《磁流体静力分选机》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁流体静力分选机（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1磁流体在液体状态下，分子的磁矩按铁磁性排列从而产生内在的液态铁磁性。但现在只能制出这样的磁性液体，即单铁畴磁性颗粒的胶状悬浮液。它们由众多的纳米级铁磁性或亚铁磁性颗粒借助表面活性剂高度弥散于液态载液中而构成的一种高稳定性的胶体溶液。这种纳米磁性液体又称磁流体，它兼有液体和磁性材料的双重性质，即使在重力、离心力或强磁场的作用下也不会产生分离现象，是目前尖端的纳米科技技术之一。自从上个世纪六十年代诞生以来，经过数十年的研究发展，磁流体获得了广泛应用。1.1磁流体的组成磁流体的组成如图1所示，它是一种固液相混的二相流体，由三部分组成：磁性分散相（磁性粒子）、表面活性剂和基载液。可用于制备磁流体的磁
2、性材料通常有、Ni、Co、Fe、NiFe和FeCo合金等，目前常用的为粉末。磁性粒子不是分子，是粒度很小的微粒，因为直径很小，磁性粒子在基载液中作布朗运动，获取动能，悬浮于基载液中。如图中所示，磁流体中使用的磁性颗粒只有纳米级尺寸，具有单磁畴结构。磁流体的基载液应满足这样一些条件：低黏度、低蒸发率和高度化学稳定性，以及具有抗辐射和耐高温特性等。基液是否导电等性能直接决定着磁性流体的应用，一般为非导电性液体，如煤油、水、脂类等，也可以是导电的液态金属水银。基液不同，磁流体的特性有很大区别。表面活性剂也叫分散剂、稳定剂或表面图层。活性剂的主要作用是防止磁性颗粒聚沉。基载液不同，所用的表面活性剂可能
3、不同，比如水作为载液时，常用的活性剂为不饱和脂肪酸（如油酸、亚油酸、亚麻酸）以及它们衍生物的盐类及皂类；当用脂及二脂精制合成油作为载液，油酸、亚油酸、亚麻酸或相应的酸脂如磷酸二脂及其他非离子型表面活性剂可以作为活性剂。1.2磁流体的制备方法1.2.1共沉淀法铁盐和亚铁盐的水溶液发生反应，生成磁性固体粒子，化学反应方程式如下：如此形成的超微粒子吸附着油酸离子水洗脱水，分散于二甲苯等基液中，即可生成磁性液体。这种方法提供较之其他制备方法的基本优点，生产效率高，反应速度快，适合于自动化、机械化，可以被工业生产所采纳。以铁磁矿作磁性粒子，选择不同的基液，可以做成各种基液的磁流体。1.2.2粉碎法将分散
4、质和表面活性剂与基液放到一起，在球磨机上进行长时间的研磨，然后通过过滤或离心分离出粗粒子而制得磁流体。1.2.3火花电蚀法把金属电极插入液体，在液体中放电，电极金属以胶体粒子形态进入液体中。火花放电是使电极金属蒸发，在液体中极冷成为超微粒子，从而制成磁流体。紫外线分解法用紫外线取代热分解分解有机金属，制成金属超微粒子，形成磁流体。将浓度为116mmol/L、30mL碳基镍Ni(CO在氮气保护下转移到反应器皿的密封系统中，加入浓度为2.33mmol/Lmanox-OT2.06g及30mL甲苯组成的溶液放置在距高压汞灯3cm左右处，搅拌并通以冷空气流，温度保持在四十摄氏度左右，经过八小时照射，用低
5、速氮气流将CO带走，加快搅拌，增加透光性并不断抽去甲苯，制成含镍的磁流体。1.2.4热分解法热分解化学上不稳定的有机金属，析出金属单质，这时，析出的金属超微粒子分散于基液中，做成磁流体。除了以上介绍的几种方法外，还有阴离子交换树脂法、氢还原法和真空蒸发法等磁流体制备方法。1.3磁流体的特性1.3.1磁流体的粘度粘度是磁流体的一个重要参数，磁流体的粘度与基液的粘度、磁性颗粒的粒度分布与含量、表面活性剂、磁场强度和温度有关。胶体粘度随粒子含量的增加而增加。在低浓度时，磁流体的粘度用著名的爱因斯坦公式描述为：式中为磁流体的动力学粘度；为基液的动力学粘度；为固磁性颗粒的体积浓度。高浓度时，磁流体的粘度
6、可用下面的公式描述：上式是Vand在20世纪40年代考虑流体动力学的粒子间相互作用而建立的，通常被称为Vand公式。由于磁性粒子的存在，磁流体的粘度比基液的粘度大得多。因为磁流体的磁化强度随磁性粒子浓度的增加而增加。故当基液一定时，磁流体的粘度随饱和磁化强度变化而变化。对于磁流体，饱和磁化强度小于600Gs时，粘度与饱和磁化强度基本成线性关系。当饱和磁化强度继续增加，粘度将非线性地急剧增加，所以，磁流体的饱和磁化强度受粘度的限制。在外加磁场作用下，随着磁场强度的增加，磁流体的粘度也增加。此时，磁流体的粘度可表示为：式中，为磁流体在磁场作用下的粘度；为无磁场作用时的粘度；=MH/kT，H为磁场强
7、度，M为磁化强度；为磁流体的回转角度；为磁性颗粒回转布朗运动的缓和时间。从上式可以看出，磁流体的粘度除了与外加磁场强度大小有关，还受磁场方向的影响。图2、图3分别表明磁场强度与方向对磁流体粘度的影响。磁流体的粘度与温度的关系首先是由基液的性质确定的。实验表明，对0.03的低浓度磁流体，温度关系起决定作用。对浓缩的磁流体，比如用真空油为基液的磁流体，它的有效粘度对温度的依赖性比基液的粘度要强些，这与浓缩液体的结构特性有关。一般情况，磁流体的粘度随温度升高而减小（图4），这是由于随温度升高，磁流体中磁性颗粒的布朗运动加剧，使得磁流体基液和磁性颗粒之间的运动速度差距逐渐降低从而粘度降低。电导性磁流体
8、具有相反的粘度与温度的关系。以水银为基液的磁流体是结构化了的系统，它的粘度是由结构数目及其相互间作用的特性决定的。实验数据说明，那种用铋稳定化的磁流体的粘度随温度的增加而增加。原因是铋使得凝结结构失效，因为其相互间作用的增加会导致额外的能量损失。1.3.2磁流体的密度磁流体的密度是磁流体的重要性质之一。它不仅是磁流体应用当中的重要数据，而且能用它来计算出磁流体中磁性粒子的含量，还能用它将单位重量的饱和磁化强度换算成常用的单位体积的饱和磁化强度。磁流体密度的测量才采用比重法。如果可以认为磁流体的体积是其各组分体积的和，就可以将磁流体的密度写成下式：式中，、和分别为磁性粒子、表面活性剂和基液的密度
9、。当已知粒子的流体动力学浓度时，上式可用来确定固体相的含量。密度随磁场变化特性。当磁流体处于静止状态并对其施加磁场，则置于磁流体中的非磁性物体所受到的浮力变为：式中，表示磁流体的磁导率；dH/dZ为磁场梯度；M为磁流体的磁化强度；V表示物体进入磁流体中的体积。如令=，则上式可表示成gV，此式说明磁流体在外磁场作用下，密度（又称视密度）发生了变化，因此也改变了磁流体中物体所受的浮力。1.3.3磁化特性磁流体是完美的软磁物质，对它施加磁场时，超微粒子被磁化，呈现出强磁性，当外加磁场减小到零时，能够迅速去磁，且无磁滞现象，呈现出超顺磁的磁化特性。其磁化强度曲线不像铁磁体那样呈磁滞回线，而是一条和原曲
10、线对称的S型曲线（图5）。这种无磁滞的磁化强度曲线是超顺磁物质所特有的，它表明在一定的可实现的磁场条件下，铁磁性颗粒可以达到饱和。图6给出了三种类型的磁流体（水基、碳氢基和酯基）磁场强度与导磁率两者之间的关系。由此可见，对于磁流体静力分选机，磁场空间的体积可以增大而不会影响斥力，同时电磁系的能耗下降，还可以使用永磁磁铁。磁流体的磁性是取决于磁流体中细粒分散的铁磁性颗粒的。磁性超微粒为超磁性物质，有外加磁场作用时，分子磁矩定向排列对外显磁性，随磁场强度增加而曾加，最后达到饱和，当外加磁场消失，磁性粒子立即退磁，几乎没有磁滞现象。磁性粒子悬浮于基液中使之具有磁性，磁化特征于磁性粒子相似。磁流体的磁
11、化特性是其最重要的性质，是磁流体被用作密封材料、润滑材料、控制液的基础。磁流体具备液体的流动性，对磁场敏感，从而可被磁场以任意形状约束在特定的地方。1.3.4蒸发特性通常用蒸发率或饱和蒸气压来表示磁流体的蒸发速度。压强一定时，温度高，则蒸发量就大；相同温度时，饱和蒸气压高的磁流体蒸发量大。1.3.5磁热效应当磁场强度改变时，磁流体的温度也改变。即当磁流体进入较高磁场强度空间时，磁流体被加热；而当磁流体离开磁场空间时，磁流体被冷却。磁场强度的升高可加热磁流体。热磁对流将磁流体置于温度场和磁场下，由于温差的存在，磁流体的磁化强度存在差别，因而受力就不平衡。温度低处，磁流体的磁化强度大，受磁场的作用
12、力也较大。因此磁流体在磁场作用力和流体的浮升力的共同作用下而流动。热磁对流比自然对流作用要大得多。1.4磁流体的应用1.4.1磁性液体研磨磁性液体研磨是利用磁性液体本身所具有的液体流动性和磁性材料的磁性来保持磨粒与工件之间产生的相对运动，从而达到研磨工件的精加工方法。它的特点是，加工精度很高，表面质量好，不会在加工表面形成新的加工变质层，容易保证零件的机械物理性能，研磨效率和研磨精度容易控制，适用加工材料面宽，不但适合于研磨平面，而且适合于球面和其他复杂形状零件表面的研磨加工。按其原理可以分为磁浮置研磨、分离式研磨和堆积研磨。1.4.2磁流体润滑磁流体是一种新型的润滑剂，它可利用外加磁场使磁性
13、液体保持在润滑部位，在润滑过程中可以抵消重力和向心力等，也不泄漏，并可防止外界污染。磁流体润滑除具有一般滑动轴承的特点（承载能力大、抗震性能好、使用寿命长等）外，它还不存在端泄，因而不需要供应系统，这是普通滑动轴承所不具备的。用于润滑的磁流体的粘度比较大，承载能力高，但粘度大引起发热问题严重。1.4.3磁流体阻尼器磁流体阻尼器的形式很多。一种惯性阻尼器是在一个非磁性的轻金属的壳体内，放置一块较重的永磁体，在壳体内充满磁性液体。于是永久磁体就悬浮于磁流体中，其原理和磁流体浮沉分离是一样的，但磁场是由永磁体自身提供的。若壳体做往返振动或旋转，阻尼器则产生阻尼作用。其阻尼的来源是永磁体的惯性和磁性液
14、体的粘度。另一种阻尼器的形式是在高速旋转的轴的支承系统中将磁流体用于挤压膜减震中。这时的挤压膜不需要不断补充工作介质，如果磁场强度足够大，则不仅磁流体的粘性对挤压膜有益，而且在高磁场梯度在磁流体的浮力也将起到一定作用。所以这种磁流体的挤压摸减振比普通磁性液体的要好。1.4.4热学上的应用利用磁流体的磁化强度随温度变化的规律，可制成测量温度的传感器。用磁流体可制成柔性顺性很好的传感头，特别是测量凹凸不平表面的温度时，这种传感器能更好的与被测表面贴合。在热学上的另一种有前途的应用是利用绝热去磁致冷的原理，将磁流体作为致冷设备的冷却剂使用，可以起到像氟利昂这类冷却剂的效果，但对环境友好。1.4.5磁
15、流体用于选矿分离利用磁流体的表观密度随外磁场的变化而变化的特点，可以来筛选相对密度不同的非磁性矿物。相对密度差别在百分之十左右的矿物可用此技术较好的分离，一般采用水基磁流体，这样可以循环重复使用。采用这项新技术利用清洁的磁选法可以回收重选精矿中的金，生产过程不使用汞，与汞技术相比，它的金回收率较高。1.4.6光学上的应用利用磁流体薄膜（厚度在10-2mm级）可以透光以及它在外磁场中的化学各向异性性质可制成光学偏振器，这种偏振器比普通偏振器得到的偏振光纯粹得多，并且只需要改变外磁场方向，就可以改变偏振面的方位。将磁流体薄膜制成的波晶片、起偏器和检偏器，就可以组成高频光闸，这种光闸的开关频率可达每
16、秒107次，这显然不是任何具有惯性的机械光闸可以相比的。而且与其它液体光闸相比，它的透光性程度要高得多，同样光强的入射光，从磁流体透出的光强比一般液体波晶片透出的要高出好几个数量级。这种高光速闸在光通讯、光测距、高速摄影等方面有很大用处。1.47磁流体密封磁流体的密封原理如图8所示（动密封）。由永久磁铁在磁路中产生的强磁场梯度将磁流体保持在密封间隙中形成O形密封环。磁流体密封的主要优点有：（1）可以做到零泄漏，只要存在完整的密封环，就能实现完全隔离，不需要维护；（2）磁流体密封是摩擦力最小的密封方式，对旋转运动表面的密封有很好的适应性，由于磁流体内的磁性颗粒为纳米级，不会对轴有磨损，所以摩擦功耗极低；（3）不需要预紧力，从而避免了装配时由于密封
