| 磁性液體性質(zhì)及應(yīng)用 | ||||||||||
| 作者：南京大學(xué) 鐘偉 都有為 | ||||||||||
磁性液體是由納米級(jí)（10納米以下）的強(qiáng)磁性微粒高度彌散于某種液體之中所形成的穩(wěn)定的膠體體系。60年代美國首先應(yīng)用于宇航工業(yè)，后來逐漸轉(zhuǎn)為民用，現(xiàn)已成為很龐大的產(chǎn)業(yè)，在美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家都有磁性液體公司，全球每年要生產(chǎn)磁性液體器件數(shù)百萬噸。 磁性液體中的磁性微粒必須非常小，以致在基液中呈現(xiàn)混亂的布朗運(yùn)動(dòng)，這種熱運(yùn)動(dòng)足以抵消重力的沉降作用以及削弱粒子間電、磁的相互凝聚作用，在重力和電、磁場的作用下能穩(wěn)定存在，不產(chǎn)生沉淀和凝聚。磁性微粒和基液渾成一體，從而使磁性液體既具有普通磁性材料的磁性，同時(shí)又具有液體的流動(dòng)性，因此具有許多獨(dú)特的性質(zhì)。 磁性液體是由強(qiáng)磁性微粒、基液以及表面活性劑三部分組成。為了得到穩(wěn)定的磁性液體，強(qiáng)磁性微粒必須足夠小，如對鐵來說，微粒直徑要小于3納米；對Fe3O4來說，直徑不能大于10納米。制備納米微粒的方法很多，我們采用化學(xué)共沉淀技術(shù)制備直徑10納米左右、分布均勻的Fe3O4微粒。化學(xué)共沉淀技術(shù)具有操作簡便、成本低，對設(shè)備要求不高等優(yōu)點(diǎn)。選擇合適的表面活性劑是制備磁性液體的關(guān)鍵。表面活性劑包覆在微粒表面，具有以下作用：1. 防止磁性顆粒的氧化；2. 克服范德瓦爾斯力所造成的顆粒凝聚；3. 削弱靜磁吸引力；4. 改變磁性顆粒表面的性質(zhì)，使顆粒和基液渾成一體。對表面活性劑總的要求是，活性劑的一端能吸附于微粒表面，形成很強(qiáng)的化學(xué)鍵，另一端能與基液溶劑化。不同基液的磁性液體要選擇不同的表面活性劑，有時(shí)甚至需要兩種以上的表面活性劑。南京大學(xué)從八十年代開始進(jìn)行磁性液體的研制工作，在強(qiáng)磁性微粒的制備，表面活性劑的選擇等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)已能制備出高質(zhì)量的水基、煤油基和鄰苯二甲酸二異辛脂基磁性液體。 二、磁性液體的性質(zhì) 由于磁性液體同時(shí)具有磁性和流動(dòng)性，因此具有許多獨(dú)特的磁學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)特性。 磁性液體表現(xiàn)為超順磁性，本征矯頑力為零，沒有剩磁； 在外磁場下，磁性液體被磁化，滿足修正的伯努利方程。與常規(guī)伯努利方程相比，添加了一項(xiàng)磁性能，使磁性液體具有其它流體所沒有的、與磁性相關(guān)聯(lián)的新性質(zhì)：例如磁性液體的表觀密度隨外磁場強(qiáng)度的增加而增大； 當(dāng)光通過稀釋的磁性液體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光的雙折射效應(yīng)與雙向色性現(xiàn)象。當(dāng)磁性液體被磁化時(shí)，使相對于磁場方向具有光的各向異性，偏振光的電矢量平行于外磁場方向比垂直于外磁場方向吸收更多，具有更高的折射率； 超聲波在磁性液體中傳播時(shí)，其速度及衰減與外磁場有關(guān)，呈各向異性； 磁性液體在交變場中具有磁導(dǎo)率頻散、磁粘滯性等現(xiàn)象。 三、磁性液體的應(yīng)用 磁性液體的特殊性質(zhì)開拓了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，一些過去難以解決的工程技術(shù)問題，由于磁性液體的出現(xiàn)而迎刃而解。下面簡單地介紹幾種磁性液體應(yīng)用的原理。 1. 旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)密封 磁性液體旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)密封技術(shù)是磁性液體較成熟也是最重要的應(yīng)用之一，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于X-射線轉(zhuǎn)靶衍射儀、單晶爐、大功率激光器、計(jì)算機(jī)等精密儀器的轉(zhuǎn)軸密封。其結(jié)構(gòu)原理見圖1. 磁性液體在非均勻磁場中將聚集于磁場梯度最大處，因此利用外磁場可將磁性液體約束在密封部位形成磁性液體“O”型環(huán)，具有無泄露、無磨損、自潤滑、壽命長等特點(diǎn)。  圖1. 磁性液體密封原理 目前在國外的精密儀器中，磁性液體密封部件作為一個(gè)整體出售，售價(jià)一般在兩、三千美圓，不單獨(dú)出售磁性液體。南京大學(xué)在磁性液體旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)密封方面做了大量工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，擁有一項(xiàng)國家實(shí)用新型專利。在南京大學(xué)、南京師范大學(xué)、南京55研究所等單位的儀器上使用我們的磁性液體密封技術(shù)，效果良好，真空度可達(dá)10-6t . 磁性液體密封技術(shù)目前重要用于真空、灰塵、氣體的動(dòng)態(tài)密封，封水等液體由于難度較大，實(shí)際應(yīng)用的不多。若能在封水、封油等方面取得突破，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)O為廣闊，必將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。我們認(rèn)為可從以下方面開展工作：改進(jìn)密封件結(jié)構(gòu)，改善磁路設(shè)計(jì)，研制新型磁性液體。 2. 揚(yáng)聲器 將磁性液體注入揚(yáng)聲器的音圈氣隙對音圈的運(yùn)動(dòng)起一定的阻尼作用，并能使音圈自動(dòng)定位，同時(shí)音圈所產(chǎn)生的熱量可以通過磁性液體耗散，因此加入磁性液體可以提高揚(yáng)聲器的承受功率，在同樣結(jié)構(gòu)條件下可使輸入功率提高2倍，同時(shí)改善頻率響應(yīng)，提高保真度。磁性液體用于金屬膜揚(yáng)聲器性能更佳。目前國內(nèi)許多廠家生產(chǎn)磁性液體揚(yáng)聲器，生產(chǎn)線和磁性液體均從國外進(jìn)口。若能將磁性液體國產(chǎn)化，必將帶來非常可觀的收益。 3. 阻尼器件 利用磁性液體作為旋轉(zhuǎn)與線性阻尼器，以阻尼不需要的系統(tǒng)振蕩模式。與一般阻尼介質(zhì)相比優(yōu)點(diǎn)在于可擠占籍助外磁場定位。例如在步進(jìn)馬達(dá)中使用磁性液體阻尼來消除系統(tǒng)的振蕩與共振，使馬達(dá)精確定位。另外在防振臺(tái)中使用磁性液體阻尼（圖2），可消除外界振動(dòng)噪音的干擾，以確保精密儀器（天平，光學(xué)設(shè)備等）正常工作。  圖2. 磁性液體阻尼器件 4. 選礦分離 利用磁性液體的表觀比重隨外磁場的變化而改變的特點(diǎn)，可用來篩選比重不同的非磁性礦物（圖3）。比重差別在10%左右的礦物可用此技術(shù)較好地分離，一般采用水基磁性液體，可重復(fù)使用。  圖3. 磁性液體選礦分離示意圖 5. 開關(guān) 圖4為磁性液體無摩擦開關(guān)示意圖。水銀和磁性液體裝在一個(gè)不導(dǎo)電的容器中，利用外磁場改變水銀在容器中的位置，來達(dá)到接通和斷開電流的目的。圖5為不需動(dòng)力的新型磁性液體離心開關(guān)示意圖。磁性液體密封在轉(zhuǎn)軸上的非磁性容器中。當(dāng)轉(zhuǎn)軸靜止時(shí)，磁性液體位于容器下部，傳感器檢測不到它；當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，離心力使磁性液體分布于容器內(nèi)壁，傳感器檢測到磁性液體并引發(fā)開關(guān)動(dòng)作。  圖4. 無摩擦開關(guān)  圖5. 新型離心開關(guān) 6. 精密研磨和拋光 磁性液體研磨是利用磁性液體的浮力將微米級(jí)的磨料懸浮于液體表面，與待拋光的工件緊密接觸。不論工件的表面形狀多么特殊，均可用此技術(shù)精密拋光。另外還可用來研磨高級(jí)Si3N4陶瓷球（圖6），效率比傳統(tǒng)方法高40倍。  圖6. 磁性液體研磨 7. 傳感器 目前有兩種商用磁性液體傳感器：一種是在石油勘探工業(yè)中用來測量鉆頭的加速和傾斜（圖7），另一種是在建筑工業(yè)中用來檢測地下管道的傾斜（圖8）。 圖7. 磁性液體傾角計(jì) 圖8. 傾斜傳感器 8. 其它應(yīng)用 除此以外，磁性液體還在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。如：磁性液體印刷、磁性液體薄膜軸承、聲納系統(tǒng)、磁性藥物、細(xì)胞磁性分離、磁性液體人工發(fā)熱器、磁性液體渦輪發(fā)電、光學(xué)開關(guān)，磁性液體剎車，等等。 四、當(dāng)前的重要工作 首先將已經(jīng)成熟的磁性液體旋轉(zhuǎn)軸封真空、封氣技術(shù)推向市場，以此為突破口占領(lǐng)市場。同時(shí)研制用于超高真空的硅油基磁性液體、可封油用的憎油基磁性液體；改善磁路設(shè)計(jì)和密封件結(jié)構(gòu)，力爭在封水、機(jī)油等液體介質(zhì)方面取得突破。(end) |
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