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1、7.1磁性液体,本节讲述的主要内容：7.1.1磁性液体的基本概念7.1.2磁性液体的基本特性7.1.3磁性液体的稳定性7.1.4磁性液体的分类7.1.5磁性液体的制备方法7.1.6磁性液体的应用,7.1.1 磁性液体基本概念,磁液在重力和磁力作用下不会出现凝聚和沉淀现象,既具有固体的磁性，又具有液体的流动性,磁性微粒为单畴或近单畴，产生自发磁化,磁性微粒在基液中作布朗运动，故磁液显示超顺磁性,磁化时，磁化-退磁-磁化过程曲线显示“S”型,磁性液体(Magnetic Liquids)是由纳米级的磁性颗粒，通过界面活性剂高度地分散、悬浮在载液中，形成稳定的胶体体系,超细磁性颗粒：Fe3O4、-Fe
2、2O3、Fe、Co、Ni、Fe-Co-Ni 合金、-Fe3N及-Fe4N等 表面活性剂：羧基、胺基、羟基、醛基、硫基等 载液：水、矿物油、酯类、有机硅油、氟醚油及水银等,磁性液体的组成和结构,7.1.2 磁性液体的基本特性,磁化特性,无磁场时，磁液显示超顺磁性；有磁场时，磁性颗粒同向排列，磁液显示磁性磁化曲线：无剩磁、无矫顽力,声、光特性,声学特性：超声波在磁性液体中的传播速度及衰减量与外加磁场强度有关,且在外磁场作用方向发生变化,超声波在磁性液体中的传播显示各向异性。,光学特性：在磁场作用下，磁液中的磁性微粒有序排列。光线通过几十微米厚的磁性液体薄膜，产生双折射现象。尽管磁液是黑色的，但光线
3、却可以通过,粘度、密度特性,在外加磁场作用下，磁场能量转变为磁液压强增大，结果使原来沉浸在磁液中的高密度非磁性物体“漂浮”起来。,密度特性,粘度特性,粘度是指液体流动时表现出来的内摩擦力外加磁场使磁性粒子取向排列，从而增加磁液流动的阻力，导致粘度增大,界面特性,磁性液体的表面在外加磁场的作用下会产生变形。当外加磁场垂直于磁性液体的表面时，磁性液体的表面出现无数的“针形磁花”。“针形磁花”的方向与磁力线的方向相同。此时，磁场力、磁性液体的表面张力和重力平衡,7.1.3 磁液的稳定性,磁液中磁性粒子存在相互聚集的吸引力，为了充分分散，必须减小微粒尺寸，使热振动能克服磁性引力。,磁性粒子靠近时的最大
4、磁位能为：,为使磁液稳定存在，必须满足：,以Fe3O4作为分散质的磁性流体为例，设M=0.35T，求得粒径上限为10nm,粒子间的吸引力,范德瓦尔斯引力,范德瓦耳斯引力是分子间瞬间电偶极矩的相互作用力，它是粒子间普遍存在的短程相互作用力，随着分子间的距离加大，便迅速地减弱，可表示为：,磁力场及梯度磁场对磁液的影响,重力场使磁性流体中的颗粒产生沉淀，使颗粒上稀下浓，浓度差又引起微粒由高浓度向低浓度方向扩散,因此，磁性颗粒处于重力和扩散力的动态平衡中,推导出磁性粒子浓度梯度为：,同理，在梯度为 dH/dZ的磁场中，浓度梯度为：,磁性流体粘度与外磁场的相互作用,磁性流体通常都具有粘滞性，其粘度服从牛
5、顿的内摩擦定律，它与流体中的颗粒数量和外磁场大小及方向有密切关系；在有外加磁场时，磁流体的粘度可增加4倍；液体流动方向与外加磁场方向平行时的粘度比垂直时大；从流变特性分析，磁流体的粘度，从低到高可根据磁场的强弱加以控制,磁性流体密度对磁化强度的影响,如果将磁性流体的密度作为变量，磁性流体的单位质量的磁化强度可近似表示为：,磁性流体遵从修正的伯努利方程,与常规伯努利方程相比，多了一个负的磁能相,磁能项与其它每一项组合，都会产生新的流体现象,7.1.4 磁液分类,按照磁性颗粒的种类，大体可分为：,铁氧体磁性液体,金属磁性液体,氮化铁磁性液体,磁性颗粒：纳米级的铁氧体颗粒（Fe3O4、-Fe2O3）
6、,磁性颗粒：纳米级的金属颗粒（Fe、Co、Ni或Fe-Ni、Fe-Co-Ni等合金）,磁性颗粒：纳米级的氮化铁颗粒（-Fe3N、-Fe4N及Fe8N）,7.1.5 磁性液体的制备方法,二价的铁盐（FeCl2）溶液和三价的铁盐（FeCl3）溶液按一定的比例混合，加入沉淀剂（NaOH或KOH）反应后，获得粒度小于10nm的Fe3O4磁性颗粒，经脱水干燥后，添加一定量的表面活性剂剂母液，充分搅拌混合后获得铁氧体磁性液体。铁氧体磁性液体的饱和磁化强度一般为0.05T。该方法能够获得粒度均匀的纳米级颗粒，且成本低，适合工业化生产。,化学共沉降法,铁氧体磁性液体的制备方法,将Fe3O4粉末与煤油及油酸按一
7、定比例混合在一起，装入球磨机进行研磨，大约需要520个星期，以保证Fe3O4粒子达到胶体尺寸，直径为2.515nm之间，然后用高速离心机除去直径大于25nm的粗大粒子。该法虽然简单，但耗时较长，效率低，费用高，不适合大批量生产。如选用非磁性的方铁矿为原料，研磨制成胶体溶液，然后再使其变为铁磁性，这样可以缩短约95的研磨时间。,球磨法,金属磁性液体的制备方法,在含有表面活性剂的载液中添加羰基金属化合物Fe(CO)5、Co2(CO)8、Ni(CO)4或它们的混合物，置于带有加热装置的密闭容器内，经热分解制成纳米级Fe、Co、Ni或其合金颗粒，这些颗粒经表面活性剂包覆后均匀、稳定地分散在载液中成为金
8、属磁性液体。该法工艺简单、能耗低，可制备高饱和磁化强度的磁性液体,金属铁磁性材料（Fe、Co、Ni及其合金）的饱和磁化强度远远高于铁氧体，利用它们制备金属磁性液体，其饱和磁化强度较高，在应用上优于铁氧体磁性液体。但金属、合金以及包覆的复合纳米级粉末极容易氧化是金属磁性液体的致命缺点。,金属羰基化合物热分解法,等离子CVD法,在反应容器底部旋转溶入表面活性剂的载液，并保持低压状态。把能气化分解后获得铁磁性金属颗粒的有机金属化合物作为原料，并使之气化，与H2、N2或Ar或者它们的混合气体混合后导入到反应容器内，在直流电场、高频电场、微波或激光的作用下产生低温等离子体。在该等离子体的作用下使气化的有
9、机金属化合物分解生成金属原子或者金属原子团，它们在向容器底部流动的过程中碰撞长大成纳米级金属颗粒，经搅拌后，这些金属颗粒被表面活性剂包覆后分散在载液中成为金属磁性液体。该法制备的磁性颗粒粒径分布较宽，制备装置复杂,蒸发冷凝法,在旋转的真空滚筒的底部放入含有表面活性剂的载液，随着滚筒的旋转，在其内表面上形成一液体膜。将置于滚筒中心部位的铁磁性金属加入，使之蒸发。冷凝后的粒径在210nm的铁磁性颗粒被液体膜捕捉，随着滚筒的旋转进入载液内。滚筒继续旋转，由底部提供新的液体膜，如此反复制备成金属磁性液体,氮化铁磁性液体的制备方法,氮化铁具有高饱和磁化强度、高矫顽力以及比金属磁粉更好的稳定性。利用纳米级
10、-Fe3N颗粒制备的氮化铁磁性液体不但具有优良的磁性能，而且还具有稳定的化学性能。,热分解法,与金属磁液制备工艺相似,该方法可以制备高饱和磁化强度的磁性液体。,氮化铁磁性液体的制备方法,该方法是从作为电极的导气管往旋转反应容器内导入由N2、Ar、Fe(CO)5蒸气组成的混合气体。往电极加高频电压（13.56MHz）产生等离子，使Fe(CO)5分解生成纳米级氮化铁颗粒。这些颗粒被容器内表面上的液体膜捕捉并均匀分散到容器底部的载液中，形成含有氮化铁颗粒的磁性液体。,等离子CVD法,7.1.6 磁性液体的应用,磁性液体在应用上的工作原理如下：a通过磁场检测或利用磁性液体的物性变化；b随着不同磁场或分
11、布的形成，把一定量的磁性液体保持在任意位置或者使物体悬浮；c通过磁场控制磁性液体的运动。由于各工作原理相互关联，所以应用时往往综合应用上述工作原理。,磁性液体的基本工作原理和应用范围,磁液密封,特点：不泄漏，可耐高真空；耐高速旋转；无机械磨损，寿命长；发热量小,磁液扬声器,磁性液体：对音圈的运动起一定的阻尼作用，并能使音圈自动定位，同时音圈所产生的热量可以通过磁性液体耗散,磁液选矿,磁液的表观密度随外磁场的变化而改变，可用来筛选比重不同的非磁性矿物。,通常采用水基磁性液体，可重复使用,广泛的应用前景,磁液无摩擦开关，磁液传感器，磁液精密研磨，磁液印刷，磁性药物，声纳系统，细胞磁性分离，磁液刹车,Thank you!,
