磁流體材料生產(chǎn)工藝

磁流體材料生產(chǎn)工藝磁流體又稱磁性液體(MagneticFluids),是由納米級(jí)的磁性顆粒通過(guò)表面活性劑的包覆,高度均勻分散于基載液中所形成的穩(wěn)定的固2液兩相膠狀液體[1]。這種材料既具有固相材料的磁性,又具有液相的流動(dòng)性,即使在重力、離心力、電磁力等作用下也不會(huì)發(fā)生固液分離,是一種典型的納米復(fù)合材料[2],同時(shí)它也是目前真正具有工業(yè)實(shí)用價(jià)值的液體磁性材料,自20世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái),發(fā)展非常迅速。目前磁性液體已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)橫跨多學(xué)科的綜合體系,其應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到機(jī)械、航空、電子、醫(yī)療、生物、環(huán)保等諸多方面[3]。 磁流體的組成與機(jī)理磁流體由磁性微粒、表面活性劑和載液三者組成，三者關(guān)系如圖a所示。磁性微?？梢允牵篎e3O4、γ-Fe2O3、氮化鐵、單一或復(fù)合鐵氧體、純鐵粉、純鈷粉、鐵-鈷合金粉、稀土永磁粉等，目前常用Fe3O4粉。表面活性劑的選用主要是讓相應(yīng)的磁性微粒能穩(wěn)定地分散在載液中，這對(duì)制備磁流體來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。典型的表面活性劑一端是極性的，另一端是非極性的，它既能適應(yīng)于一定的載液性質(zhì)，又能適應(yīng)于一定磁性顆粒的界面要求。包覆了合適的表面活性劑的納米磁性顆粒之間就可相互排斥、分隔并均勻地分散在載液之中成為穩(wěn)定的膠體溶液。關(guān)于載液的選擇，應(yīng)以低蒸發(fā)速率、低粘度、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫和抗輻射為標(biāo)準(zhǔn)，但同時(shí)滿足上述條件非常困難，因此，往往根據(jù)磁流體的用途及其工作條件來(lái)選擇具有相應(yīng)性能的載液。1磁性液體的制備磁性液體按磁性顆粒來(lái)分,主要分為鐵氧體型、金屬型和氮化鐵型。由于鐵氧體型磁性液體具有很好的穩(wěn)定性,成為目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的磁性液體,其缺點(diǎn)是飽和磁化強(qiáng)度(Ms)較低,一般在0102～0103T,最高可達(dá)0106T[4],限制了其應(yīng)用的范圍。金屬型磁性液體有較高的Ms值,但化學(xué)穩(wěn)定性較差。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的氮化鐵型磁性液體既具有高M(jìn)s,又有較好的磁穩(wěn)定性,因而成為研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。下面分別對(duì)這3種不同類(lèi)型的磁性液體的制備方法進(jìn)行介紹。1.1鐵氧體型磁液的制備1.1.1機(jī)械力作用下的分散通常被認(rèn)為是簡(jiǎn)單的物理分散,主要是借助外界剪切力或撞擊力等機(jī)械能使粒子[5]在介質(zhì)中充分分散的一種形式。在20世紀(jì)60年代,人們通過(guò)對(duì)粒徑為30μm磁鐵礦(Fe3O4)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的機(jī)械研磨,制備出以煤油為基載液,油酸為表面活性劑的磁性液體[6]。研磨法的優(yōu)點(diǎn)在于它對(duì)研磨的材料和基載液沒(méi)有特別的要求,但該方法耗時(shí)長(zhǎng),效率低,且所得顆粒粒徑分布廣,目前已多不采用1.1.2化學(xué)共沉淀法所謂共沉淀法[7],是在混合的金屬鹽溶液(含有2種或2種以上的金屬離子)中加入適當(dāng)?shù)某恋韯?反應(yīng)生成均勻的沉淀產(chǎn)物。Elmore早先曾利用化學(xué)共沉淀法制備高分散鐵氧體型磁性液體,其化學(xué)原理如下:FeCl2+2FeCl3+8NaOH→Fe3O4↓+8NaCl+4H2O將稀釋的FeCl2和FeCl3水溶液按摩爾比1∶2在70℃時(shí)混合,加入過(guò)量的NaOH水溶液使混合溶液的pH控制在10,以確保離子全部沉淀,同時(shí)加入適量表面活性劑(如油酸)將生成的顆粒進(jìn)行及時(shí)地包覆,并配合以連續(xù)攪拌,其目的是為了嚴(yán)格控制顆粒長(zhǎng)大,獲得高度分散的沉淀產(chǎn)物。將水中的顆粒轉(zhuǎn)移至適當(dāng)?shù)幕d液中便可得到Fe3O4基磁性液體。采用共沉淀法的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)通過(guò)溶液中的各種化學(xué)反應(yīng)直接得到化學(xué)成分均一的超微粉體;(2)超微粉體的粒度及分布容易控制;(3)易于工業(yè)化生產(chǎn)。目前,1.2金屬型磁液的制備1.2.1真空蒸發(fā)法僅用于制備金屬基磁性液體,其制備原理如圖1所示[8]:在真空或惰性氣體保護(hù)的圓形容器內(nèi)放入表面活性劑與基載液,隨著旋轉(zhuǎn)容器的轉(zhuǎn)動(dòng),混合溶液貼附于轉(zhuǎn)桶的內(nèi)壁上形成一層夜體薄膜,將鐵、鈷、鎳或其合金置于旋轉(zhuǎn)中心容器內(nèi)在2000℃甚至更高的溫度下使其蒸發(fā)成氣體狀態(tài),與桶內(nèi)壁的液體薄膜相接處,冷凝成超微粒子粒徑一般在2～10nm,轉(zhuǎn)桶通常以2r/min的速率旋轉(zhuǎn),金屬粒子不斷地溶解并分散于液體中,如此重復(fù)便得到磁性液體。真空蒸發(fā)法制備的金屬及其合金磁性液體穩(wěn)定性優(yōu)良、飽和磁化強(qiáng)度高,但整個(gè)設(shè)備復(fù)雜,同時(shí)還需抽真空,目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有利用這種方法來(lái)制備磁性液體。1.2.2熱解羰基化合物法利用羰基化合物液體(如Fe(CO)5、Ni(CO)等),在一定的溫度下蒸發(fā),通過(guò)氬氣載帶到混合器中與稀釋氣體充分混合進(jìn)一步稀釋后進(jìn)入熱解器。羰基化合物蒸汽在具有一定溫度的基載液中熱分解,形成的納米顆粒被事先混入基載液中的表面活性劑包覆,一步獲得具有一定磁性的金屬基磁性液體。1.3氮化鐵型磁液的制備1.3.1等離子CAD化學(xué)氣相沉淀法[10]這種方法的原理是利用電極放電將Fe(CO)5和N2激發(fā)成等離子態(tài)進(jìn)行反應(yīng)得到氮化鐵微粒溶于油液中,形成氮化鐵磁性液體,其裝置如圖2所示。使用該方法制備的顆粒因?yàn)槭窃跉庀嘀猩?所以顆粒間容易相互碰撞而長(zhǎng)大,致使顆粒大小均勻度差,且所得磁性液體Ms值較低,僅為01022T左右。要得到Ms值較高的磁性液體還需要進(jìn)行離心分離和濃縮處理,因此現(xiàn)在已基本不使用。1.3.2氣相該方法的基本原理為在添加了胺基系表面活性劑的煤油中導(dǎo)入氨氣,同時(shí)將漏斗中的適量羰基鐵放入反應(yīng)器中,加熱反應(yīng)器至90℃保溫60min,生成胺基羰基鐵中間體,然后在185℃高溫下分解該中間體,就可以得到氮化鐵磁性液體。反應(yīng)裝置如圖3所示[11],將上述反應(yīng)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行,直至漏斗中的Fe(CO)此外,鋼鐵研究總院也自行研制了一套氮化鐵磁性液體的制備裝置[12],其方法是用Ar氣將Fe(CO)5蒸氣載帶到混合器內(nèi),并與導(dǎo)入該混合器內(nèi)的NH3充分混合后進(jìn)入含有事先復(fù)配的基載液與表面活性劑的高溫爐體內(nèi)進(jìn)行反應(yīng),得到氮化鐵磁性液體,其優(yōu)點(diǎn)是一次反應(yīng)就可以得到最終產(chǎn)物,制備工藝簡(jiǎn)單,可靠性強(qiáng)。參考文獻(xiàn)【1】龍毅,張正義.新功能磁性材料及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.【2】翁興園.磁流體技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)[J].磁性材料及器件,1999,29(6):35-39.【3】許淳淳.可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略與腐蝕的全面控制[J].化工設(shè)備與防腐蝕,2000,5(1):49.【4】俞蓉蓉.地下金屬管道的腐蝕與防護(hù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1998.【5】曹楚南.腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1988.【6】王吉會(huì),姜曉霞,李曙,等.腐蝕磨損過(guò)程中材料的環(huán)境脆性[J].材料研究學(xué)報(bào),2003,17(5):449-458.【7】郭清泉,陳煥欽.金屬腐蝕與涂層防護(hù)[J].合成材料老化與應(yīng)用,2003,32(4):36-40.【8】孔愛(ài)平,王軍.基于化工設(shè)備金屬腐蝕及環(huán)氧防腐涂層的應(yīng)用研究[J].遼寧化工,2007,36(5):330-334.【9】劉蕓.金屬腐蝕[J].太陽(yáng)能,2002,1:10-14.【10】孫靈芳,張苗苗,王俊霞.金屬腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的4.磁流變液的流變機(jī)理

按照磁疇理論可以解釋磁流變效應(yīng)。在磁流變液中，每一個(gè)小顆粒都可當(dāng)做一個(gè)小的磁體。在這種磁體中，相鄰原子間存在著強(qiáng)交換耦合作用。它促使相鄰原子的磁矩平行排列，形成自發(fā)磁化飽和區(qū)域即磁疇。無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)，每個(gè)磁疇中各個(gè)原子的磁矩排列取向一致，而不同磁疇磁矩取向不同。磁疇的這種排列方式使每一顆粒處于能量最小的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，所有顆粒均勻磁矩為零，顆粒不顯磁性。在外磁場(chǎng)作用下，磁矩與外磁場(chǎng)同方向排列時(shí)的磁能低于磁矩與外磁場(chǎng)反方向排列時(shí)的磁能，結(jié)果是同自發(fā)磁化磁矩成較大角度的磁疇體積逐漸縮小。這時(shí)顆粒的均勻磁矩不即是零，顆粒對(duì)外顯示磁性，按序排列相接成鏈。當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱時(shí)，鏈數(shù)目少、長(zhǎng)度短、直徑也較細(xì)，剪斷它們所需外力也較小。隨外磁場(chǎng)不斷增強(qiáng)，取向與外場(chǎng)成較大角度的磁疇全部消失，保存的磁疇開(kāi)始向外磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，磁流變液中鏈的數(shù)目增加，長(zhǎng)度加長(zhǎng)，直徑變粗，磁流變液對(duì)外所表現(xiàn)的剪切應(yīng)力增強(qiáng)；再繼續(xù)增加磁場(chǎng)，所有磁疇沿外磁場(chǎng)方向整潔排列，磁化達(dá)到飽和，磁流變液的剪切應(yīng)力也達(dá)到最高[3]。

磁流變液的磁化特征不僅依靠固態(tài)相本身的磁特性，而且與顆粒間聚集狀態(tài)和結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。另外，磁流變液的磁化飽和強(qiáng)度與體積分?jǐn)?shù)無(wú)關(guān)，但磁化率卻隨體積分?jǐn)?shù)的增加而線形增加，且有隨顆粒直徑增大而增大的趨勢(shì)。在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變液發(fā)生相變的三個(gè)臨界磁場(chǎng)分別為Hc1、Hc2和