（动力机械及工程专业论文）磁性液体重要性能分析与可视化设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 摘要 磁性液体是一种典型的复合磁性材料，它既有液体的流动性，又具有 磁性材料的磁性。正因如此，磁性液体有许多其他材料所不具备的特殊性 能，尤其是它的超顺磁性和表面不稳定性。本论文在详细分析了磁性液体 特殊性能的基础上，设计了一种可视化装置来展示磁性液体的超顺磁性和 表面不稳定性。 在本论文中，首先从发展、制备、分类和应用四个方面对磁性液体进 行了概述，阐述了开展本项目的意义，详细论述了磁性液体的特殊性能， 主要是磁性液体的稳定性、超顺磁性和表面不稳定性。 为了使磁性液体的抽象性能用直观的方式表现出来，作者设计了一种 可视化装置。该部分包括比较了可视化装置的三种方案，并对选择的方案 进行了可行性分析；对该装置进行了整体设计，对电磁铁、机械结构和电 气控制三个部分进行了详细设计；展示了设计成功的可视化装置外型。所 设计的可视化装置已申请了专利，专利号：c n 2 6 8 9 3 6 9 。 最后总结了所做的主要工作并指出存在的问题，为磁性液体可视化装 置的进一步研究提供了理论和设计基础。 关键词：磁性液体，超顺磁性，表面不稳定性，可视化，电磁铁 北京交通人学倾卜学位论文 a b s t 咱m a b s t r a c t t h em a g n e t i cn u i di sa 勺，p eo fc o m p l e xm a g n e t i cm a t c r i a l ，w h i c hh a st h e n o w a b i l i t ya st h en u i da sw e l la sm em a g n e t i s mo ft 1 1 em a g n e t i cm a t e r i a l j u s t s o ，t h em a g n e t i cn u i dh a st h eu n i q u ec h a r a c t e rt h a tm eo t l l e rm a t 洲a l sd or 1 0 t h a v e ，e s p e c i a l l yt h es u p e ra 掣e e a b l em a g n e t i s ma n di n t e r f a c ei n s 油i l i t yo f m e m a g n e t i cf l u i d a tt 1 1 eb a s eo fa 1 1 a l y z i n gt l ee 印e c i a lc h a r a c t e ro fm em a g n e t i c f l u i d ，ak i n do fe q u i p m e n ti sd e s i g n e d ，w h i c hd i s p l a y s t h es u p e ra g r e ea b l e m a g n e t i s ma n di n t e r f a c ei n s t a b i l i 哆o f m em a g n e t i cn u i d i nt h i sp a p e r f i r s t l ys u m m 撕z e dt h ed e v e l o p m e n t 、m a n u f k t u r e 、c a t e g o r y a n da p p l i c a t i o no ft h e l a g n e t i cn u i d ，s u m m e du pt t l es i g i l i f i c a n c eo fc a n y i n g o u t “sp r o j e c t ，a n dd i s c u s s e dt h es “蛳1 i t y 、s u p e ra g r e e a b l em a g n e t i s m 趴d f e r r o n u i di n t e 吨瓣ei n s t a b i l i t yo f t h em a g n e t i cn u i di nd e t a i l f o rd i s p l a y e d 血ea b s t m c tc 印a b i l i t yi ni n t u i t i o n i s t i cf a s h i o n ，t h ea u t 王l o r d e s i 印e d av i d e o e q u i p m e n t t h i sc o n t e n tc o n s i s t so fm r e ep a n s ： f i r s t l y c o m p a r e dt h r e ep r o j e c t so ft h ee q u i p m e n ta n da n a i y z e dt h ef e a s i b i l i t yo f t 1 1 e p r o i e c tw h i c hi sc h o s e n ，s e c o n d l yd e s i g n e dt h ew h o l es t r u c t u r eo fm ee q u i p m e n t ， n n a l l yd e s i g n e dt h ee l e c t m m a g n e t ，m e c h a n i c a ls t m c t u r ea n de l e c t r i cc o m r o lo f t h e e q u i p m e n t i nd e t a i l s t h ee q u i p m e n th a sp a t e n t t h en u m b e ri s c n 2 6 8 9 3 6 9 f i n a l l yt h ep a p e rs 啪m 撕z e dt l ep r i m a r yw o r k a 1 1 d p o i m e do u tt | l e s h o r t c o m i n g si nt h i sr e s e a r c h ，w h j c hl a i dt h et h e o r e t i c a la 1 1 dd e s i g nf o u n d a t i o n o nm ev i d e oe q u i p m e n to ft h em a g n e t i cn u i d k e y w o r d s ：m a g n e t i cn u 埘，s u p e ra g r e e a b l em a g n e t i s m ， i n t e r f a c e i n s t a b i l i t y ，v j d e o ，e i e c t r o m a g n e t i l 北京交通大学倾士学位论文第一章绪论 1 1 1 磁性液体的发展 第一章绪论 1 1 磁性液体概述 磁性液体，又叫磁流体、磁性流体或铁磁流体，英文名称为“f e r r o n l l i d ”， “m a 印c t i cn u i d ”，“l i q u i d ”等，应用较广的为“m a 印e t i cn l l i d ”。磁性液体 是一种典型的复合磁性材料，它由直径约为1 0 姗的磁性固体微粒在特定 的表面活性剂的作用下均匀分散到基液中与其混合而成的一种固液相混的 胶体溶液。微粒与载液通过表面活性剂浑成的这种磁液即使在重力场、电 场、磁场作用下也能长期稳定的存在，不产生沉淀和分离。 磁性液体的组成如图1 1 所示，主要由基载液、磁性微粒和表面活性剂 组成。 图1 l 磁性液体的组成 磁性液体的想法最早出现在1 7 7 8 年，g o w a i l 融n 曲t 试图把铁磁性颗 粒在载液中弥散开来，但没有成功2 1 。到了2 0 世纪3 0 年代，人们才真正开 北京交通大学硕上学位论文第一章绪论 始磁性液体的研究。1 9 3 1 年f l b i n e r 发表文章提出了铁磁性液体研制的问题 | 3 】。1 9 3 8 年e l m o r e 发表了两篇关于铁磁性胶体的文章【4 j ，但当时并没有研 制成可用的磁性液体。到了6 0 年代中期，美国国家航空和航天管理局 ( n a s a ) 为解决宇宙飞船和宇航服可动部分的密封问题及在失重状态下的 燃料补充问题而投入大量资会研究与磁性液体相关的问题。1 9 6 5 年，s s p a p e l l 第次用粉碎法成功研制了一种稳定的铁磁性液体l5 1 ，并由此获得世 界上第一个具有实用意义的制各磁性液体的专利。它的磁性颗粒是通过研 磨将磁粉研磨成粒度为1 0 m 量级的微粒，这是11 项非常费时费力的工作。 直到1 9 6 6 年，f 1 本东京大学教授下饭坂润三首先用化学方法制出了磁性固 体颗粒【6 j ，开始了磁性液体工业化生产的进程。 1 9 6 4 年j n c u r i n g e r 和r r o s e n s w e i g 在p h y s f l u i d s 上发表了一篇题为 f e r r o h y d r o d y n a m i c s 的文章这篇文章奠定了铁磁性液体的热力学和磁性 液体力学基础。此后，在美国、前苏联、本等国家磁性液体的研究与应 用得剑迅速的发展。其研究与应用范围包括宇航、计算机、真空技术、印 刷术，机械学中的润滑、密封、阻尼器、研磨技术，冶金中的浮选，光学 中的波晶片，声学中的声纳仪、扬声器，热学中的温度传感器、磁热泵及 非常有前途的铁磁性液体制冷装置，以及医学中作为药剂或造影剂的载体 等等。如今，铁磁性液体己形成一个独立的学术领域，第一届纳米磁性液 体国际讨论会于1 9 7 7 年在意大利召开，此后，每隔三年举行一次国际会议， 迄今已举行过十次会议。纳米磁性液体已经成为当前磁性液体材料研究、 应j j 领域内的一个热门课题，在国内外的相关报刊与杂志上已有越来越多 荚于纳米磁性液体材料的报道，至今发表的论文与专利逾千篇。 纳米磁性液体在国外的发展一直处于领先的地位，纳米磁性液体自问 世以来，引起了世界各国有关人士的重视和兴趣，在美国、日本、英国、 6 u 苏联等幽均有纳米磁性液体材料专业生产1 厂。目前，国内外正积极研 北京交通人学硕士学位论文 第一章绪论 制金属性的纳米磁性液体，其中磁性微粒为铁、镍、钴、等金属，以及这 些会属的合金及其氮化物，其饱和磁化强度比铁氧体微粒高3 倍以上。 我国从2 0 世纪7 0 年代以来，南京大学、西南应用磁学研究所、东北 工学院、哈尔滨化工研究所、北京理工大学、北京钢铁研究院等单位相继 开展了这一领域的研制工作，并有产品问世。如南京大学已试制成水基、 烷基、二酯基、硅油基等多种类型的纳米磁性液体峭j 。但目前国内还未广泛 开拓该该材料在众多领域的应用，与国外相比我们还有很大的差距。 1 1 2 磁性液体的分类 纳米磁性液体按照不同的分类标准有不同的分类方法。按照纳米磁性液 体材料中所用的铁磁性固体微粒种类的不同可以分为【9 】：铁氧体磁性液体， 金属磁性液体，氮化铁系磁性液体，复合微粒磁性液体。铁氧体材料主要使 用磁矿、锰锌铁氧体，可用不同的制备方法制备出纳米铁磁性颗粒，这类磁 性液体在产量上占绝对优势，但受其自身限制，其饱和磁化强度较低，最高 为8 5 0 g s ，应用范围有限：金属材料有、钻、镍、被、等，以及这些金属的 合金，可以采用电解沉淀、等离子体化学气相沉积、真空蒸镀法、有机金属 盐热分解法等制成金属或合金的纳米铁磁性颗粒，这类磁性液体的饱和磁化 强度可达15 0 0g s ，但即使是在惰性气体保护和加入抗氧剂的情况下也无法 完全阻止其氧化；氮化铁系材料主要以f e l 6 n 2 为核心成份，常采用超高真空 制得纳米磁性颗粒，这类磁性液体相比较而言，饱和磁化强度高、化学稳定 性强：复合磁性液体则是以磁性液体与非磁性小颗粒组成的复合体系，这种 磁性液体具有双折射和二向色性等新奇特性。同本还研制成了彩色和透明磁 性液体。 按照纳米磁性液体材料所用的基液，可以分为水基类、烃类、酯类、二 酯类、碳化氟类、水银类、碳氢化合物类、聚苯醚类等，几种常见基液及纳 北京变通人学硕学位论史第一章绪论 米磁性液体材料的特点和用途列于表1 1 。根据纳米磁性液体的用途不同选 择不同的基液。 表1 1 基液及纳米磁性液体的特点 载液名称所制磁液特点及用途 p h 值可在较宽范喇内改变，价格低廉，制需工艺简便； 水 适用十医疗、磁忡分离、选矿、显d i 及碰帝、磁泡检验等。 蒸汽压较低，适用于真空发商速密封，润滑好的磁液特别适用于要求 酯艟酯 雎擦低的装置并可用于阻尼装置，他如用十扬声器及步进马达等阻尼用。 精制合成油 类似于酯及二酯所制磁液其蒸汽压很低。 硅酸盐酯类 耐寒性好，适用于低温场合。 碳氢化含物黏度低适用于高速密封，各种碳氧化台物载液可互相混合 氟碳罐化台 具有不易燃、宽温、小溶十其他液体“活泼性环境，如含臭氧、 物 氯气等环境特别适用。 聚苯基醚 蒸汽压低t 黏度低，适用十高真空和强辎射场合，辐射阻抗大于1 0 6 g y 。 町做f e 、c o 、f e c o 、f e n i 嵫r i 馓粒的栽液所制磁性液体 水钺 饱和磁化强度大，导热性好。 1 1 3 磁性液体的制各方法 g o u ，觚k 1 i g h t 首先尝试制备了磁性液体，他的方法是使铁磁性颗粒在 载液中弥散丌来，现在所用的制备方法与他的制备方法基本相同。他将铁 屑弥散在水中，经过几个小时的混合后，水中会含有小的悬浮颗粒，但是 混合物彳i 是长期稳定的。f b i t t e r 制备了一种胶体来研究磁畴，这种胶体是 磁铁矿存水中的胶状悬浮液，其悬浮颗粒的尺寸在1 0 3 n m 左右。e l m o r e 制 备过含何更小颗粒( 2 0 n r n ) 的悬浮液，它们同磁性液体极其类似。但是，要 4 北京交通大学坝l 学位论文第一章绪论 获得高磁化强度、高颗粒浓度的超稳定系统，还须精制以消除大的颗粒。 随着磁性液体研究的迅速发展，出现了更多制备磁性液体的方法，现 今韦0 备的磁性液体其稳定性更高，饱和磁化强度增大，磁性液体种类更多。 目前制备磁性液体的方法有：粉碎法、湿化学共沉淀法( 胶溶法) 、氢还原 法、火化电蚀法、紫外线分解法、热分解法、真空蒸发法、电着法、气相 液相反应法和等离子体法等。每一种方法都有其适用的范围和优缺点，下 面对几种比较重要的制备方法做简单介绍。 1 1 3 1 粉碎法1 o 】 该方法为美国首创。它是将分散质和表面活性剂与溶媒放在一起，在 球磨机上进行长时间的研磨，而后通过过滤或离心分离去除粗粒子而制得 磁降液体。该法的制备原理简单，但是效率不高，研磨时问很长、成本过 高，0 i 适合大批量生产；同时磁性微粒的粒度较大，分布范围宽，设备磨 损严重，获得的磁性液体杂质较多，因而并没得到推广。 近年来国外又有新的研磨技术显现，如采用磁性液体研磨等，如先将 非磁性颗粒磨到胶体尺寸将它分散到载体溶液中，当其完全稳定悬浮时， 即可将其转换为铁磁性液体。该法所用时间可减少到常规方法的百分之几， 而且该法十分简单，但是耗电、费时、成本高。 1 1 3 2 湿化学共沉淀法( 胶溶法或解胶法) 该方法是将可溶的亚铁盐和铁盐( 凡二和凡“) 按比例生成凡，d 4 理论 量( 摩尔比1 2 ) 更小的比例混合后，加入碱性沉淀剂，合成凡，0 4 超微粒 子。然后将凡、。d 粒子加入到含有表面活性剂( 如油酸) 的载液中煮沸。再 将吸附油酸的凡。d 4 粒子从水相转移载液中，分离后即可得到磁性液体。 如氯化铁和氯化亚铁在氢氧化钠水溶液中反应，由下列反应可得f 也d 4 北京变通人学坝l 学位论文 第一章绪论 固体粒子。 f e c t 2 + 2 f e c t3 + 毽n n o h f e p 4 十毽n d c l + 4 h ! o 也可以用硫酸铁和硫酸亚铁生成磁性凡，0 4 。如此形成的凡，0 4 超微粒 子吸着油酸离子水洗脱水，分散于二甲苯等溶媒中，即可生成磁性液体。 将稀释的凡c f ：4 h ：0 和恐c l - 6 马d 在温度为7 0 的条件混合，加入 过量的n a o h ，然后连续搅拌，为了获得高度分散的共沉液，高速搅拌以限 制粒子的增长是非常有必要的，通常用h 。0 日代替n a o h 更能提供 凡。凡：0 3 牛成的条件，否则m 凡d 月凡：。4 ( ”) 可以使其组成的磁性能 变坏。为了确保分散剂和凡，0 4 粒子的作用，必须用水多次清洗反应物，以 去掉c 一和盐的离子，为了确保共沉淀反应的彻底，碱的数量要过量。反应 的温度为2 5 4 0 之间。 用这种方法制备的凡，0 4 粒子的直径范围为2 2 0 h 川，其平均直径为 7 h 埘，粒子的表面吸附能力好。 这种方法比较优越，它可以通过工艺条件的改变来调整f 毛0 4 的粒度分 和。也可以控制表面活性剂的包覆条件，从而获得优良的磁性液体，这是 目自制备心，d d 磁性液体用的最多的一种方法。该方法的生产效率高，反应 迅速，可以自动化、机械化，可以被工业生产所采纳。 1 1 3 3 氢还原法 氢还原法是生产金属粉末的传统方法，冶金过程常用此法，但大都为 气固还原。s r h o o n 等人在第三届磁性液体国际会议上介绍了在溶液中的 氢还原，并报道了由二一玎5 戊基镍颗粒铁磁液体。报道产物的颗粒直径在 6 北京交通人学坝：e 学位论文 第一章绪论 8 ”以下，其颗粒主要是面心立方晶格的镍。具体方法是将浓度为5 2 m m d ， o 8 9 9 的双叩5 戊剂镍( 1 1 ) 矿一( c 5 h 5 ) 2 f 】悬浮在m a l l o x 0 2o t ( o 3 4 9 ， o7 6 m o ，) 甲苯( 5 ，) 溶液中，系统保持在m 气氛中将见气泡通过混 合物。为了能反应的好，混合物用油浴加热，温度保持在1 4 0 1 6 0 之间 使甲苯回流，约1 2 小时后，在器皿的表面覆盖一层金属镜面，所产生的黑 色磁液由红外光谱检查表明，磁液较为纯正。另一方面，在压力容器中， 在8 0 ，h ，压力为6 0 大气压时，也能得到还原反应。 1 1 3 4 真空蒸镀法川 将含有表面活性剂的低挥发性溶剂( 载液) 一起装入旋转滚筒，然后 将滚筒内部抽成真空，蒸发金属铁或钴时，表面活性剂被蒸发金属吸附在 滚筒表面，分散于载液中即形成金属磁性液体。图1 2 真空蒸镀法的装置。 幂霉+ # m 镕性辑 图1 2 真空蒸镀法的装置 这种方法制各的磁性液体中磁性微粒小，粒度一致，磁性液体的分散 性极佳；缺点是设备复杂。 1 1 3 5 气相液相反应法 陔法是1 9 9 0 年h 本科学技术厅金属材料研究所的钟谷功开发的。1 9 9 2 午第六届幽际磁性液体会议上，他报告了以s 一凡，磁粒子分散于煤油中 ：一 杈 北京交通人学 ! j ! 学位论文第一章绪论 制成的磁性液体，饱和磁化强度达到了2 3 3 0 g s ，相对初始磁化率达到1 8 0 。 其制备原理是：在添加了铁羰基化和物和胺基系表面活性剂的煤油中导入 氮气，生成胺基羰基铁的中间体，然后高温分解该中间体，就可以生成氮 化铁微粒，在氮化铁微粒上吸附上表面活性剂，就形成了氮化铁磁性液体。 该法制备的磁性液体饱和磁化强度很高。这种性能优越的磁性液体被称为 新一代磁性液体的先锋。 1 1 4 磁性液体的应用 纳米磁性液体是一种新型的复合材料也是一种新型的功能材料，它具 有独特的性质，兼有固体的磁性和液体的流动性，在磁学领域有着广袤的 应用潜力。其研究与应用范围包括宇航、计算机、真空技术、印刷术，机 械学中的涧滑、密封、阻尼器、研磨技术，冶会中的浮选，光学中的波晶 片，声学中的声纳仪、扬声器，热学中的温度传感器、磁热泵及非常有前 途的铁磁性液体制冷装置，以及医学中作为药剂或造影剂的载体等等。 其主要工作原理是：利用磁场检测或纳米磁性液体的物理变化；利用 不同的磁场或磁场的不同分布，让一定量纳米磁性液体的位置任意保持或 使固体物质悬浮：利用磁场控制纳米磁性液体的运动；利用磁场设计纳米 磁性液体的整体密度或局部密度。在实际应用中各原理互相关联，纳米磁 性液体的典型应用如f ： 1 1 4 1 磁性液体密封 磁性液体密封是一种以磁性液体为功能液体，并采用聚磁结构实现非 均匀磁场分布，将磁性液体约束在密封间隙中而实现密封目的的一种液体 密封形式。 目前，磁性液体旋转密封技术已经发展到了比较成熟的应用阶段，国内 北京变通人学坝l 学位论史第一章绪论 外已出现比较成熟的产品。通常静态的密封采用橡胶、塑料或金属制成的 “0 ”形环作用为密封元件。旋转条件下的动态密封一直是较难解决的问题， 尽管人们采用了威尔逊密封法等，但无法在高速、高真空条件下进行动念密 封。利用纳米磁性液体可以被磁控的特性，利用环状磁体在旋转轴密封部位 ，1 。卜环状的磁场分布，从而可将纳米磁性液体约束在磁场之中而形成纳米 磁性液体的“o ”形环，且没有磨损，无泄露，自润滑性好，可以做到长期 的动态密封，这是纳米磁性液体较早、较广泛的应用之一。目前，在电子计 算机巾防止尘埃进人硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处已普遍采用纳米磁性 液体的防尘密封；在精密仪器的转动部分，如x 射线衍射仪中的转靶部分 的真空密封，大功率激光器件的转动部位，机械人的活动部位也采用纳米磁 性液体密封法；另外，单晶炉提拉部位、真空加热炉等有关部位的密封，采 用纳米磁性液体密封是比较理想的动态密封方式。 1 - 1 4 2 扬声器 通常扬声器中音圈的散热是靠空气传热的，对一定的音圈来说只能承受 定的功率，过大的功率会烧坏音圈。在音罔与磁铁间隙处滴入纳米磁性液 体，由于液体的导热系数比空气高5 6 倍，从而使得在相同条件下功率可以 增加1 倍。纳米磁性液体的添加对频响曲线的低频部分影响较大，通常根据 扬声器的结构，选用合适粘滞性的纳米磁性液体，可使扬声器具有较佳的频 响曲线。纳米磁性液体的加入有利于音圈的中心定位，可以明显地降低圈的 磨擦。日本三洋电机公司“0 t t o ”牌号的大功率扬声器，就是采用了纳米 磁性液体使相同结构条件下输出功率大为增加。 1 1 4 3 密度分离 纳米磁性液体被磁化后相当于增加磁压力，以致在磁性液体中的物体将 会浮起，好像纳米磁性液体的视在密度随磁场增加而增加，利用此原理可以 北京交通大学坝 。学位论文 第一章绪论 设计出纳米磁性液体比重计。纳米磁性液体可对不同密度的物体进行密度分 离，摔制合适的磁场强度可以使低于某密度值的物体上浮，高于此密度的物 体下沉，原则上可以用于矿物分离，一般选用水基纳米磁性液体。例如，使 高密的金与低密度的砂分离，城市垃圾中金属与非金属的分离。 1 1 4 4 生物医学上的应用1 1 3 l 利用磁性液体的磁特性和流动性，可以选择、分离病毒及细菌和用作 药物载体。其中第四代靶向给药系统之一的磁性微球抗癌药物载体是现在 研究的热点。当用无害的磁性液体作为药剂时，只需将磁铁放到人体上， 便可把药物吸引到必需的部位。磁性液体作为靶向药物的载体，对治疗离 文慢较近n 勺肿瘤如乳腺痛、食道癌、瞎咣瘸、皮肤痛等也显示出特有的优 越性，临床卜治疗肝癌已取得较好的疗效。 1 2 开展本课题研究的目的和意义 在科学技术飞速发展的今天，各种新型科学技术的研究也得到了迅猛 的发展，尤其是最近几年来学术界讨论正热的针对纳米材料的研究更为突 出。纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前 2 0 年的主导技术。因此，以纳米材料、纳米材料制备和应用为代表的新型 材料和加工新技术，在我国经济发展和制造j l k 中必将起到重要而又不可替 代的作用。而作为新型纳米材料的典型代表磁性液体也将占据这项新技术 的前沿并具有很大的发展空问。 1 2 1 本课题研究的目的 磁性液体是由直径约为1 0 个纳米的磁性固体微粒在特定的表面活性剂 的作用下均匀分散到基液中与其混合而成的一种固液相混的胶体溶液。纳 o 北京交通人学坝l 学位论义 第一章绪论 米技术在我们的工作和生活中经常听到，例如纳米洗衣机、纳米布料、纳 米陶瓷和纳米光盘等，但是人们对于纳米技术的理解还是非常抽象的，纳 米技术在人们的心中是一种神秘而高深的学问。 对于纳米磁性液体来说，从2 0 世纪3 0 年代真正开始研究磁性液体以 来，磁性液体已被广泛应用到了航天、电子、机械、冶金、石油化工、环 保、轻工、遥控遥测、仪表、阻尼、热交换、磁回路、传热其、电声器、 医疗卫生等很多方面，但是对于它的真正理解除了专业人员，还没有得到 广泛的认识。 为了扩大对磁性液体的认谚 ，人们一直在寻找一种简单、直观的方法 把磁性液体独特性能表现出来在。美国磁性液体网站上，有一个磁性液体 阻尼系统( 如图1 3 所示) ，该系统在应用磁性液体的同时，也从直观上展 示了磁性液体的特殊性能。本论文就是在分析磁性液体这两种重要性能的 基础上，设计了一种可视化装置磁液爬坡，把磁性液体抽象的性能用 一种简单的、直观的方式表现了出来。 图1 3 磁性液体阻尼系统 1 2 2 本课题研究的现实意义 在充满生机的2 l 世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术 利防的i 岛速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高 北京交通人学坝上学位论义 第一章绪论 集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、 新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新， 以及在此基础上诱发的新技术是未来l o 年对社会发展、经济振兴、国力增 强最肯影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和 社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接 近应用的重要组成部分。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的 极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。 研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然 的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度( 1 1 0 0 啪) 与 物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势 垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化 学特性既爿i 同于微观的原子、分子，也不问于宏观物体，从而把人们探索 自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之问的中间领域。在纳 米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念建立新理论，为构筑纳米 材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领 域的研究内涵。 利用纳米级的铁氧体、金属或铁磁性氮化铁颗粒，借助表面活性剂高 度均匀的分散于载液中，形成的稳定胶体溶液的磁性液体已经成为新型的 功能材料，它将液体的流动性和磁性材料的磁性统一在一种物质中，使之 具备了很多新的物理机理和特性。也f 因如此，对磁性液体的研究有着重 要的科学意义。它的问世扩大了工程技术和科学研究的应用领域。 通过该论文中装置的展示，可以形象地认识到磁性液体这种新型功能 材料的特殊性能，进而扩大人们充分认识纳米磁性液体这种材料，以更加 有效的利用它。 j e 垃交通人学坝卜学位论文 第一章绪论 1 3 本文的主要内容和结构 本论文的主要工作是从理论上分析了磁性液体的稳定性、磁性液体的 超顺磁性以及磁性液体的表面不稳定性：设计了一种可视化装置磁液 爬坡来展示磁性液体的重要性能。 下面对各章的基本主题和内容安排作简要说明。 本章分析了磁性液体的发展、分类、制备方法和主要应用，总结了本 课题研究的目的和意义。 第。章从理论上分析了磁性液体的稳定性、超顺磁性、在外磁场作用 卜的实酗、磁化曲线和磁性液体达到f 临界磁化强度后的表面不稳定现象。 第三章对磁性液体的可视化装置进行了方案设计和选择，对选择的方 案作了可行性分析：分析了磁性液体在非均匀外磁场作用下的体积力，推 倒了体积力公式：用实验方法估测了磁性液体磁化强度达到出现表面不稳 定现象时的外磁场磁感强度。 第四章用计算和经验相结合的方法设计了电磁铁，它是可视化装置的 核心部件，并对设计的电磁铁进行了初步验证。 笫血章对可视化装置进行了整体设计，包括机械部分和控制部分，机 械部分丰要是控制柜的外型、支架、玻璃管、吏板等部分的设计；控制部 分包括电路设计和p l c 控制程序设计。在第五章的最后展示了可视化装置 设计制造出来的实际效果。 第六章对全文进行总结，指出了本文的不足和需要进一步开展的工作。 北京交通大学硕i 学位论文第二章磁性液体重要性能分析 第二章磁性液体重要性能分析 2 1 磁性液体的稳定性 由于磁性液体中纳米级的磁粒巨大的比表面能以及磁粒之间的相吸 力，使得磁性微粒存在永久性的聚集作用。因此，稳定性成为评价磁性液 体的重要性能指标之一它将直接影响磁性液体的使用性能和寿命f 1 4 1 。本 节对磁性微粒( 含非磁性体) 在磁性液体中所处的状态和作用，以及外磁 场对磁性液体稳定性的影响进行了分析15 1 。 2 1 1 磁性液体中粒子间的磁力吸弓 磁性液体中的固体颗粒在外磁场中都是微小的偶极子。这些偶极子之 间存在相互作用的磁场力。在磁性液体胶体中，每毫升磁性液体中含有的 磁一h 固体颗粒的数量为1 0 1 8 的数量级。如此众多的颗粒做句朗运动时， 它们之问接近的机会就极为频繁。当偶极子对的磁势能超过热运动动能时， 就会产生因碰撞而集聚的情况。因为即使是在完全碰撞的情况下，两个磁 性颗粒的动能也不足以克服磁吸引势能而分开。所以保持磁性液体的胶体 状态的一个条件就是：偶极子对的磁势能毛小于热运动动能c k r 。 偶极子之剐的势能为 e 名= 与( m ，k ，) ( m ：) 刀? 霹一3 ( ，o 刀? ) ( ，o 刀：) ( 2 1 ) + 兀r 在磁性液体胶体中，可以取m ，= m ：= m ，= ：= 圪，= d 。+ 吐， 此处的d 是颗粒表面问的距离。在外磁场的作月| | f ，颗粒的磁矩都是按照 外磁场方向排列。这时偶极子对的相互作用的势能是最大的，它们的磁化 北京交通人学硕上学位论文 第一二章磁性液体重要性能分析 方向沿着它们之间的距离的方向，此时，( ，o - 茸) ( ，o 趟) = l ，群矗；= l 。 e ：蜊州删 一鬻 陋z ， 7 2 n + 二生) 若两个颗粒互相接触，即以= o ，则式( 2 - 2 ) 给出偶极子对的最大磁 ( ) 。= 一壶。m 2 ， 按照小发生集聚的条件，偶极予对本身的热运动能量2 7 应当大于 磁偶极子对问相互作用的最大磁势能，于是有 2 r 壶风m 2 ， 此不等式给出了颗粒直径d 。的限制条件为 蟠( 等丁 ， r o s e n s w e i g 取= 8 1 0 4 爿加，们= 4 4 6 1 0 5 爿m ，7 1 = 2 9 8 足，用这些典 型数据计算出来d 、9 8 n m 。这个尺寸表示偶极子对相互作用的磁场对于集 北京交通大学坝 学位论文 第二章磁性液体重要性能分析 2 1 2 磁性液体中固体颗粒之间的v a nd e r 、a l s 力 v md e rw a a l s 力存在于任何分子之间。通常认为v a nd e rw a a l s 力是由 一个微粒子中的脉动轨道电子诱导另一个微粒中的振荡偶极子所产生。对 于两个相等的圆球h 锄a k e r 得到偶极予脉动能量的表达式为 驴詈l 南+ 南+ l n 器j c z q 式中，a 称为h 锄a k e r 常数。对于处于碳氢化合物中的凡、飓0 1 及 凡3 0 4 ，a 的数值为( 1 3 ) 1 0 - 9 | v m 。，是无量纲的表面距离，：2 d 。d 。 当两颗粒相距很远时，分析能量e ，的函数形式。式( 2 4 ) 可以写成 b = 詈 南+ 击仙等等 = 刽絮嚣+ l n 一志 6 【( ，+ 2 ) 2 4 ( ，+ 2 ) 2 | ( ，+ 2 ) 2i l 爿l4 6i ( ，+ 2 ) 2 4 一高+ ；( 南h 高卜 当，很大，即2 吐 以时， ( f + 2 ) 2 4 斗( ，+ 2 ) 2 于是右边只剩下最 后的一项，同时因为，很大，所以有 b = 一3 5 6 爿f 。( 2 5 ) 当，很小时，即2 吐 或，直接由式( 2 - 4 ) 略去，2 项而得 弘罢( 如+ l n ，) 北京交通人学硕上学位论文 第二章磁性液体重要性能分析 由于嘞并= 二钐= 一，_ 。，所以相对于1 2 ，则l r i ，和z 均可忽视， 从巾 e ，= 去爿r ( 2 6 ) 1 2 在两颗粒接近时，偶极子脉动能量与距离的一次方成反比。式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 等弓右边的符号不同表明一个是排斥势能，一个是吸引势能。 为了抗拒v a l ld e rw a a i s 力的影响，住磁性液体中加入分散剂。分散剂 是一些长的链分子，其长度大约与固体颗粒的直径有相同的量级，即为几 个到十几个纳米。这些链分子的一端可以吸附在固体颗粒的表面上，而另 一端可以自由摆动。这就如同一段装有球形铰链的绞杆在空间中摆动，其 术端的轨迹在理想状况下是一个球面，由于绕铰链摆动的杆具有动能，所 以就形成一个保持距离的能垒。这个能垒很高，即使具有v a nd e rw i a l s 力 的势能、磁场势能、偶极子对势能的颗粒，都很难越过这个能垒而发生接 触。 2 1 1 3 固体颗粒在重力场中抵抗沉淀的稳定性 磁性液体中磁性固体颗粒在重力场作用下的沉降，实际上是一种低r e 数的圆球绕流问题。它们在沉降中所受到的流体阻力就是s t o k e s 阻力。按 s t o k e s 阻力定律，圆球状颗粒的阻力可以表示成 兀_ c ，( 三) ( 知 = 扣c ， p ， 中，p 。为基载液的材料密度，f ，为同定颗粒和基载液间的相对速度， c ，即摩擦系数，对于小圆球 c ，丝：型坠( 2 8 ) 7 r e p m 耐。 、 l 球交坷人学 l ! j j 学位论直茹一章磁性液体重要性能分析 式中，吼是基载液的动力粘性系数。颗粒在基载液中沉降的驱动力是 重力，而阻力除了s t o k e s 力外，还有基载液对颗粒产生的浮力，所以力的 平衡方程为 吉石d ；g = 吉z d ；g + 石d ；肌u 2 c ， 将式( 2 8 ) 代入上面平衡方程，对u 求解，就得固体颗粒在基载液中 的沉降速度 u ：亟之型监 ( 2 - 9 ) 1 8 仉 设基载液是矿物油，常温下其粘度仉= 4 1 0 。堙( 小s ) ，密度 氏= 8 5 啦州3 ：固体颗粒的材料是恐，0 4 ，其密度= 5 2 4 0 船州3 。若 颗粒尺寸为d 。= 8 ”m ，可计算出沉降速度为3 8 3 l o 。1 m s 。这相当于每年 下降1 2 m m ，若d 。= 4 砌，则每年沉降速度o 3 m 。这样缓慢的沉降，显然 可以保证磁性液体长期有效存在。 上述的计算没有考虑磁性固体颗粒之间的相互影响，这个结果只是当 颗粒在磁性液体中分靠很稀的情况下才实际存在。就磁性颗粒而吉，往往 磁场的作用比重力场大得多。在磁场中能够稳定，则在重力场中就不会出 现稳定的问题。由条件式： c ，( p 仲一p ) 劝o i 可得颗粒直径 蟠 蒜 _ 陋，。， 取= l o o 棚m ，丁= 2 5 。c = 2 9 8 k ，基载液和颗粒的材料仍为矿物油和 北京变通大学颁士学位论文第二章磁性液体重要性能分析 心。4 ，则由式( 2 一1 0 ) 得出 d 。9 9 5 胛m 此尺寸比此磁场容许的大1 0 倍，由此可见重力场的影响是很小的。 2 1 4 在外磁场作用下磁性液体的胶体稳定性 磁性液体中的磁性固体颗粒的尺寸非常小，以至于它们都是一些单畴 的磁性颗粒。所以他们实际上就是一个个的磁偶极子，磁性液体就可以视 为这些小磁偶极子的集合。在没有外磁场时这些小偶极子的磁矩方向是 杂乱无章和互相抵消的，所以总的宏观磁矩是零。在外磁场作用下，这些 小偶极子沿外磁场h 。的方向排列，它们的磁化强度矢量m 的方向与外磁场 h 。是平行的。这样，每一小磁偶极子在外磁场h 。中具有的磁势能就为 乞，= 一o 圪，肘日o( 2 - 1 1 ) 但从另方面束讲，每一小的磁偶极f 又是一个悬浮的分子，因而它 具有分子热运动。分子热运动的动能就是c 丁，这里c 是系数。对于最概 然速率的动能c = 1 ，对于统计平均速率的动能c = 1 2 7 3 ，对于统计方均根速 率的动能c = 1 5 。鲧是b o l t 珊a n n 常数。如果热运动的动能大于外磁场对颗 粒吸引的磁势能，则磁性液体中的固体颗粒就能保持其分散状态，而不会 向外磁场作用的方向集聚。所以，条件是： c k r 鳓m 战圪， ( 2 一1 2 ) 发颗粒是球形的，则= 石d ；6 ，1 i 是不等式给出颗粒直径以的限制 式： 北京交通人学坝i 。学位论文第= 幸磁性液体重要性能分析 蟠 溢 _ ( 2 1 3 ) 从式( 2 一1 3 ) 看，似乎温度t 越高，则颗粒的尺寸可以更大。事实上， 这个关系式是建立在分子运动论的基础之上的，如果固体颗粒太大，它们 就不具备分子的行为或偏离了分子运动论的适用范围。从而式( 2 1 3 ) 就不 再适用。此外，磁性液体的温度是有限制的，在过高的温度下，热运动剧 烈，颗粒不能很好的按照外磁场方向排列，这就意味着磁性液体的一个基 本性质，即磁化性能降低。 在外磁场的作用下，磁性液体胶体中的磁性固体颗粒将会建立一个稳 定的浓度梯度场。由于磁性颗粒在外磁场中受到的力是保守力，它所具有 的磁势能是( 2 1 1 ) 所表示的： e 。= 一耻n m h ) 式中，磁场强度h 。和颗粒的磁化强度m 都是坐标的函数，所以e 也 是坐标的函数，即 瓦= 瓦( g 。，g ：，吼)( 2 - 1 4 ) 在直角坐标系中，广义坐标吼就是x ，y ，z ，在m - b 分布定律 删= 萼e 一i 7 d q r p 可以耿相空问d q = 出咖出，则m b 分布定律就成为 d n ：翌产等屯札d z z 。 设单位体积的磁性液体内的磁性颗粒数为聆，显然 d n 出d y d z 北京变通人学坝 学位论史 第二章磁性液体重要性能分柝 在外磁场强度h 。= 0 的地方，n = 珊，于是有 2 i 最后得出磁性液体处于外磁场中，它所含的磁性颗粒的浓度分布为 型型 n = p 6 。7 ( 2 - 1 5 ) 设磁性固体颗粒的材料密度是p 。，而单位体积的磁性液体中所包含的 崮体颗粒是胛，则磁性液体中固体颗粒的分密度成是 n = 九， ( 2 1 6 ) 式中，屹。是每个固体颗粒的体积，对于球形来讲它就等于( 4 3 ) 胛3 或 万6 ，分密度巳常称为固体颗粒的悬浮密度a 利用式( 2 - 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 可以写出 竹7 “! 哇 成= 成护 ( 2 - 1 7 ) 2 2 磁性液体在外磁场中的磁化强度 磁性液体的磁化机理包括两个方面的因素：一个是这些铁磁性颗粒内 部的磁畴旋转而趋向于外磁场的方向；另一个是极化的颗粒受磁场的作用， 克服纷扰混乱的热运动而做沿外磁场方向的有序排列。 2 2 1 磁性液体的超顺磁性 磁性液体最基本的性能是它集固体的磁性和液体的流动性于一体，单 畴的磁性粒子能自发磁化至饱和，同时因粒子尺寸微小，再加上表面活性 北京交通丈学硕十学位论文 第一二章磁性液体霞要性能分析 剂的影响，颗粒问的范德华力得以克服，在重力和颗粒间磁相互作用下， 颗粒悬浮在载液中呈布朗运动，每个颗粒磁矩取向完全随机，表现出超顺 磁性。在外加磁场作用下，其磁化强度随外加磁场强度的增大而增大，而 且无磁滞现象，矫顽力和剩磁均为零。 顺磁性气体的磁化规律是用l a i l g e v i n 函数来描述的【1 7 ，1 引，磁性液体的 超顺磁性也可以用l a n g e v i n 函数来描述。但l a n g e v i n 理论实际上是建立在 理想气体分子运动论的基础之上的，它除了气体分子之间的碰撞之外，分 子与分子之间没有其他的相互作用，所以也将忽略固体颗粒之间的磁力作 用。 设在磁性液体中每个磁性颗粒的体积为吃，这些磁性颗粒都是磁偶极 j 7 则单何体积的磁性颗粒的磁矩为：谤2 府扈， 式中，己是颗粒所受到的磁力矩，露是颗粒的磁化强度，凰是外磁 场强度，即磁化场强度。现假定基载液的相对磁导率，是l ，所以是真 空磁导率。 每个固相磁性颗粒的磁矩而= 匕。m ，所以， 工。= o 而o ( 2 1 8 ) 没磁鲥- 矢量而( 或磁化强度欠量) 与外磁场强度矢量h 。的夹角为口， 则( 2 1 8 ) 可写成 上。= 风肌h os i n 臼( 2 - 1 9 ) 假设所有固体颗粒的磁矩m 为常数，则 2 j ：。抬2j ：硒喊s i n 鲥臼2 硒，缄( 1 一c o s 回 ( 2 2 0 ) j 匕* 窭垴人学岫l 学位论义 笫一章磁性液体重要性能分析 式中，是一个磁性颗粒从目= o 转到目所需要的功。口的范围是 0 丌，蹄，m 。、= 2 风m h o 。 从宏观上能观察到的是磁矩矢量而在外磁场方向膏上的分量c o s 口 的统计平均值，由统计平均方程能够写出 而：与( s 印一苦d q 一竺二 式中z 是配分函数，它的定义式为：z = p 即d q 式中：k 是波尔兹曼常数，t 是绝对温度。 ( 2 2 1 ) 将z 和d q 的表达式都代入到( 2 2 1 ) 中得到 一r ( 卅c o s 即x p 一去胁喊( 1 - c o s l 9 ) 伽吣i n 跏棚 ，竹= 。一 r e x p 【一嘉舻剐_ c