宜宾职业技术学院毕业论文

1、宜宾职业技术学院毕业论文题目：磁性液体的制备和应用探讨系部现代制造系专业名称材料工程班级材料1092姓名学号指导教师2011年9月19日毕业论文选题报告姓名性别学号系部专业论文题目磁性液体的制备和应用探讨课题来源教学课题类别论文选做本课题的原因及条件分析：磁性液体是一种新型的功能材料，从被开发以来就一直备受关注，但其制备工艺复杂，耗时长。而咼性能磁性液体的制备难度大；成本咼，制约开发应用，阻碍了磁性液体技术的发展。所以缩短制备磁性液体的流程，提高产率，扩大应用领域。是现在急需解决的课题，希望查阅资料来找出研究的瓶颈，冋时也希望在学习和研究本科目后，能更好的定位自己。内容和要求内容：1、磁性液体

2、及制备方法2、工作原理和应用范围3、发展现状及发展前景4、结论要求：1、论文格式规范2、语言表达准确，概念清楚，论点正确3、力求采用数据、图、表分析与文字表达相结合，做到图文并茂指导教师意见（签章）年月日系部毕业论文领导小组意见：（签章）年月日毕业论文成绩评定表（一）学生学号学生姓名题目磁性液体的制备和应用探讨指导教师评语指导教师 评定成绩总分总分X 30%指导教师签字年月日评阅 教师 评语评阅教师评 定成绩总分总分X 30%评阅教师签字年月日毕业论文成绩评定表（二）学生学号学生姓名题目磁性液体的制备和应用探讨答辩小组成员姓名任新民张云程陈华容王自敏谢瑞兵职称高级工程师高级工程师副教授讲师工程

3、师评价内容具 体 要 求分值评分报告内容思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分 析归纳合理；结论严谨；论文结果有应用价值。40答辩回答问题有理论根据，基本概念清楚。主要问题回答准确、有深度。30仓U新对前人工作有改进或突破，或有独特见解。10综合素质能合理运用挂图、幻灯、投影或计算机多媒体等辅助手段，用普通话 答辩。10报告时间符合要求。10总分X 40%总分答辩小组评语：答辩小组组长签字：年月日指导教师评定成绩评阅教师评定成绩答辩成绩毕业论文综合成绩百分制五级制毕业论文答辩委员会审定意见主任签字年 月日学院意见年 月日毕业论文答辩记录表学生姓名学生学号题目磁性液体制备和

4、应用探讨答辩小组成员姓名职称工作单位备注答辩中提出的主要问题及学生回答问题的简要情况：答辩小组代表签字：年月日本文在介绍磁性液体概念的基础上，简要说明了磁性液体的组成、特性和 分类，并介绍了不同类型磁性液体的制备方法；在分析说明了磁性液体的工作 原理的同时，说明了磁性液体的应用领域，如密封、润滑，最后在注明磁性液体 发展现状的基础上，结合科技发展前沿，讨论了磁性液体的应用前景。关键词：磁性液体；制备方法；应用领域；应用前景ABSTRACTBased on the in troducti on of magn etic fluid on the basis of the con cept, br

5、ief descripti ons of the magn etic fluid compositi on, characteristics and classificati on, and describes the differe nt types of preparati on method of magn etic fluid; in the an alysis of the working principle of magnetic liquid at the same time, the application of magn etic liquid, such as seali

6、ng, lubricati ng, fin ally in dicate magn etic liquid based on the current situation, combined with the development of Frontier Science and tech no logy, discusses the applicati on prospect of magn etic fluid.Key words:Magn etic liquid;preparati on method;applicati on;applicati onprospect.目录引言1.1 磁性

7、液体及制备方法II1.1磁性液体的概念II1.2磁性液体的组成II1.3磁性液体的分类 山1.4磁性液体的特性J.V1.5磁性液体的制备方法 V1.5.1化学共沉淀制备铁酸盐磁性液体V1.5.1.1活性磁粒子的制备 VI1.5.1.2磁性液体的制备 VII1.5.1.3磁性液体参数的测定 VII1.5.1.4注意事项I.X1.5.2气相一液相法制备氮化铁磁性液体 X1.5.2.1反应机理及工艺过程X1.5.2.2检测结果XII1.5.2.3结果分析XII1.5.2.4创新性改进X IV2磁性液体的工作原理及应用XV2.1工作原理XV2.2磁性液体的应用X VI2.2.1工业上的应用 X VI2

8、.2.1.1磁性液体（动态）密封 XVI2.2.1.2磁性液体研磨 XVIII2.2.1.3磁性液体阻尼 XVIII2.2.1.4磁性液体润滑 XVIII2.2.1.5磁性液体在扬声器上的应用XIX221.6磁性液体在分离技术方面的应用 XIX222磁性液体在医学上的应用XX2.2.3生物学上的应用XX2.2.4其他应用XX3发展现状及前景展望XX3.1磁性液体的发展现状 XX3.2未来趋势及展望X XI结论XXIII致谢XXIV参考文献XXV磁性液体自从上世纪60年代中期问世以来，就以它成本低、能耗少、 无污 染和适用范围广等特点，一直受到人们广泛的关注。目前磁性液体在各类科学 研究和工程技

9、术部门都产生新的变革，它的应用已深入到电子、化工、能源、 冶金、仪表、环保、医疗卫生等许多方面，成为热门研发领域。由于磁性液体技术含量高，制备工艺复杂，目前国际上对磁性液体的研究非常活跃，如现在国内外正积极研制的金属系磁性液体，其磁性颗粒为铁(Fe)、镍(Ni)、钻(Co)等金属，合金及其氮化物。近年来，磁性液体新的应用领域不 断被发现，新的应用技术也不断被提出，如磁性纳米微粒(磁性液体)在医疗上特别在防治肿瘤等领域中的应用已经成为一个研究热点。由于磁性液体技术的 研究层次及其应用技术尚未成熟，使其应用领域的开拓受到了较大的限制，并 制约了该产业的形成与发展。对从事该方面研究的学者还有许多艰巨

10、的工作要 做。目前我国社会各界对纳米磁性材料日益重视，在磁性液体技术的研究方面 已经取得了一些突破，在国内也形成了几家产业化生产厂家，但与发达国家的 应用水平以及磁性液体的潜在应用前景相比，还有很大的差距。本文将对此行液体的制备方法进行介绍 ，同时在对其应用现状进行分析的 基础上,探讨其应用前景。1磁性液体及制备方法1.1磁性液体的概念磁性液体(Magnetic Liquids)，又称磁流体(Magnetic Fluids)、铁磁性流体 (Ferromagnetic fluids)、磁性胶体(Magnetic Colloids)，具有液态载体的流动性、 润滑性以及密封性。它是由纳米级(10nm

11、以下)的强磁性微粒高度弥散于某种液 体之中所形成的稳定的胶体体系。通常强磁性微粒选用Fa04，除此之外还可以是铁和氮化铁。磁性液体中的磁性微粒必须非常小，以致在基液中呈现紊乱 的布朗运动。这种热运动足以抵消重力的沉降作用以及削弱粒子间电、磁相互 凝聚作用，不产生沉淀和凝聚。1.2磁性液体的组成磁性液体(magneticfluid/Ferro fluid )的结构，是由单分子层(2nm)表面 活性剂(surfactant)包覆的、直径小于10nm的单畴磁性颗粒高度弥散于某种 载液(carrier liquid)中而形成的稳定“固-液”两相胶体溶液。如图1-1所示。磁性液体的组成如下：图1-1 磁

12、性液体的组成(1) 纳米级磁性颗粒磁性液体中的纳米磁性颗粒(mag netic particles)如纳米级金属氧化物(FesO4)及铁氧体COFe2O4、( Mn-Zn)Fe2O4等、金属(铁、钻、镍及其合金) 或铁磁性氮化铁FexN (2v x v8),这些磁性颗粒粒径非常小，以至于在液体中 呈现出紊乱的布朗运动，这种热运动足以能够抵消重力的沉降作用和削弱粒子 间的电磁凝聚作用，在重力和磁场力的作用下，始终稳定地分散在载液中，不 凝聚也不沉淀。(2) 表面活性剂和载液理想的表面活性剂，应该是那些永久地吸附在粒子界面上的表面活性剂， 它的特殊功能在于它既能适应于一定的载液性质，又能适应于一定

13、粒子的界面 要求。这样的表面活性剂必须具有特殊的分子结构：一端有一个对磁性粒子界 面产生高度亲和力的钉扎功能团，也称为“头”；另一端还需要有一个极易分 散于某种载液中且有适当长度的弹性“尾”，在许多表面活性剂分子中，其“头” 和“尾”通过醚键和铵键相连接。不同载液的磁性液体要选用不同的表面活性 剂，恰当的表面活性剂能防止磁性颗粒的氧化、削弱静磁吸引力、克服范德瓦 耳斯力的颗粒聚集、改变磁性颗粒表面性质，使颗粒与载液浑成一体，在磁场 力的作用下整体移动。载液的种类很多，根据磁性液体用途的不同，一般分为极性液体和非极性 液体，通常的载液有烃类、酯类、聚苯醚类、氟化碳类、硅油类、液态金属(水银、傢)

14、、水、煤油等。综上所述，对载液和纳米级磁性颗粒均具有钉扎作用的表面活性剂若选择 适当，既能对磁性颗粒进行单分子层的包覆，又能和载液浑成一体，从而使得 磁性液体既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，是一种性能独特、 应用广泛的新型纳米液态功能材料。它只有在外磁场作用下才显示出奇异特性， 理想的磁性液体磁滞回线是一条过坐标原点的 S形曲线，无磁滞现象。磁性液 体技术是一门涉及物理、化学、力学、流变学等多学科的交叉边缘学科，是材 料科学中的一支新秀。1.3磁性液体的分类磁性液体可以按磁性颗粒、载液、应用领域、性能指标进行分类，最常用 的是按磁性颗粒的种类进行的分类。按磁性颗粒种类分为：(1)

15、铁酸盐系：磁流体的超微粒子是铁酸盐系列，如FesO4、丫 -Fe2O3、MeFe2O4(Me=Co，Ni)等；(2) 金属系：磁流体的超微粒子选用Ni、Co、Fe等金属微粒及其合金(如Fe-Co, Ni-Fe);(3) 氮化铁系：磁流体的超微粒子选用氮化铁，因其磁性较强，故可获得较 高的饱和磁化强度。1.4磁性液体的特性根据磁性液体所选基液的不同，磁液的主要物理性质有所差别，并且同一 基液还可以适当调整其性能，通常其特性主要有：(1) 饱和磁化强度Ms饱和磁化强度Ms(单位为Gs或T)表示磁性液体在外加磁场的作用下可产生 的最强的磁性，一般为5003000Gs(0.0A 0.3T)，但据有关资

16、料，现在已经可 以达到近10000Gs(1T)的磁性液体，饱和磁化强度是磁性液体应用技术中最为 重要的一个技术指标。(2) 黏度n黏度n (单位为cP)表示磁性液体的流动性能，是流体力学和流变学的重要 参数，该指标会对磁性液体应用技术产生一定的影响。(3) 磁性颗粒直径D磁性颗粒直径D(单位为nm)表示磁性液体的磁性颗粒的粗细程度，是影响 四大效应(小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应)的根本因素，也是影响磁性液体稳定性、饱和磁化强度、热力学性能等的重要因素。(4) 挥发损失量Vt挥发损失量Vt单位为g/ (cm2 h)，一般在80C下测量是磁性液体挥发性 的指标，与磁性液体的

17、寿命、蒸气压有密切关系，主要由载体的性能决定。除 以上指标外，还有密度、表面张力、导热系数、温度特性、频率特性、超导性 能、磁化率、耐蚀性、各相异性、磁共振性、磁性弛豫时间、流体动力学性能、 流变学性能等指标，对不同的应用也是交叉起作用。由于磁性微粒和基液浑成一体，从而使磁性液体既具有普通磁性材料的磁 性，同时又具有液体的流动性，因此具有许多独特的诸如磁学、流体力学、光 学和声学性质。(1) 磁性液体表现为超顺磁性，本征矫顽力为零，没有剩磁；(2) 在外磁场下，磁性液体被磁化，满足修正的伯努利方程，与常规伯努利 方程相比，添加了一项磁性能，使磁性液体具有其它流体所没有的、与磁性相 关联的新性质

18、：例如磁性液体的表观密度随外磁场强度的增加而增大；(3) 在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。当光波通过稀释的磁性液体时(如同在各向异性的晶体中传播一样)，会产生光的法拉第旋转、双折射效应、双向色性 等现象。当磁性液体被磁化时，使相对于磁场方向具有光的各向异性，偏振光 的电矢量平行于外磁场方向比垂直于外磁场方向吸收更多，具有更高的折射率。此外，磁性液体在静磁场作用下，介电性质亦会呈现各向异性；(4) 超声波在磁性液体中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性；(5) 磁性液体在交变场中具有磁导率频散、磁粘滞性等现象。这些有别于通

19、常液体的奇异性质，为若干新颖的磁性器件的发展奠定了基 础。1.5磁性液体的制备方法上面说了磁性液体按所含纳米级磁性颗粒的种类，可分为铁酸盐系、金属系、氮化铁系三类。铁酸盐系磁性液体的磁性颗粒选用Fe3O4、丫 -Fe2O3、Co、Ni等，制备方法有粉碎法、化学共沉法和胶溶法等；金属系磁性液体制备方法 有CO羰基热分解法和真空蒸镀法；而氮化铁系磁性液体的制备方法有热分解 法、等离子CVD法、化学气相沉积法、气相一液相反应法、等离子体活化法等。 以下主要介绍两种典型的制备方法。1.5.1化学共沉淀制备铁酸盐磁性液体铁酸盐系磁性液体的纳米磁性颗粒一般选用Fe304 丫 -Fe203、Co、Ni 等,

20、采用化学共沉法制备。其反应式为：Fe2 2Fe3 8OH Fe3O4 4H2O将生成的Fes04磁性颗粒吸附C17H33C00-形成单分子层包覆的活性磁粒子， 再将其根据需要分散在不同的载体中进行离心处理后即得到铁酸盐系磁性液 体。采用化学共沉法制备铁酸盐磁性液体，其工艺流程如图1-2所示。图1-2化学共沉淀法制备铁酸盐系磁液工艺流程图1.5.1.1 活性磁粒子的制备(1) 所用仪器。搅拌器、三口瓶、热浴锅、温度计、调压器、温度控制仪、磁座、匀浆机、离心机、红外干燥箱等。(2) 活性磁粒子的制备。制取稳定磁性液体的前提是制取纯度高、磁性强、颗粒直径小于10nm的活性磁粒子，具体操作如下： 将2

21、价铁盐(FeCl 2或FeS04)与3价铁盐FeCl 3或Fe2(SO4)3按物质的量比1:2混合，加热搅拌升温至55 C。 加入NaOH溶液，其物质的量比为 9:1(Fe2+: Fe3+)，温度为55 C,加热搅拌，温度升至65 C左右保持30min。 加入油酸钠溶液，其物质的量比为2:5(Fe2+: Fe3+)温度为55C, 一边搅拌一边倒入三口瓶，并升温至80 C左右，此时若停止搅拌，可观察到黑色的活性 Fe3O4磁粒子生成，且沉淀在三口瓶底部(即分层)，继续升温至90 C并保持30min以使其进一步成熟。 用5%的盐酸调pH至45。 磁座过滤，反复水洗多次，用试剂 (BaCl 2或Ag

22、N0 3溶液)检查，直到 无SO42-或C仁沉淀为止。 将湿的Fe3O4粒子移至表面皿放入红外干燥箱，烘干(其温度不得超过75C,以防自燃)即制得活性磁粒子(纳米磁颗粒)。1.5.1.2 磁性液体的制备(1) 油基磁性液体的制备将干燥后的活性磁粒子根据实际应用需要，与不同的载液，例如煤油、环己烷、二甲苯、癸烷、十氢化萘等，按比例混合，放入电动匀浆机中， 以20000r/min的转速搅拌 30min，即形成油基磁性液体，再将其倒入离 心管，放入离心机，以4000r/ min的转速离心处理 30min，滤除沉降物，即得到稳定的油基磁性液体。(2) 水基磁性液体的制备根据亲油性活性磁粒子的特点经过第

23、二种表面活性剂处理，形成二次 包覆，使亲油基向内，亲水基向外，即可形成水溶性活性磁粒子。将含水 50 %的活性磁粒子滤饼根据实际需要与十二烷基苯磺酸钠按一定比例混 合，轻轻搅拌，装入高速匀浆机内分散30min，再离心处理 30min，滤除沉降物，即可制得稳定性好、饱和磁化强度高的水基磁性液体。(3) 二酯基磁性液体的制备油酸包覆的 Fe304活性磁粒子不能直接分散于高沸点的二元酸酯中， 经过第二种表面活性剂作为中间媒介，通过置换的方法来制得二酯基磁性 液体。用普通蒸馏装置，称取Fe304干燥活性磁粒子 20g，加入30mL环己烷一起放入匀浆瓶内，在匀浆机内高速搅拌30min，然后再加入 30m

24、L癸乙酸二辛酯，放入匀浆瓶内高速搅拌30min，最后将所得溶液放入离心管中，经高速离心甩出不溶物。所得磁液移至蒸馏瓶中，通过减压蒸馏 (78-81 C)蒸出环已烷，即得二酯基磁性液体。1.5.1.3 磁性液体参数的测定以下对水、煤油、间二甲苯、十氢萘、二酯(癸二酸二辛酯)、环己烷等6种不同载液的磁性液体进行了各项参数的测量。(1)密度(比重)的测定采用液体密度天平，进行相对密度测量。首先对天平进行调零，将要 测试的磁性液体放入量筒内，将测锤放入筒内的磁性液体中，横梁失去平 衡，不断加放骑码，使天平重新平衡，得到骑码总和即为所测磁性液体的 密度，具体实验结果见表 1.1 O表1.1磁性液体的密度

25、载体Fe3O4：溶剂/ (g：mL)密度/( g/ cm3)水27:341.2300煤油50:701.1130间二甲苯46:501.2800十氢奈33:501.0570二酯40:601.0588环已烷40:601.1540(2)表面张力系数的测定采用扭称测定磁性液体的表面张力系数。通过测量微小力来测表面张力，利用作图法粗略得到磁性液体的表面张力系数，具体的实验结果见1.2表1.2磁性液体的表面张力系数载体Fe3O4:溶剂/ (g:mL)表面张力系数(22C) / (X-5,10 N / cm)水27:3438.1煤油50:7032.9间二甲苯46:5035.0十氢奈33:5036.4二酯40:

26、6037.1环已烷40:6030.6饱和磁化强度的测定 采用CC-2型直流磁性测量装置测定磁性液体的饱和磁化强度。利用感应原理进行测量，当感生电流经过冲击检流器时，产生感生电流的磁感 应强度，即测得在固定磁场中的饱和磁化强度。具体实验结果见表1.3表1.3磁性液体的磁饱和强度载体Fe3O4:溶剂/ (g:mL)2饱和磁化强度/X 10- T水27:343.00煤油50:702.00间二甲苯46:502.00十氢奈33:502.00二酯40:600.75环已烷40:602.50黏度的测定采用NDJ-1旋转黏度计测定磁性液体的黏度，根据液体的黏度公式：n =尺(其中，k为转动格数，a为黏度系数)。

27、通过测定黏度系数来测定磁性 液体的黏度，其测量结果见表1.4所示。表1.4磁性液体的黏度载体Fe3O4：溶剂/ (g:mL)黏度(23C)/ pa s水27:341.10煤油50:700.014间二甲苯46:500.0145十氢奈33:500.0035二酯40:600.164环已烷40:60一1.5.1.4注意事项磁性液体制备的最关键一步是制取磁性强、稳定性好，容易过滤的活性 Fe304纳米颗粒。通过大量的实验和多次的失败，我们感到要制备达到要求的活 性Fe304纳米颗粒有几个重要的物理、化学参量，应当在以下范围内进行选取， 它们对制备Fes04纳米颗粒具有重要参考价值。(1) 碱要适当过量在

28、2价和3价铁盐溶液中加入稍过量的 NaOH以使铁离子反应完全，能生 成乌黑发亮的纳米磁粒子。否则，碱量少，溶液呈褐红色泥浆状，也不分层； 碱太多，磁粒子虽黑，但产生泡沫太多，难下沉，pH也不好调整。碱适当过量， pH几乎不用调整，实验证明，碱量过量为 6. 25%12. 5%为好。(2) pH要调得适当在反应过程中，保护溶液的pH适当是生成高质量的F&04纳米颗粒的重要 因素。pH过大或过小都会使溶液浑浊，多泡沫，难分层，呈褐色泥浆状，极难 过滤，但只要pH调得合适，上述现象均消失。实验证明，溶液 pH为45时, 可避免产生泡沫，且有黑色纳米颗粒的 Fe3O4生成，停机观察，可看到油光闪 亮的

29、活性纳米磁颗粒。(3) 加料速度的影响制备活性磁粒子时，NaOH应快速加入铁盐溶液中，并伴有高速搅拌，反 应混合易呈现黑色，生成Fe304纳米颗粒；而在加入表面活性剂油酸钠时，则应 缓慢加入，低速搅拌，使生成的Fe304纳米颗粒都能均匀地包覆上一层油酸钠的 单分子层，否则就不能制备质量好的纳米磁粒子。(4) 加料温度的影响要制备出好的活性纳米磁粒子，加入 NaOH溶液和油酸钠的温度很重要。 实验证明当加入物料的温度与三口瓶中溶液温度一致时，可加速反应生成。例 如，加NaOH溶液温度应控制在5560C,而油酸钠溶液应控制在 6065C。(5) 磁力过滤当制取的Fe304纳米颗粒比较细小时，极难过

30、滤，在实践中我们制造了一个 磁座，靠外界的磁力迅速使磁粒子沉淀，倾斜过滤，这样过滤既快又省水。性能指标实验室提供的水基、煤油基、间二甲苯和环已烷基磁性液体的密度、表面 张力系数、黏度和饱和磁化强度等参数基本达到国内同类产品指标，为磁性液 体的开发应用奠定了基础。(7)技术成熟程度在实验室小量制备铁酸盐系磁性液体(油基)已摸索出成本低的配料，掌握 了新的工艺流程，可自给自足，也可少量售出。1.5.2气相一液相法制备氮化铁磁性液体该方法的基本原理为在添加了胺基系表面活性剂的煤油中导入氨气，同时将漏斗中的适量羰基铁放入反应器中,加热反应器至90C保温60min,生成胺基 羰基铁中间体，然后在185C

31、高温下分解该中间体，可以得到氮化铁磁性液体。 1.521 反应机理及工艺过程(1)反应机理.前期反应阶段，温度控制在 90100C，发生反应Fe(CO)5 NH3 Fe(CO)5NH3后期反应阶段，温度控制在185200r，发生反应Fe(CO)5NH3 NH3 Fe(CO)3(NH 3)2 2CO6Fe(CO)3(NH 3)2 2Fe3N 18CO 10NH 3 3H2当温度超过100C，期间还会发生副反应2Fe(CO)5 Fe2(CO)9 CO 3Fe2(CO)9 2Fea(CO)i2 3COFe3(CO)12r 3Fe 12CO所以制备时要在前期反应结束后，将Fe(CO)5气化逐出，以阻止

32、副反应的发 生。(2)工艺过程氮化铁磁性液体的制备工艺过程分 5个阶段 准备阶段将表面活性剂PBSI与溶剂按一定配比混合均匀，加适量无水 NaSQ干燥， 密闭静置20h,作为预制液。用Ar气置换密闭反应系统内的空气后，将预制液 和Fe(CO)5按一定比例注入到反应器中。 前期反应阶段实验装置如图1-3所示。加热反应器升温至90C，向反应器内通入一定流 量的NH气，恒温搅拌60min进行前期反应。反应生成的气体通过冷凝管之后排 出。图1-3氮化铁磁性液体合成装置示意图1 .四口烧瓶;2 .电加热套;3 .恒压滴液漏斗;4 .真空表;5防倒吸导气管；6.滴液斗；7.温度计;8 .磁搅拌子 升温阶段

33、关闭NH3气，通人Ar气保护，继续加热升温，将前期反应中未反应的 Fe(C0)5气化蒸出，冷凝后储存在恒压滴液漏斗中。 后期反应阶段温度升至185C后，保持该温度并继续搅拌 60min进行后期反应。 冷却阶段撤除加热器，当反应温度降至140C时，打开恒压滴液漏斗的活塞，使未反应的Fe(C0)5回到反应体系当中。当温度降至90C时，以步骤(5)作为一 个循环，重复进行反应，直至 Fe(C0)5全部反应。1.522 检测结果随着Fe(CO)5反应量的增加，饱和磁化强度也随之增加，当Fe(CO)5反应量 达到70g时，饱和磁化强度接近0.05T(浓缩前)，所以可通过增加Fe(CO)5反应 量或者浓缩

34、磁性液体的办法获得较高饱和磁化强度的磁性液体。1.5.2.3 结果分析饱和磁化强度(比磁化强度)是界定磁性液体的重要参数，因此在实验中应 以此为指标摸索最佳工艺参数。(1) 反应温度的影响由表1.5可知，前期反应温度在 90C时，比磁化强度最高。由表 1.6可知 后期反应温度在180C时，比磁化强度最高。表1.5前期反应温度前期温度/CFe(CO)5反应量/ g比磁化强度/( cmu / g)70101.2480101.7190102.49表1.6后期反应温度后期温度/CFe(CO)5反应量/ g比磁化强度/( cmu/ g)150200.46160201.50170203.55180205.

35、34(2)反应时间的影响每次循环反应时间的长短直接决定磁性液体生成的效率，固定前期和后期 的反应温度(90 C/ 180C )，实验结果从表1.7可以看出，在前后反应时间为 60min时，比磁化强度最高。表1.7反应时间前/后期反应时间/ minFe(CO)5反应量/ g比饱和强度/( emu / g)15254.4030256.3860259.24(3)NH3流量的影响在反应过程中，为了使Fe晶核与NH形成大量的中间活化体，或者有更多 的NH直接裂解生成氮化铁，一般采用过量的 NH进行反应。这一点在表1.8中 可得以证实。随着NH流量的增加，粒子产量和转化率也增加，但磁性颗粒也由 单一的&

36、-FexN过渡到 -FexN和FexN双相，FexN(2xW 8)时磁性强，随着x的 增大饱和磁化强度反而减小。因此，NH的流量既要过量，也要控制适当。表1.8NH3的流量序号NH3流量/( mL/min)粒子产量/g转化率/ %04046007.5520.3304113006.9218.77(4)氧气对反应的影响Fe(CO)5的性质极为活跃，常温下即能发生氧化反应，生成铁的氧化物，所 以在制备中，反应系统要除去空气，采取先抽真空，然后用惰气 (Ar)保护。(5)水对反应的影响Fe(CO)5的相对密度为1.46,虽性质活跃，但常温下对水是稳定的，因此可 用水覆盖Fe(CO)5以隔绝空气，但当温

37、度升高时，Fe(CO)5就可以与水发生氧化 反应，生成铁的氧化物。我们在制备过程中，所有反应仪器都进行了干燥处理， 即反应溶液中加入无水 NaS04密闭静置20h及NH3气瓶出口设置NaOH干燥管 等以保证反应系统的绝对干燥。综上所述，制备高饱和磁化强度氮化铁磁性液体的最佳工艺参数前期反应 温度应控制在90C ;后期反应温度应控制在180C，氨气流量控制在300mL/ min;全部反应时间大约控制在8个小时。除此之外，所有的反应仪器、反应的溶液及所涉及的装置均要进行干燥处理和惰气保护。1.524 创新性改进在氮化铁磁性液体的制备过程中，根据实际情况，需要做一些创新性的改 进。(1) 实验装置的

38、改进反应过程中，反应器必须密封，且反应是在高速搅拌升温情况下进行，而 现有的反应装置存在两个问题：一是反应器均为圆形多口瓶，这种反应器在现 有磁力搅拌器上无法固定，也无法满足加热升温的要求；二是反应装置为机械 搅拌，转动轴处的密封问题至今没有很好解决。为解决上述两个问题，有人设 计并加工了一套新的磁力搅拌恒温装置(已申请专利)，如图1-4所示，该磁力搅 拌恒温装置由加温控温、磁力搅拌及调整机构构成。加温控温机构是在外体上 部装保温盆、保温盖和加热包，在保温盆、保温盖和加热包之间是保温层，在 保温盆底部有开口，加热包电路连温控器。磁力搅拌机构是在电机输出轴上装 磁铁，磁铁设置在保温盆底部开口处，

39、磁转子放置在反应器中，当电机带动磁 铁旋转时，反应器中磁铁两极面的旋转带动反应器中磁转子旋转搅拌。这种创 新装置不但能满足无轴搅拌、无空气泄漏的要求，还能方便地固定，满足加热 升温的要求。该装置投入使用后，取得了非常好的密封和搅拌效果，使制备的 磁性液体饱和磁化强度由300多高斯提高到500高斯。(2) 表面活性剂的替换磁性粒子能否均匀地分散在某种载液并构成长期稳定的磁性液体，选择适 宜的表面活性剂是决定性的因素，表面活性剂的特殊功能在于它既能适应一定 的载液性质，又能适应一定粒子的界面要求。图1-4磁力搅拌装置图1.电源插座；2 .气窗；3 .风扇叶轮；4.磁铁；5.外壳；6.保温盒；7保温

40、盖；8旋转磁子；9.四口烧瓶；10.电热器；11温控器；12.变速器；13.电机；14.电机附件；15主开关2 磁性液体的工作原理及应用2.1工作原理人们利用磁性液体在磁场中所展示的奇异特性，开发出许多磁性液体的应 用，其在应用上的工作原理大致可总结如下：(1) 通过磁场检测或利用磁性液体的物性变化。(2) 随着不同磁场或者分布的形成，把一定量的磁性液体保持在任意位置或 使物体悬浮。(3) 通过磁场控制磁性液体的运动。(4) 磁性液体各种工作原理相互关联、相互制约，应用时很少单独应用。磁性液体的特性与应用，见表2.1表2.1磁性液体的特性及应用范围基本特性功能应用物性变化磁性由温度引起的磁变化

41、 确认位置 液面变形内压变化温度的计量和控制 液面计、测厚仪 水平仪、电流表 压力传感器、流量传感 器磁光异性光变化磁力传感器、光学快门 （相机）保持 作用磁力密封 可视化轴、管密圭寸、压力传感 器3法磁畴检测、磁盘、磁带检测、探伤热传导散热扬声器、驱动器黏性、磁力润滑 阻尼 负载保持轴承旋转阻尼、阻尼测量器、 扬声器加速度计、阻尼计、密度计、选矿、轴承等流体 运动磁力、流动性制导油水分离、造影剂、治 癌剂磁力流体驱动液滴变形泵、液压变速装置 传感器、传动器磁力、热传导热交换润滑密封流动性位置控制 薄膜变形界面层控制装置2.2磁性液体的应用磁性液体的应用基础是可以被控制、定位、定向与移动的，即

42、通过控制它 的流变性，调节它在使用中的磁力强度、流动方向、磁性材料颗粒的聚集形式 和浓度，就能改善一些领域内现有产品的结构、制造工艺和使用性能。由于纳米磁性液体在磁场中所具有的特殊理化性质，决定其应用的广泛性。目前国内 外最成熟的应用是纳米磁性液体密封技术，已经逐年扩展到航天航空、电子、 化工、机械、冶金、仪表、环保、医疗等各个领域。2.2.1 工业上的应用磁性液体在工业上主要用于机械部件的密封、轴承间的无摩擦润滑、超硬 材料的精细研磨等诸多方面。2.2.1.1 磁性液体（动态）密封磁性液体密封是一种非接触式密封，可以封气、封水、封油、封尘等，广泛用于工业中各种密圭寸。由于磁性液体在非均匀场中

43、将聚集于磁场梯度最大处， 因此利用外磁场可将磁性液体约束在密封部位，形成磁性液体“0”型环，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。目前已广泛用于：防尘密封一一硬盘（harddisk）、气流粉碎份级）机等；（2）真空密封一一电子显微镜、电子衍射仪、 CVD装置、单晶炉、真空加热 炉等；（3）气体密封一一可用于多种气体密封的场合（如煤气风机转轴部位）。图2-1磁性液体密封原理经过近30年的研究与开发，无论是从理论上还是从实际应用上，磁性液体密封技术都趋于成熟，甚至对于转轴和摆动杆的真空动密封目前已达到标准化、 通用化的程度。张墩明用共沉淀法制得的812nm的四氧化三铁粒子，如以聚醚磷酸脂为表面

44、活性剂，其4 n M为45kA/m,用于x射线衍射仪旋转阳极的 密圭寸，在3000rad/min条件下，真空度达到2.7X 10-5pa。YoungSamKim用铁 钻合金磁性液体在3.3T的外磁场下对机械的旋转轴进行油圭寸，当轴以30rad/s选择时，这种装置最高可以承受 25kg/cm2的压力。磁流体密封技术的发展方向主要有：（1）进一步深入研究磁流体在密封中的作用机理，研究流体力学和动力学因 素在振动、偏心、离心力与磁力竞争中的影响，以及在不同磁场、磁流体、极 齿齿形和气氛（如气体、流体或尘埃）等条件下的优化设计。（2）推广磁流体密封在各种设备中的使用，用组合密封、压力平衡和某些特 殊处

45、理拓宽磁流体密封的应用范围（如线速度35m/s、温度80C、压力2 10MPa）。提高磁流体密封各项性能指标，加强研究机构和生产企业的合作，把各 种不同种类和性能的磁流体密封推向实际应用。（3）以各种新材料、新工艺研制出新的具有优异性能的磁流体，研制新的磁 流体密封装置，开拓新的研究领域，拓宽新的应用领域。221.2 磁性液体研磨磁性液体研磨随着精密机械的高性能化，对于构成精密机械的零件及电子 零件、光学零件的几何精度要求越来越高。另外，对于各种超硬材料的精细加 工也提出很高的要求。近年来采用磁性液体研磨对上述各种零件进行精加工达 到了比较理想的地步，对高技术发展有着重要的意义。磁性液体研磨是

46、在水或者油基磁性液体中混入粒度为数微米到数百微米的 磨料，通过磁力作用使磨料强制研磨加工件的表面。加工在研磨过程中自身可 以旋转，故不管加工面是平面还是曲面均能同时研磨。与通常的加工法相比， 其效率提高15倍。例如，在磁性液体中加入Cr203（粒度为3um）磨料，研磨 19 X 26的M3N4滚柱，可获得0.005um的最小表面粗糙度，可用于精密滚柱轴承； 又如加入粒度为55um的SiC磨料及采用不锈钢锥形二具研磨内径 20mm的长 管内表面，可获得0.28um/min的最大去除速率；用粒度为1um的SiC磨料 PVA锥形工具，可获得0.04um的最小表面粗糙度；为了研磨细的弯管的内表 面，用

47、旋转球获得20um/min的去除速率，用振动球能达到足够的去除率。2.2.1.3 磁性液体阻尼磁性液体阻尼器主要用以加大振动阻尼、减小共振、改善频率特征等，其 原理是当外面的非磁性壳体旋转速度有变化时，引起内部的磁极（包括磁铁）和外部壳体的转动速度差，在外磁场的作用下，使具有一定黏度和饱和磁化强度 的磁性液体产生剪切力，这一剪切力带动磁极转动，直到消除于外壳的转动速 度差为止，从而减小了转动速度变化时的输出速度振荡。其特点是无机械磨损、低频小幅、外加磁场的大小可以控制阻尼的大小等，目前已在步进电机、伺服 电机等领域广泛使用。影响磁性液体阻尼特性的因素或者说在设计磁性液体阻 尼器时要考虑的主要是

48、转动惯量和帕匹库常数。转动惯量匸pn4/32,帕匹库常数B=n SD2/1，其中，p为磁极密度，I为磁极长度，D为磁极直径，n为磁 性液体的黏度，S为磁性液体与磁极的接触面。2.2.1.4 磁性液体润滑磁性液体润滑是将纳米磁颗粒分散到润滑油中来实现的，这里润滑油作为磁性液体的载液（常用的载液有双酯类和烷基奈类）。当磁性液体加入到摩擦副 中时，由于内含的纳米颗粒尺寸比表面粗糙度小得多，不会引起摩擦副的磨损，而载液在摩擦副中可以起到与普通润滑油相同的润滑效果。除此以外，作为纳 米颗粒的表面改性功能可以显著改善润滑油的悬浮稳定性，提高抗磨、减磨性 能；作为磁性纳米颗粒还可以在磁场的作用下控制润滑位置

49、，完全消除润滑剂 的泄漏，使摩擦区的状态稳定；通过合理的磁场梯度设计，还可以增加磁悬浮 力，提高轴承等的承载能力。磁性液体还具有很好的热传导性，在摩擦副产生 的热量可以很快传出，从而可降低摩擦副的温度，改善润滑条件。近年来，磁性液体润滑已经有了很多方面的应用，比如大型设备和高精度 高转速转动轴的轴承的润滑、计算机硬盘驱动器轴的润滑、机器人和精密仪器 关节的润滑、齿轮箱的传动齿轮的润滑等，这些都大大地提高了设备或部件的 使用寿命。221.5 磁性液体在扬声器上的应用由于近代音响向高品质、高性能、数字化、微型化等方向发展，就要求提 高扬声器的动态范围和最大声压水平，以满足音响系统高水平的需要，为此

50、必 须提高扬声器的输人功率。但输入功率的提高，会使音圈的温度相应上升，当 超过允许值时，音圈产生热破坏。如果在扬声器空气隙内的音圈周围注入磁性 液体不仅可以改善音圈的散热条件，还可以使音圈自动定位、提高扬声器的承 受功率、改善频率响应、减少失真等。采用注入磁性液体的高音扬声器、低音 扬声器均己商品化。目前国际上正研制专业音响中的超低音扬声器和汽车音响 用扬声器。2.2.1.6 磁性液体在分离技术方面的应用目前采用磁性液体已成功地用于比重法分离， 其原理是把两种密度不同的、 需要分离的非磁性材料放人磁性液体中，然后在外加磁场的作用下使磁性液体 的密度为上述两种物质密度的平均值时，一种物质下沉，而

51、另一种浮起，从而 达到分离目的。日本研制的比重分选机已成功地将玻璃和陶瓷分离开；俄罗斯 研制出成套砂、金磁性液体分选装置，其黄金采收率高达98.6%，处理时间缩短了 1/3。根据磁性液体的悬浮特性，研制出的“磁性液体表观密度测试仪” （已获得发明专利），是通过测试磁性液体的表观密度来研究磁场的空间分布和磁场梯度测量。2.2.2磁性液体在医学上的应用利用铁氧体型磁性液体中的磁性颗粒对 X射线的吸收，可以用它代替硫酸 钡作为X射线造影剂，它在胃液中极少溶解，而且可以描绘细微病变和及时诊 断胃癌，比硫酸钡具有优越性。目前国内研究集中在镁锌铁氧体和锰锌铁氧体 上，用于牙齿治疗时X光摄影。利用磁性液体可

52、以被磁场移动和定位，可以把 磁性液体用作靶向给药的载体，减轻治疗药物对身体其他部位的影响。德国科 学家就利用磁性液体作为辅剂，使抗癌药物借助磁液在磁场的作用下准确到达 肿瘤所在位置，使药物准确地作用于病灶，提高疗效，减少药物用量，从而有 效地减轻甚至避免化疗对人体的副作用。目前这项实验已在动物身上取得成功。 A Jordan, RScholz提出了一种新方法来治疗肿瘤。通过外界的交变磁场控制 磁液位置，利用磁性液体的人工高热效应（MFH）选择性地加热病灶，将肿瘤细胞杀死，而其他位置则不吸收外界能量。这将是一种用来治疗神经肿瘤和前列 腺肿瘤的方法。2.2.3生物学上的应用利用磁性液体的分离技术，

53、可以实现生物活性物质的提纯，鉴别微量有机 物、细胞和基因物质。据有关报道，科学家们把烟草花叶病毒和烟草哮喘病毒 分散在磁性液体中，通过施加适当磁场，成功地把生物群落如烟草花叶病毒和 烟草哮喘病毒取向。采用高梯度磁分离技术，从血液中成功地分离出红血球。 使磁性微粉的悬浮液与细菌细胞相粘结，获得比一般方法高得多的灵敏度，如 利用酸性水基磁性液体可以富集肺结核菌。2.2.4其他应用除此之外，磁性液体还在许多领域有着广泛的应用前景。如：磁性液体印 刷、磁性液体薄膜轴承、声纳系统、磁性药物、细胞磁性分离、磁性液体人工 发热器、磁性液体涡轮发电、光学开关、磁性液体刹车等等。3发展现状及前景展望3.1磁性液

54、体的发展现状磁性液体的发展按纳米级磁性颗粒被利用的时间顺序及特性可以分为3个 阶段。20世纪60年代初，第一代铁氧体磁性液体问世，60年代初期，美国宇 航局将其用于宇航服和宇宙飞船可动部分的真空密封材料以及在失重状态下液 体泵的输送等方面。1965年S.S.Pappell获得了世界上第一个具有实用意义的制 备磁性液体的专利，并用该法成功制备了庚烷、油酸和粉状铁磁矿的磁性胶体 溶液以及其他磁性液体火箭材料。80年代第二代金属磁性液体出现，这一阶段主要是磁性液体制备技术有了 突破发展和对磁性液体应用的一些有益探索。自60年代末期以来，美国、日本、前苏联、英国等国家相继开展了磁性液体技术的研究。19

55、79年Khafal-la首次用 化学共沉淀法合成了磁性液体，促进了磁性液体制备和研究的飞速发展。进入90年代，日本研制出第三代氮化铁磁性液体。第一代铁氧体磁性液体问世解决了有无问题，第二代金属磁性液体的出现把磁性能提得更高 Ms:0.17T(1700Gs)，第三代氮化铁磁性液体既具有良好的抗腐蚀性能又具有较 高的磁性能。综合磁性液体的发展阶段来看，人们都是在不断扩展磁性液体的应用范围、 加深磁性液体特性的理论研究和高的饱和磁化强度、高稳定性磁性液体的研制 上，因此研制出高的饱和磁化强度、高稳定性和流程短的磁性液体是各国科学 家都在关注、研究和探讨的主要问题。3.2未来趋势及展望(1)未来趋势国际上磁性液体在生物医学方面的应用和利用磁性液体的