磁性材料-第五章課件

第五章磁性液體*定義：磁性液體，又稱磁流體、鐵磁性流體、磁性膠體。它是由納米級(<10nm)的磁性顆粒，通過界面活性劑高度地分散、懸浮在載液中，形成穩(wěn)定的膠體體系。5.1磁性液體的基本概念*發(fā)展史：*最早的磁性液體(磁性膠體)是Bredig于1898年通過電化學(xué)反應(yīng)方法制備。Ostwald等人也制取了具有一定磁性能的膠體，但獲得的磁性膠體極不穩(wěn)定，很難獲得應(yīng)用。*特點(diǎn)：超順磁性、液體的流動(dòng)性*1965年，為解決宇航服頭盔轉(zhuǎn)動(dòng)密封問題，Pappel將磁鐵礦粉、界面活性劑(油酸)和潤滑油混合在一起，在球磨機(jī)中球磨，再利用離心方法去掉大顆粒而研制成功。*1977年第一屆國際磁性液體會(huì)議召開。*磁性液體的組成：三個(gè)要素：基液或載液、納米級磁性固體顆粒、界面活性劑(表面活性劑或分散劑)。*按磁性顆粒的種類進(jìn)行分類：1、60年代初，第一代鐵氧體磁性液體問世，解決了有無問題；2、80年代第二代金屬磁性液體出現(xiàn)，提高了磁性能；3、90年代日本研制出第三代氮化鐵磁性液體，既具有良好的抗腐蝕性能又具有較高的磁性能。5.2磁性液體的分類5.3磁性液體的基本特性一、物理特性1、磁化特性：超順磁性2、熱效應(yīng)：溫度梯度磁場MS梯度壓力梯度磁液流動(dòng)3、聲學(xué)特性：超聲波在磁液中的傳播速度及衰減量與外加磁場強(qiáng)度有關(guān)，且在外場作用下方向發(fā)生變化，超聲波在磁液中的傳播顯示各向異性。4、光學(xué)特性：磁液在磁場中的表現(xiàn)像一個(gè)單晶體，在光的作用下產(chǎn)生雙折射。5、粘度特性：主要取決于基液粘度，也與磁性顆粒的含量及外場有關(guān)。無外場時(shí)，且磁液濃度較低時(shí)，磁液呈牛頓流體特性；當(dāng)施加靜態(tài)的強(qiáng)場時(shí)，磁液的粘度增加，呈現(xiàn)非牛頓流體特性。另外溫度升高，其粘度將會(huì)減小。6、磁液的密度：在載液和表面活性劑固定的情況下，磁液的密度主要取決于納米級磁性顆粒的含量。7、界面現(xiàn)象：在垂直于磁液界面的方向施加磁場，靜磁能有使界面擴(kuò)張的作用，使表面張力減小。若外場較大，擴(kuò)張作用大于表面張力，磁液表面出現(xiàn)無數(shù)的“針形磁花”?！搬樞未呕ā钡姆较蚺c磁力線的方向相同。2、抗氧化特性：主要指磁性顆粒的抗氧化性，對于金屬磁液更為重要。3、界面活性劑與母液及磁性顆粒的化學(xué)匹配特性：界面活性劑的親液基必須與基液的分子機(jī)構(gòu)或理化特性相近似，才能和基液互溶。界面活性劑的憎液基與磁性顆粒結(jié)合，形成穩(wěn)定的膠體體系。4、蒸發(fā)特性：為獲得長壽命的磁液，要選擇蒸發(fā)率低、蒸氣壓小的基液和表面活性劑。三、流體力學(xué)特性*修正的伯努利方程5.4磁性液體的穩(wěn)定性一、粒子間的磁力吸引*磁性微粒之所以能在基液中穩(wěn)定地懸浮，是因?yàn)榇判粤Ｗ雍苄?，分子的熱運(yùn)動(dòng)足以克服粒子間相互聚集的磁性引力。*兩個(gè)磁性粒子間的磁力吸引位能：*r為粒子半徑，R為粒子間的中心距離，h=(R-2r)/r為粒子表面距離與粒子半徑之比。*為達(dá)到分散穩(wěn)定效果，需滿足：*由上式求出穩(wěn)定的磁性粒子的粒徑上限。表面活性劑使得磁粉粒徑的允許值擴(kuò)大了。三、重力場及梯度磁場的影響*在重力場中微粒的空間分布將處于重力與擴(kuò)散力動(dòng)態(tài)平衡之中。在重力場中膠體溶液中粒子濃度梯度為：*n為高度Z處單位體積內(nèi)的膠粒數(shù)，d為膠粒直徑，為膠粒密度，c

為基液密度。*在梯度磁場中時(shí)有：*若此時(shí)磁性流體中有非磁性體存在，就會(huì)受到指向低磁場方向的浮力。*V為非磁性體體積，為非磁性體密度，H為磁場梯度，為磁流體的密度，為磁流體的平均磁化強(qiáng)度。四、磁性流體粘度與外磁場的相互作用*實(shí)驗(yàn)證明，有外場時(shí)磁流體的粘度增加，且液體流動(dòng)方向與外場平行時(shí)的粘度比垂直時(shí)大。原因：無磁場時(shí)，懸浮粒子的運(yùn)動(dòng)方向與磁性流體流動(dòng)方向一致，加磁場時(shí)，磁粒子便向磁力線方向運(yùn)動(dòng)。磁粒子的這種運(yùn)動(dòng)會(huì)增大對流體流動(dòng)的阻力，從而導(dǎo)致粘度增大。五、磁性流體密度對磁化強(qiáng)度的影響*單位質(zhì)量磁流體的磁化強(qiáng)度：為流體密度，1為溶劑密度，2為微粒密度，s為微粒的磁化強(qiáng)度七、磁性流體遵從修正的伯努利方程*磁性流體在磁場中增加了一項(xiàng)與磁化強(qiáng)度、磁場有關(guān)的靜壓力，從而使壓力變大。把一個(gè)比重大于磁性流體的非磁性物體放在磁性流體內(nèi)，當(dāng)把它們放進(jìn)磁場時(shí)，原先沉在底部的物體會(huì)“漂浮”到表面上來。*上述相互作用與影響，導(dǎo)致磁性微粒存在著永久性的聚集作用，在實(shí)際應(yīng)用中很難制成長期穩(wěn)定的磁性流體。5.5磁性液體的制備方法1、化學(xué)共沉降法FeCl2+FeCl3+沉淀劑(NaOH或KOH)小于10nm的Fe3O4磁性顆粒經(jīng)脫水干燥后添加一定的表面活性劑和母液，充分?jǐn)嚢韬螳@得磁液*優(yōu)點(diǎn)：粒度均勻、成本低、適合工業(yè)化生產(chǎn)一、鐵氧體磁性液體的制備方法2、機(jī)械研磨法*以球磨法為例：Fe3O4粉末+煤油+油酸球磨5~20個(gè)星期高速離心機(jī)去除粗大粒子后得到磁液*優(yōu)點(diǎn)：方法簡單*缺點(diǎn)：耗時(shí)長適合，效率低，費(fèi)用高，不適合大批量生產(chǎn)。二、金屬磁性液體的制備方法1、金屬羰基化合物熱分解法（工藝簡單、能耗低）*含表面活性劑的載液中添加羰基金屬化合物[Fe(CO)5、Co2(CO)8、Ni(CO)4或它們的混合物]，置于帶有加熱裝置的密閉容器內(nèi)，經(jīng)熱分解制成納米級Fe、Co、Ni或其合金顆粒，顆粒經(jīng)表面活性劑包覆后均勻、穩(wěn)定地分散在載液中成為金屬磁液。*優(yōu)點(diǎn)：飽和磁化強(qiáng)度較高*缺點(diǎn)：極容易氧化*其它方法：電解沉積法、氣相還原法、水溶液還原法三、氮化鐵磁性液體的制備方法*優(yōu)點(diǎn)：高飽和磁化強(qiáng)度、穩(wěn)定的化學(xué)性能1、熱分解法2、等離子CVD法*從作為電極的導(dǎo)氣管往旋轉(zhuǎn)反應(yīng)容器內(nèi)導(dǎo)入出N2、Ar、Fe(CO)5蒸氣組成的混合氣體。往電極加高頻電壓產(chǎn)生等離子，使Fe(CO)5分解生成納米級氮化鐵顆粒。這些顆粒被容器內(nèi)表面上的液體膜捕捉并均勻分散到容器底部的載液中，形成含有氮化鐵顆粒的磁性液體。5.6磁性液體的應(yīng)用磁性液體在應(yīng)用上的工作原理：(1)通過磁場檢測或利用磁性液體的物性變化；(2)隨著不同磁場或分布的形成，把一定量的磁性液體保持在任意位置或者使物體懸?。?3)通過磁場控制磁性液體的運(yùn)動(dòng)。一、磁液密封*磁液密封的適用范圍:（1）被密封介質(zhì)應(yīng)是氣、液態(tài)或粉塵等。若介質(zhì)為固態(tài)或固液混合態(tài)，均會(huì)破壞O形環(huán)，使密封失效。（2）磁液的工作溫度范圍以-20℃~120℃為宜。溫度過低，磁液可能凝固；溫度太高，磁性減弱甚至于消失，磁液迅速揮發(fā)，破壞其穩(wěn)定性。二、磁性液體研磨*用于精細(xì)加工，特別是超硬材料的精細(xì)加工。方法是在水或者油基磁液中混入粒度為數(shù)微米到數(shù)百微米的磨料，通過磁力作用使磨料強(qiáng)制研磨加工件的表面。由于加工件在研磨過程中自身可以旋轉(zhuǎn)，不管加工面是平面還是曲面均能同時(shí)研磨。與通常的加工法相比，其效率提高15倍。三、磁性液體在揚(yáng)聲器上的應(yīng)用*為滿足音響系統(tǒng)高水平的需要，要求提高揚(yáng)聲器的動(dòng)態(tài)范圍和最大聲壓水平，為此必須提高揚(yáng)聲器的輸入功率。但會(huì)造成音圈的溫度上升，當(dāng)超過允許值時(shí)音圈產(chǎn)生熱破壞。*解決方法：在揚(yáng)聲器空氣隙內(nèi)的音圈周圍注入磁性液體。作用：(1)改善音圈散熱條件，提高揚(yáng)聲器承受功率；(2)改善頻率響應(yīng)，減少失真；(3)提高磁通密度，增加靈敏度，減少磁鐵尺寸。四、磁性液體在潛艇推進(jìn)器上的應(yīng)用*螺旋槳是潛艇噪聲中最主要的噪聲源，用磁性液體推進(jìn)器代替螺旋槳推進(jìn)器能大幅度降低潛艇噪聲。1、推進(jìn)器外套由鈦合金制成，內(nèi)壁裝有具有高彈件及高韌性的橡膠套，在橡膠套內(nèi)充有高飽和磁化強(qiáng)度的磁液，在橡膠套外裝有一組環(huán)形激磁線圈。通電時(shí)線圈形成