磁流体的研究现状以及应用

李静，孙舒明

关键字：磁流体；应用；发展

中图分类号：TQ584文献标识码：A文章编号：1004-633X（2011）08-0000-00

作者简介：李静（1988年-），男，汉族，山东菏泽市，中国矿业大学材料科学与工程学院，学生，本科在读，材料科学；孙舒明（1989年-），男，汉族，山东日照市，中国矿业大学材料科学与工程学院，学生，本科在读，材料成型。

作者单位：中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏徐州邮编221116

磁流体即磁性液体(MagneticLiquid)，也称磁性胶(MagneticColloid)。磁流体于二十世纪四十年代被人们发现,美国的Papell在1963年获得的第一个磁流体制备专利,随后在20世纪60年代初，美国NASA在其宇宙飞船中成功应用了磁流体材料，之后发展迅猛并且开始转向民用。

1纳米磁性液体的构成和分类

磁流体的组成

磁流体的结构如图（1）所示，它是由载夜、纳米级的磁性颗粒和包覆在磁性颗粒表面的表面活性剂组成的稳定胶体溶液或悬浊液，有时会加入油溶性试剂、抗氧化剂、防腐剂及增粘剂来改善磁性液体的性能，获得更加稳定的液相体系。纳米磁性粒子可以是铁氧体、氮化铁、铁、钴等金属及其合金的纳米颗粒，表面活性剂可以是油酸、丁二酸、氟醚酸，聚氧乙烯烷基酚基醚等，载液可以是水、煤油、双酯聚本醚、汞、钒、铟锡合金以及金属有机化合物等。磁流体中的磁性颗粒粒径属于纳米级（一般为10nm），从而导致了其再光、电、磁和热等理化性质方面具有特殊性能。

图（1）纳米磁流体内部的组成

磁流体的分类

磁流体的分类有很多种，一般按照载夜、磁性颗粒的性质分类。

按照磁流体的磁性颗粒性质分类

(1)铁酸盐系列

铁酸盐系磁流体的磁性粒子一般是铁酸盐，如Fe3O4、Fe2O3、BaFe12O19、CoFe2O4和NiFe2O4等。

(2)氮化铁系列

Fe3N、Fe4N等，氮化铁作为磁性颗粒的氮化铁系磁流体其饱和磁化强度比铁氧体型约高3倍以上，而且化学稳定性也比金属及铁氧体强。

(3)金属及其合金系列

Fe、Co、Ni、稀土金属及金属合金等，近些年有关金属合金、稀土及其合金纳米磁流体的研究比较多。稀土金属系列磁流体在磁制冷方面的应用具备比较大的潜力，成为国内外研究的热门。

按照磁流体的载夜分类

常见的有水基、烃基、有机化合物基、煤油基、硅碳氢化物、合成酯基和水银基磁性液体等。

2磁流体的理化特性

磁流体的物理性质

磁性液体的特性由纳米磁性颗粒、表面活性剂及载液共同作用表现出来的。磁流体不仅具备液体的流动性，而且还具有固体的磁性。作为一种特殊的胶体体系，稳定性是磁性液体最重要的特性。磁性液体同时具有软磁性和流动性，具有特殊的物理特性、化学特性及流体特性。这些不同于普通液体的特殊性质，为开发新型磁性元件、扩展其在工业方面的应用奠定了基础。

磁流体的磁化特性

磁流体中的磁性颗粒在磁场的作用下可以自发磁化到饱和，由此使其具备不同一般磁介质的磁性性能。具体表现为：静态时,该流体无磁吸引力;当外加磁场作用时,才表现出有磁性,而且其磁性与其流动性表现出极强的相关性。当磁流体表现为磁性时，会出现相应的磁特性、粘滞性、密封性、流变性、磁浮性、稳定性和双折射性等独特的性能；当无磁场撤时，系统磁矩的和会变为零，显超顺磁性。温度也对磁流体的的饱和磁化强度有很大的影响，表现为随温度升高而强度降低，温度降至居里点时磁性消失。磁性颗粒大小也影响磁流体的磁性，一般来说尺寸越大磁性越弱。磁流体的密度也同样影响磁化特性，测试实验室制备的磁流体不同密度情况下的磁性，当载夜较多即磁性颗粒密度小时其磁性较小，载夜少而磁性颗粒密度很大时磁性也较小，只有在适当的密度下其磁化特性才最好。

磁流体的粘度

磁流体的粘性包括两部分：其一是普通流体力学下的粘性，温度和压力影响这种粘性；其二是外加磁场造成的粘性即附加粘性。磁流体的粘度与磁流体的基液有关，磁流体粘度随基液粘度增加而增加。另外磁流体粘度还和其中的磁性颗粒的化学性质、尺寸、浓度等有关。磁场的有无和强弱对其粘度影响很大，无外加磁场且磁性胶体浓度较低时，呈牛顿流体特性;当施加静态强磁场时，粘度一般会增加，并呈现非牛顿流体的特性。

3磁流体的制备方法

随着对磁流体的研究深入，磁流体的制备技术也日趋成熟，包括物理和化学方法。

化学共沉淀法

此方法是1972年Reimers等人开发的，是目前普遍使用的制备磁流体方法。此方法制备的产品一般是铁基磁流体。将一定比例的亚铁盐和三价铁盐在碱性环境下进行化学反应，之后加入表面活性剂并搅拌一段时间，最后加入载夜溶解得磁流体。在加入载夜前磁性液体一般要进行干燥、洗涤。制备期间各个不同的环节要调节酸碱度、温度、搅拌时间、试剂的量等。其中载夜选取、表面活性剂的选取、铁盐的选取、反应进行的程度、温度、酸碱度、包覆次数。以及各步骤的反应的时间对最后获得的磁性液体有很大的影响。其优点在于所需设备较简单，制备时间短等。但是在制备时存在氧化、需要随时调节PH等缺点等。

真空蒸镀法

此方法制备的过程也因需要和制备条件的限制而各异，一般的方法是将掺有表面活性剂低挥发性溶剂装入可以转动的滚筒中，用真空泵对系统抽真空，利用热源加热蒸发金属，蒸气吸附挥发性溶剂，最后在滚筒表面吸附凝结成液膜，收集制的液膜将其分散于载液中，最后得到磁流体。中国矿业大学科研小组将金属放入石墨坩埚中，在自制反应室（不可转动）加入烷烃等有机气体，通过加热来蒸发金属制得炭包覆纳米合金磁流体。这种方法适宜制备金属及其合金纳米磁流体，这种方法制备的磁流体粒度均匀、颗粒度小、性能优异。但是制备的设备比较复杂，制备过程难以控制，并且制备操作难度大。

机械研磨法

此方法是由S.S.Papell在1965年提出的，是制备磁流体最早的一种方法。将粉碎的磁性粒子、表面活性剂和载夜混合均匀，将混合物加入球磨机中进行球磨,时间带该为1000-1100小时左右。研磨后得到的混合物中有一部分微粒能稳定地分散于载液中。然后在高速离心机中离心处理以除去大直径颗粒,得最大粒径为10-8m的磁流体。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。

4磁流体的应用

磁流体推进器

“磁流体推进器”是在贯通海水的通道内建立一个磁场，该磁场对导电的海水产生电磁力作用，让其在通道内指向船艉方向运动，产生的反作用力将推动船舶前进。超导电磁流体推进是把电能直接转换成流体的动能，将喷射推进取代螺旋桨推进的新技术，具有低噪音和安全性等特点。此技术在特殊船舶推进应用中具有重大价值，如潜艇、舰艇等。

磁流体发电机磁流体发电机，又称等离子发电机，是根据霍尔效应，用导电流体如空气或液体与磁场相对运动而发电的一种设备。磁流体发电具有很多优点，首先磁流体发电机的功率易于控制，另外产生的环境污染少。磁流体发电机制造中的也存在很多问题，如发电通道效率低，通道和电极的材料都要求耐高温、耐碱腐蚀、耐化学烧蚀等。

磁流体密封

磁流体密封自20世纪60年代发明以来得到了广泛的应用,其主要包括动态过程密封隔绝密封特殊机械密封和环境密封四个方面.当磁流体注入磁场的时，它可以充满磁场中的间隙，形成一种“O型密封圈”，磁流体密封装置能将旋转运动传递至密封容器内。磁流体密封尤其是旋转轴动密封具有零泄漏、用量少、防振、无机械磨损、小摩擦、低功耗、无老化、自润滑、寿命长等优点。

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PresentEvolutionStatusandApplicationoftheTechniquesOfMagneticFluid

LIJing,SUNShu-ming

(LIJing,SchoolofMaterialScienceandEngineering，ChinaUniversityOfMiningAndTechnology,Xuzhou221116;SUNShu-ming,SchoolofMaterialScienceandEngineering，ChinaUniversityOfMiningAndTechnology,Xuzhou221116)

Abstract:alongwiththepeopleofthemagneticfluidphysicalproperties,chemicalproperties,manufacturingprocessofin-depthstudy,magneticfluidmoreandmorespecialfunctionwasfound.Asakindofnewimportantliquidfunctionalmaterial,magneticfluidisgraduallybeingappliedinvariousfields.Thispapersummarizesthecomponentsofmagneticfluid,classification,physiochemicalproperties,magneticfluidapplicationwereintroduced.Finallythearticleofmagneticfluidonthefuturedevelopmentofsimpleideas.

Keywords:magneticfluid;application;development