否导电等性能决定着磁性流体的应用。基液一般为非导电性液体，如水、煤油、硅油、烷烃等，也可以是导电的液态金属，如水银。基液不同，磁性流体的特性也不
3、同。表面活性剂，也叫分散剂、稳定剂或表面涂层。表面活性剂的主要作用是防止磁性微粒发生凝聚而沉淀。由于磁性微粒为无机类固体微粒，不能溶解或不易分散在基液中，因此，在磁性微粒和基液的两相（即固相和液相）之间应加入第三者，即表面活性剂。常用的表面活性剂有油酸、亚油酸等。选择表面活性剂时，不仅要考虑是否能是相应的磁性微粒稳定地分散在基载液中，而且要考虑表面活性剂与基载液的适应性，即是否有较强的亲水性或亲油性，基液不同，则所需的表面活性剂也不同。1.3 磁性流体的稳定性由于磁流体不是真正的溶液，而是一种胶体溶液，因而制备磁性流体的关键是如何使磁性微粒稳定的悬浮于基液中。磁性流体的稳定性可以从动力稳定性和
4、聚集稳定性两方面考虑。所谓动力稳定性就是磁性微粒作面朗运动，克服重力和磁场力的作用，长时间保持分散的悬浮状态，不发生沉淀。磁性微粒的粒度越小，则动力稳定性越好。聚集稳定是指胶体粒子克服由其表面能引起的粒子之间相互吸引的能力。粒子的粒度减小，则比表面积增大，表面能增大，粒子间相互吸引发生聚集的势能增大，因而聚集稳定性差。提高磁性流体动力稳定性的措施是减少磁性微粒的粒度；提高聚集稳定性的措施则是在磁性微粒的表面包覆分散剂。磁性微粒之间存在两种相互作用力，即微粒之间的静磁相互作用力和范德瓦尔斯力。由于磁矩的存在，磁性微粒之间存在静磁相互作用力，因而微粒之间存在势能。变种势能与微粒直径的三次方成正比，
5、与微粒之间距离的三次方成反比。另一方面，磁性微粒在基液中作布朗运动。当微粒的热能与势能相等时就可以阻止因静磁作用引起的粒子之间的聚集。根据表面活性剂的厚度，可以推出微粒直径的大小。一般地，微粒表面活性剂的厚度为微粒直径的，当微粒直径为时，热能与势能基本相等。所以，磁性微粒的直径一般控制在左右。在磁性流体的制备方法中，机械粉碎法是将大颗粒的粒子经长时间的研磨粉碎，减小粒子的直径。而湿式化学共沉法则是把分子或离子大小的粒子增加到左右。偶极子之间存在着相互手用的色散力，称为范德瓦尔斯力。这种力与粒子的大小无关，只要粒子相接近，就产生负势能，降低聚集稳定性。热运动不能阻止范德瓦斯力引起的聚集。分析表明
6、，范德瓦尔斯力与微粒间距离的六次方成反比。因此，为了克服这种力的作用，在磁性微粒的表面包覆一层长链子的表面活性剂，增加微粒之间的距离，克服相互间的吸引力，使热运动能保持颗粒处于分散状态，从而提高聚集稳定性。存在重力或磁场力的作用时，磁性流体内磁性微粒的悬浮状态会发生变化。在重力的作用下，磁性流体中的微粒发生沉降，微粒的浓度按上稀下浓分布。同时，在扩散力的作用下又使微粒由浓度高的下方向浓度低的上方扩散。因此，磁性微粒受到重力与扩散力的共同作用。在平衡状态下，向上与向下移动的微粒数相等。重力与浮力叠加作用于每一个微粒的沉降力为 式中 沉降力；微粒的直径；胶体粒子的密度；基液的密度；重力加速度。拇个
7、粒子爱到的扩散力为式中 扩散力；玻耳兹曼常数；绝对温度；单位体积内的微粒数；高度。由于在平衡状态下沉降力与扩散力相等，所以式为在重力作用下磁性微粒稳定悬浮的条件。可以看出，微粒的直径越小，浓度越低；温度越高，则稳定性越好。在非均匀磁场作用下，磁性微粒向磁场较强的区域运动动，发生与重力作用相似的过程。设磁场在方向的变化率为，而磁性微粒的磁化强度为，则单位体积磁性微粒所受磁场力为每个磁性微粒所受磁场力为式中 磁感应强度。不计重力作用时，磁性微粒在扩散力与磁场力作用下处于稳定平衡状态的条件是式为磁性流体稳定条件，若要使磁性流体在重力和梯并磁场的作用下保持较好的稳定悬浮状态，则式中的等号应改为大于号。
8、1.4磁流体的特性1.4.1磁化特性磁性流体的磁性来源于其中所含的磁性微粒。磁性微粒不是分子，而是由分子组成的颗粒，其特性与铁磁物质相似。组成磁性微粒的分子或原子中的电子都绕原子核运动或本身进行自转运动。这两种运动都产生磁效应。如果没有外磁场的作用，那么由于热运动，分子电流的磁矩任意取向，磁性微粒中分子的合成磁矩为零，因而对外不显示出磁效应。当磁性微粒置于磁场中时，分子电流磁矩的排列比较整齐，微粒中各磁矩的矢量和不为零，这时显示出磁性。实验表明，磁性微粒在一定磁场强度下的磁化强度与微粒的直径有关。单位体积内磁性微粒的质量一定时，磁性微粒的数量越多，即磁性微粒的直径越小，磁性微粒的磁化强度越大。
9、如图1-2所示：图1-2 磁性微粒的磁化强度与微粒直径的关系磁性微粒属于超顺磁性物质。一旦有外磁场的作用，则分子磁矩立刻就会定向排列，并对外显示出磁性。随着外磁场强度的增加，刚开始时，磁化强度随外磁场成正比增加，然后增加逐渐变慢，最后达到饱和状态。磁化饱和之后，所有分子磁矩均按外磁场的方向排列，当磁场继续增强时，磁性微粒的磁性不再增加。当外磁场消失后，磁性微粒马上退磁，基本没有磁滞现象。如图1-3：图1-3 磁性微粒的磁化曲线磁性微粒悬浮在基液中使磁性流体具有磁性，一般将磁性流体视为连续介质，以磁化强度M表示其磁化特性。与磁性微粒的磁化特性相似。磁性流体也表现出超顺磁特性，随着外磁场强度的增加
10、，开始时，磁化强度成正比增加，然后逐步趋于饱和。磁性流体的磁化曲线如图1-4。图1-4 磁性流体的磁化曲线1.4.2 粘度特性在磁性流体的应用中，粘度是一个重要的参数。磁性流体的粘度由基液的粘度和磁性微粒的含量而决定，此外还与外磁场有关。 当没有外磁场作用时，磁性流体具有牛顿流体的特性。对于磁性微粒含量体积比小于1%的较稀薄磁性流体，其粘度可用爱因斯坦公式计算： /0 =1+式中，0-基液的动力粘度，-磁性流体动力粘度，-微粒的体积百分比。这种稀薄的磁性流体应用很少，为了获得高磁化强度的磁性流体，磁性微粒的含量都较高，这时粘度的表达式为式中的系数 a ,b可由不同粘度时的取值决定。由于磁性微粒
11、的存在，磁性流体的粘度要比其基液的粘度大很多。因为磁性流体的磁化强度随磁性微粒浓度的增加而增加，因此，当基液一定时，磁性流体的粘度随饱和磁化强度的增加而增加。对磁性流体，当饱和磁化强度不大于600Gs时，其粘度与饱和磁化强度几乎是线性关系，当饱和磁化强度继续增强时，粘度非线性地急速增加，如图1-5所示。所以，磁性流体饱和磁化强度的提高受到粘度的限制。 图1-5磁性流体的粘度与饱和磁化强度的关系此外，磁性流体的粘度还会受到温度的影响，温度升高时，其粘度将会减小，如图1-6所示。图1-6磁性流体的粘度与温度的关系在外磁场的作用下，磁性流体的粘度将发生变化，磁场的作用使磁性流体的粘度显著增加。在磁场
12、作用下，磁性流体的粘度公式为： = +F(, ) 式中， 无磁场作用时的粘度，-磁性流体在磁场作用下的粘度，-磁性流体的回转角速度，-磁性微粒回转布朗运动的缓和时间；=MH/k T；为磁 场与运动方向的夹角；H为磁场强度，M为磁化强度。由上式可知，磁性流体的粘度除了受磁场强度大小的影响外，还会受到磁场方向的影响。图1-7表明了磁场方向对粘度的影响。图1-7 磁场方向对粘度的影响1.4.3温度特性 磁性流体的饱和磁化强度随温度的升高而减少，至居里点时，磁场完全消失。如图1-8所示。图1-8磁性流体的饱和磁化强度与温度的关系1.4.4蒸发特性磁性流体和其他流体一样也会蒸发。我们通常用蒸发率来表示蒸
13、发的速度。当压强一定时，温度越高，则蒸发量就越大。磁性流体的寿命主要取决于基液和分散剂的蒸发率或饱和蒸气压的大小。为获得寿命长的磁性流体，就要选择蒸发率低的基液和分散剂。1.4.5光学特性通常的磁性流体为黑色不透明的液体。如果将磁流体制成微米级的薄膜状时就能透光。在外加磁场的作用下，磁矩定向排列，在磁场方向和与之垂直的方向上，介电常数就出现差异。由于物质的折射率与其介电常数 之间的关系为 ，因此，在磁场的作用下，磁性流体薄膜会出现与单轴性光学晶体类似的现象。 1.4. 6界面现象此性流体的表面在磁场力的作用下会产生特殊的变形，发生有趣的界面现象。如图1-9所示，在容器中装入磁性流体，并沿垂直于
14、表面的方向加磁场，磁性流体的表面就发生微小的扰动，扰动随着磁场的增大而增大。由于表面的微小扰动使磁场的针尖状的突起部增强，磁场力使表面变形增大。当磁场力与重力和表面张力相平衡时，表面针状停止上升。 图1-9 界面不稳定现象1.5 磁流体的应用1.5.1磁性流体轴承 利用磁性流体可以被磁场所控制并可以作为润滑剂这两种特性，可制成磁性流体轴承。图1-10即为磁性流体轴承的一种，磁性流体起到了润滑和将心轴浮起的作用。磁性流体轴承还有其他方式，如图1-11是由磁场力将磁性流体固定于极尖位置，从而将液体或空气密封在环形密封腔内，形成液体或气体支撑轴承。图1-10、1-11 磁流体轴承1.5.2磁性流体研
15、磨磁性流体研磨如图1-12所示。研磨装置是由NS交替排列的永久磁铁、磁流体及液体槽、磨粒、被加工件和旋转驱动设备等组成。磨粒加入磁性流体中，在磁场的作用下，磁流体受到向下的吸力，研磨颗粒则受到向上的浮力，浮在磁流体上部。在被加工件旋转时，研磨颗粒对工件存在一定的压力，并进行研磨。这种研磨方法的特点是加工精度高，并且可以研磨自由表面。图1-12磁性流体研磨原理 1.5.3磁性流体扬声器在普通扬声器音圈的气隙中注入少量的磁性流体，便可改善扬声器的性能。由于磁性流体的热导率远大于空气的热导率，因而扬声器的散热效果大大改善，磁性流体吸附于磁极上，对音圈产生了自动定心的作用，防止音圈与磁极的摩擦，使扬声器振膜平滑振动。另外，由于磁性流体可使扬声器的功率增加，因而可以在不减小输出功率的情况下扩大低音频率范围。因此，磁性流体扬声器具有效率高、功率大、失真小、低频特性好的优点。 1.5.4金属分选将磁性流体置于梯度磁场中，在磁场力的作用下磁性流体内部压强随着磁场强度的增大
