磁流体密封

磁流体密封 兰州理工大学磁性物理与磁技术研究所 1磁流体简介 磁流体技术出现于20世纪60年代 1965年Papel S S获得世界上第一个具有实用意义的磁流体专利 60年代初 磁流体首先由美国NASA在宇宙飞船的活动仓和过渡仓的密封中应用成功 磁流体正广泛地应用于密封技术 传感技术 阻尼技术 发电技术 医疗技术和印刷技术等 一些新的应用领域不断出现 密封的重要性 20世纪70年代 苏联 联盟11号 飞船顺利完成进入礼炮1号空间站各项任务后 在再入大气层前 实施返回舱和轨道舱分离时 连接两舱的分离插头分离后 返回舱的压力阀门密封失效 返回舱的空气从该处泄露 舱内迅速减压 致使3名宇航员因急性缺氧 体液沸腾而死亡 20世纪80年代的美国哥伦比亚航天飞机由于动力箱的密封失效而坠毁 7名机组人员全部遇难 磁流体密封有以下特征 不需要外部动力 运动件和静止件之间无刚性接触 因此无磨损 运动时和静止时均无泄漏 具有自行修复能力 低的摩擦转矩和功耗 长而可靠的使用寿命 正常寿命10年右 2磁流体的性质2 1磁流体的基本组分 磁流体是磁性粒子 载液以及分散剂 表面活性剂 三者组合而成 分散剂 表面活性剂 包覆在超细的磁粒子上 使之弥散于基液中 从而形成一种稳定的固液混合二相胶体 在磁场作用下 磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动 因此好像整个液体具有磁性 这种胶状液体既有固体磁性材料的磁性 又有液体的流动性 它具有与固体磁性材料和液体物质所不同的特殊性质 图1 磁流体结构示意图 2 1 1磁性粒子 常用的磁性颗粒有 1 非金属颗粒 亚铁磁性的铁氧体 Fe3O4 等 2 金属颗粒 铁 Fe 镍 Ni 钴 Co 钆 Gd 等 3 合金 FeCo FeC FeNi Fe CO Ni等 4 氮化物 Fe3N等 5 化合物 Co Fe3O4 CoFe2O4和NiFe2O4等 磁性颗粒非常小 属零维纳米材料 所谓零维纳米材料是指材料在三维尺寸上具有纳米材料的特征 铁氧体等颗粒的直径约为10nm 100 金属磁性颗粒的直径约为6nm 60 在这样小的尺寸下 强磁性颗粒已丧失了大块材料的铁磁或亚铁磁性能 而呈现没有磁滞现象的超顺磁状态 其磁化曲线是可逆的 磁性颗粒的磁偶极矩之间的静磁作用被分子间的热运动 即布朗运动所削弱或抵消 而不致互相集结 磁性颗粒在基液中作无规则的热运动 磁性颗粒的尺寸小 可以防止聚集和沉降 磁性液体胶体体系的稳定性是由磁性颗粒的热运动来决定的 这种热运动随着粒子尺寸的减小而增加 但是磁性颗粒的尺寸又不能太小 当粒子直径小于1 2nm时磁性能就会消失 2 1 2载液 基液不同 可生成不同性能 不同应用领域的磁性液体 如水基 煤油基 二醋基 烃基 聚苯基 硅油基 氟化烃基 氟炭基 金属有机化合物 镓 汞 钒 铟锡合金等液态金属等 对于磁性液体润滑和密封来说 通常选用矿物油和硅油机体 碳氢化合物机体基体的磁性液体通常用作分散和打印设备 医学上应用的一般为水基体的磁性液体 通常液体基体需要有低的蒸发率 无毒 抗腐蚀介质和不溶于特殊介质等特性 2 1 3分散剂 油酸 丁二酸 氟醚酸 为了使磁流体中磁性微粒不相互于吸引 或不因重力场作用而引起的沉淀 在磁性颗粒制取过程中正确的选择分散剂 使其与载液性能相匹配以及把掺与载液中磁性微粒直径控制在小于10nm以下 微粒间的电偶极相互作用可以被分散剂所克服 使粒子间不能靠近 重力场所引起的沉淀作用 因分散剂的作用以及微粒在载液中的浓度远小于100 浓度大约10 左右 因此不易沉淀 为了防止颗粒间由于静磁与电偶矩的相互作用而聚集成团 产生沉积 每个磁性颗粒的表面必需化学吸附一层长链的高分子或聚合物分子膜 这层膜厚1 2nm 并且是单分子层 此即为表面活性剂 它在粒子表面形成一层长链分子粒子表面的活性剂如同弹性垫 隔开了磁性粒子 以防止粒子因范得华力和磁力作用而聚集 布朗运动使其在基液中均匀分布分散剂的高分子的链要足够长 以致颗粒接近时排斥力应大于吸引力 此外 高分子链的一端应和磁性颗粒产生化学吸附 另一端应和基液亲和 分散于基液中 分散剂通常选择带有官能团如 OOH H2OH H2NH2的长链分子 这些长链分子的作用是通过这些官能团和磁性颗粒相互作用 在磁性颗粒表面形成单分子层的紧密连接 长链分子必需和载体的极性相同 才能不会阻止维系胶体体系稳定的热运动 每一种磁性液体和应选用一种对应的表面活性剂 评价磁流体性能的指标 1 基体液体要有低的蒸发率 2 磁流体要有较高的物理性能 即磁性能 3 磁流体要有较高的化学性能 即抗腐蚀性和不溶于其它特殊介质的性能 4 无毒无污染 图1磁流体密封结构原理图 1磁流体密封装置的外轮廓线 2密封盒 3永磁体 4导磁体 5磁流体 6轴 7磁力线 8磁流体密封装置的中心线 8用于高速摩擦的磁流体密封结构 图16高速磁流体密封结构 0 极齿 1 法兰 2 托架 3 磁极1 4 挡板1 5 永磁体 6 压板2 7 磁极2 8 压板 9 O型密封圈 10 接环 11 挡板 12 轴 13 紧定螺栓 13磁性液体的主要应用 利用磁性液体可被磁控的特性 人们利用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布 从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的 O 形环 且没有磨损 可以做到长寿命的动态密封 这也是磁性液体较早 较广泛的应用之一 在电子计算机中为了防止尘埃进入硬盘中损坏磁头和磁盘 在转轴处也已普遍采用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件 甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法 此外 单晶炉提拉部位 真空加热炉等有关部件的密封等 磁性液体是较为理想的动态密封方式之一 磁流体可以作为新型的润滑剂 通常润滑剂易损耗 易污染环境 磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅为10纳米单位 因此不会损坏轴承 而基液亦可用润滑油 只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位 增大扬声器功率 在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体 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 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 选用合适粘滞性的磁性液体 可使扬声器具有较佳的频响曲线 用作磁记录材料 近年来各种信息量飞速增加 需要记录的信息量也不断增加 要求记录材料高性能化 特别是记录高密度化 高记录密度的记录材料与超微粒有密切的关系 例如 要求每1cm2可记录1000万条以上记录 那么一条信息要求被记录在1 10mm2中 至少具有300阶段分层次的记录 在1 10mm2中至少必须要有300个记录单位 若以超微粒作记录单元 记录密度大大提高 磁性纳米微粒由于尺寸小 具有单磁畴结构 矫顽力很高的特性 用它制磁记录材料可以提高信噪比 改善图象质量 作为磁记录单元的磁性粒子的大小必须满足以下要求 颗粒的长度应远小于记录波长 粒子的宽度 如可能 长度也包括在内 应该远小于记录深度 一个单元的记录体积中 尽可能有更多的磁性粒子 用作阻尼器件 磁性液体具有一定的粘滞性 利用磁特性可以阻尼掉系统中不希望产生的振荡模式 例如 步进电机是用来将电脉冲转换为精确的机械运动 其特点是迅速地被加速和减速 因此常导致系统呈振荡状态 为了消除振荡而变为平滑的运动 仅需将少量磁性液体注入磁极的间隙中 在磁极作用下磁性液体自然地定位于转动部位 磁性液体还有其他许多用途 如仪器仪表中的阻尼器 无声快速的磁印刷 磁性液体发电机 医疗中的照影剂等 鉴定结果2004年12月18日由甘肃省科技厅组织鉴定 研究结果 密封压力 30kgf cm2 国内已报道密封压力 0 5 3kgf cm2 转速 2万转 分 专利 实用新型专利两项 发明专利一项 论文 5篇 其中两篇被EI检