磁性材料第五章.ppt

磁性材料-第五章*特点：超特点：超顺磁性、磁性、液体的流液体的流动性性*1965年年，，为解解决决宇宇航航服服头盔盔转动密密封封问题，，Pappel将将磁磁铁矿粉粉、、界界面面活活性性剂(油油酸酸)和和润滑滑油油混混合合在在一一起起，，在在球球磨磨机机中中球磨，再利用离心方法去掉大球磨，再利用离心方法去掉大颗粒而研制成功粒而研制成功1977年第一届国年第一届国际磁性液体会磁性液体会议召开*磁性液体的磁性液体的组成：成：三三个个要要素素：：基基液液或或载液液、、纳米米级磁磁性性固固体体颗粒粒、、界界面面活活性性剂(表面活性表面活性剂或分散或分散剂)*按磁性按磁性颗粒的种粒的种类进行分行分类：：1、、60年年代代初初，，第第一一代代铁氧氧体体磁磁性性液液体体问世世，，解解决决了了有有无无问题；；2、、80年代第二代金属磁性液体出年代第二代金属磁性液体出现，提高了磁性能；，提高了磁性能；3、、90年年代代日日本本研研制制出出第第三三代代氮氮化化铁磁磁性性液液体体，，既既具具有有良良好好的抗腐的抗腐蚀性能又具有性能又具有较高的磁性能高的磁性能5.2 磁性液体的分磁性液体的分类5.3 磁性液体的基本特性磁性液体的基本特性一、物理特性一、物理特性1、磁化特性：超、磁化特性：超顺磁性磁性2、、热效效应：温度梯度磁：温度梯度磁场MS梯度梯度压力梯度力梯度磁液流磁液流动3、、声声学学特特性性：：超超声声波波在在磁磁液液中中的的传播播速速度度及及衰衰减减量量与与外外加加磁磁场强度度有有关关，，且且在在外外场作作用用下下方方向向发生生变化化，，超超声声波波在在磁磁液中的液中的传播播显示各向异性。

示各向异性4、、光光学学特特性性：：磁磁液液在在磁磁场中中的的表表现像像一一个个单晶晶体体，，在在光光的的作用下作用下产生双折射生双折射5、、粘粘度度特特性性：：主主要要取取决决于于基基液液粘粘度度，，也也与与磁磁性性颗粒粒的的含含量量及及外外场有有关关无无外外场时，，且且磁磁液液浓度度较低低时，，磁磁液液呈呈牛牛顿流流体体特特性性；；当当施施加加静静态的的强场时，，磁磁液液的的粘粘度度增增加加，，呈呈现非非牛牛顿流体特性另外温度升高，其粘度将会减小流体特性另外温度升高，其粘度将会减小6、、磁磁液液的的密密度度：：在在载液液和和表表面面活活性性剂固固定定的的情情况况下下，，磁磁液液的密度主要取决于的密度主要取决于纳米米级磁性磁性颗粒的含量粒的含量7、、界界面面现象象：：在在垂垂直直于于磁磁液液界界面面的的方方向向施施加加磁磁场，，静静磁磁能能有有使使界界面面扩张的的作作用用，，使使表表面面张力力减减小小若若外外场较大大，，扩张作作用用大大于于表表面面张力力，，磁磁液液表表面面出出现无无数数的的“针形形磁磁花花”针形磁花形磁花”的方向与磁力的方向与磁力线的方向相同的方向相同二、化学特性二、化学特性1、、稳定定性性：：在在强磁磁场和和重重力力长时间作作用用下下不不分分层，，磁磁性性颗粒不析出、不粒不析出、不团聚。

聚2、、抗抗氧氧化化特特性性：：主主要要指指磁磁性性颗粒粒的的抗抗氧氧化化性性，，对于于金金属属磁磁液更液更为重要3、界面活性、界面活性剂与母液及磁性与母液及磁性颗粒的化学匹配特性：粒的化学匹配特性：界界面面活活性性剂的的亲液液基基必必须与与基基液液的的分分子子机机构构或或理理化化特特性性相相近近似似，，才才能能和和基基液液互互溶溶界界面面活活性性剂的的憎憎液液基基与与磁磁性性颗粒粒结合，形成合，形成稳定的胶体体系定的胶体体系4、、蒸蒸发特特性性：：为获得得长寿寿命命的的磁磁液液，，要要选择蒸蒸发率率低低、、蒸蒸气气压小的基液和表面活性小的基液和表面活性剂三、流体力学特性三、流体力学特性*修正的伯努利方程修正的伯努利方程5.4 磁性液体的磁性液体的稳定性定性一、粒子一、粒子间的磁力吸引的磁力吸引*磁磁性性微微粒粒之之所所以以能能在在基基液液中中稳定定地地悬浮浮，，是是因因为磁磁性性粒粒子子很小，分子的很小，分子的热运运动足以克服粒子足以克服粒子间相互聚集的磁性引力相互聚集的磁性引力*两个磁性粒子两个磁性粒子间的磁力吸引位能：的磁力吸引位能：*r为粒粒子子半半径径，，R为粒粒子子间的的中中心心距距离离，，h=(R-2r)/r为粒粒子子表面距离与粒子半径之比。

表面距离与粒子半径之比为达到分散达到分散稳定效果，需定效果，需满足：足：*由由上上式式求求出出稳定定的的磁磁性性粒粒子子的的粒粒径径上上限限表表面面活活性性剂使使得得磁粉粒径的允磁粉粒径的允许值扩大了二、范德瓦耳斯引力二、范德瓦耳斯引力*范范德德瓦瓦耳耳斯斯引引力力是是分分子子间瞬瞬间电偶偶极极矩矩的的相相互互作作用用力力，，它它是是粒粒子子间间普普遍遍存存在在的的短短程程相相互互作作用用力力，，随随着着分分子子间距距离离加加大，便迅速地减弱大，便迅速地减弱 范德瓦范德瓦耳斯引力能耳斯引力能为：：* R为粒子粒子间的中心距离的中心距离 当当颗粒粒紧密密接接触触时，，对很很小小的的颗粒粒，，范范氏氏力力无无法法用用热运运动来来克克服服，，易易造造成成颗粒粒团聚聚同同样表表面面活活性性剂的的加加入入会会削削弱弱范氏力三、重力三、重力场及梯度磁及梯度磁场的影响的影响*在在重重力力场场中中微微粒粒的的空空间分分布布将将处于于重重力力与与扩散散力力动态平平衡衡之中之中在重力在重力场中胶体溶液中粒子中胶体溶液中粒子浓度梯度度梯度为：：*n为为高高度度Z处处单单位位体体积积内内的的胶胶粒粒数数，，d为为胶胶粒粒直直径径，， 为为胶胶粒粒密度，密度，  c 为为基液密度基液密度。

*在梯度磁在梯度磁场中中时有：有：*若若此此时磁磁性性流流体体中中有有非非磁磁性性体体存存在在，，就就会会受受到到指指向向低低磁磁场方向的浮力方向的浮力V为非非磁磁性性体体体体积，， 为非非磁磁性性体体密密度度，， H为为磁磁场场梯梯度度，，   为为磁流体的密度，磁流体的密度， 为为磁流体的平均磁化磁流体的平均磁化强强度四、磁性流体粘度与外磁四、磁性流体粘度与外磁场的相互作用的相互作用*实验证明明，，有有外外场时磁磁流流体体的的粘粘度度增增加加，，且且液液体体流流动方方向向与外与外场平行平行时的粘度比垂直的粘度比垂直时大原原因因：：无无磁磁场时，，悬浮浮粒粒子子的的运运动方方向向与与磁磁性性流流体体流流动方方向向一一致致，，加加磁磁场时，，磁磁粒粒子子便便向向磁磁力力线方方向向运运动磁磁粒粒子子的的这种运种运动会增大会增大对流体流流体流动的阻力，从而的阻力，从而导致粘度增大致粘度增大五、磁性流体密度五、磁性流体密度对磁化磁化强度的影响度的影响*单位位质量磁流体的磁化量磁流体的磁化强度：度： 为流体密度，流体密度， 1为溶溶剂密度，密度， 2为微粒密度微粒密度，， s为微粒的磁微粒的磁化化强度度六、超六、超顺磁性粒子的磁化磁性粒子的磁化过程服从朗之万函数程服从朗之万函数*铁磁磁单畴畴颗粒在磁粒在磁场中的位能：中的位能：EH = -VMSHcos  其中其中 角按波耳角按波耳兹曼分布曼分布*当当 <<1(弱磁弱磁场)时，，*当当 >>1(强磁磁场)时，，七、磁性流体遵从修正的伯努利方程七、磁性流体遵从修正的伯努利方程*磁磁性性流流体体在在磁磁场中中增增加加了了一一项与与磁磁化化强度度、、磁磁场有有关关的的静静压力力，，从从而而使使压力力变大大。

把把一一个个比比重重大大于于磁磁性性流流体体的的非非磁磁性性物物体体放放在在磁磁性性流流体体内内，，当当把把它它们放放进磁磁场时，，原原先先沉沉在在底部的物体会底部的物体会“漂浮漂浮”到表面上来到表面上来上上述述相相互互作作用用与与影影响响，，导致致磁磁性性微微粒粒存存在在着着永永久久性性的的聚聚集集作用，在作用，在实际应用中很用中很难制成制成长期期稳定的磁性流体定的磁性流体5.5 磁性液体的制磁性液体的制备方法方法1、化学共沉降法、化学共沉降法FeCl2+FeCl3+沉沉淀淀剂(NaOH或或KOH)小小于于10nm的的Fe3O4磁磁性性颗粒粒经脱脱水水干干燥燥后后添添加加一一定定的的表表面面活活性性剂和和母母液液，，充充分分搅拌后拌后获得磁液得磁液*优点：粒度均匀、成本低、适合工点：粒度均匀、成本低、适合工业化生化生产一、一、铁氧体磁性液体的制氧体磁性液体的制备方法方法2、机械研磨法、机械研磨法*以球磨法以球磨法为例：例：Fe3O4粉粉末末+煤煤油油+油油酸酸球球磨磨5~20个个星星期期高高速速离离心心机机去去除除粗大粒子后得到磁液粗大粒子后得到磁液*优点：方法点：方法简单*缺点：耗缺点：耗时长适合，效率低，适合，效率低，费用高，不适合大批量生用高，不适合大批量生产。

二、金属磁性液体的制二、金属磁性液体的制备方法方法1、金属、金属羰基化合物基化合物热分解法分解法（工（工艺简单、能耗低）、能耗低）*含含 表表 面面 活活 性性剂剂的的载载液液中中 添添 加加羰基基 金金 属属 化化 合合 物物[Fe(CO)5、、Co2(CO)8、、Ni(CO)4或或它它们们的的混混合合物物]，，置置于于带有有加加热装装置置的的密密闭容容器器内内，，经热分分解解制制成成纳米米级Fe、、Co、、Ni或或其其合合金金颗颗粒粒，，颗颗粒粒经经表表面面活活性性剂剂包包覆覆后后均均匀匀、、稳稳定定地地分分散散在在载载液液中中成成为为金金属属磁磁液液 优点：点：饱和磁化和磁化强度度较高高*缺点：极容易氧化缺点：极容易氧化2、等离子、等离子CVD法法*在在反反应应容容器器底底部部溶溶入入含含表表面面活活性性剂的的载液液，，将将有有机机金金属属化化合合物物气气化化，，与与H2、、N2或或Ar或或它它们们的的混混合合气气体体混混合合后后导导入入到到反反应应容容器器内内，，在在直直流流电电场场、、高高频频电电场场、、微微波波或或激激光光的的作作用用下下产生生低低温温等等离离子子体体，，使使气气化化的的有有机机金金属属化化合合物物分分解解生生成成金金属属原原子子或或原原子子团，，它它们在在向向容容器器底底部部流流动的的过程程中中碰碰撞撞长大大成成纳米米级金金属属颗粒粒，，经搅拌后，拌后，颗粒被表面活性粒被表面活性剂包覆并分散在包覆并分散在载液中成液中成为金属磁性液体。

金属磁性液体3、蒸、蒸发冷凝法冷凝法*在在旋旋转的的真真空空滚筒筒底底部部放放入入含含表表面面活活性性剂的的载液液，，随随滚筒筒旋旋转，，其其内内表表面面上上形形成成液液体体膜膜使使置置于于滚筒筒中中心心部部位位的的铁磁磁性性金金属属蒸蒸发冷冷凝凝后后的的粒粒径径在在2-10nm的的颗颗粒粒被被液液体体膜膜捕捕捉捉，，随随着着滚滚筒筒的的旋旋转转进进入入载载液液内内滚滚筒筒继继续续旋旋转转，，由由底底部部提提供供新新的的液液体体膜膜，，如如此此反反复复制制备备成成金属磁液金属磁液*其它方法：其它方法：电解沉解沉积法、气相法、气相还原法、水溶液原法、水溶液还原法原法三、氮化三、氮化铁磁性液体的制磁性液体的制备方法方法*优点：高点：高饱和磁化和磁化强度、度、稳定的化学性能定的化学性能1、、热分解法分解法2、等离子、等离子CVD法法*从从作作为为电电极极的的导导气气管管往往旋旋转转反反应应容容器器内内导导入入出出N2、、Ar、、Fe(CO)5蒸蒸气气组组成成的的混混合合气气体体往往电电极极加加高高频频电电压压产产生生等等离离子子，，使使Fe(CO)5分分解解生生成成纳纳米米级级氮氮化化铁铁颗颗粒粒。

这这些些颗颗粒粒被被容容器器内内表表面面上上的的液液体体膜膜捕捕捉捉并并均均匀匀分分散散到到容容器器底底部部的的载载液液中中，，形成含有氮化形成含有氮化铁颗粒的磁性液体粒的磁性液体5.6 磁性液体的磁性液体的应用用磁性液体在磁性液体在应用上的工作原理：用上的工作原理：(1)通通过磁磁场检测或利用磁性液体的物性或利用磁性液体的物性变化；化；(2)随随着着不不同同磁磁场或或分分布布的的形形成成，，把把一一定定量量的的磁磁性性液液体体保保持持在任意位置或者使物体在任意位置或者使物体悬浮；浮；(3)通通过磁磁场控制磁性液体的运控制磁性液体的运动一、磁液密封一、磁液密封*磁液密封的特点：磁液密封的特点：（（1）可以封气、封水、封油、封）可以封气、封水、封油、封尘、封烟、封烟雾等；等；（（2）无泄漏；）无泄漏；（（3））轴的的旋旋转速速度度从从静静止止到到低低速速、、高高速速，，都都具具有有相相同同的的密密封效果；封效果；（（4））无无摩摩擦擦、、磨磨损等等问题，，对轴的的跳跳动、、偏偏心心和和表表面面光光洁度要求不度要求不严，寿命，寿命长；；（（5））磁磁液液密密封封无无方方向向性性，，瞬瞬间过压，，在在压力力回回复复时，，磁磁液液可自可自动复位；复位；（（6）系）系统简单，密封的同，密封的同时又有又有润滑作用；滑作用；（（7）磁液泄漏）磁液泄漏损失极小，失极小，经久耐用。

久耐用*磁液密封的适用范磁液密封的适用范围:（（1））被被密密封封介介质应是是气气、、液液态或或粉粉尘等等若若介介质为固固态或或固液混合固液混合态，均会破坏，均会破坏O形形环，使密封失效使密封失效2））磁磁液液的的工工作作温温度度范范围以以-20℃~120℃为宜宜温温度度过低低，，磁磁液液可可能能凝凝固固；；温温度度太太高高，，磁磁性性减减弱弱甚甚至至于于消消失失，，磁磁液液迅迅速速挥发，破坏其，破坏其稳定性二、磁性液体研磨二、磁性液体研磨*用用于于精精细加加工工，，特特别是是超超硬硬材材料料的的精精细加加工工方方法法是是在在水水或或者者油油基基磁磁液液中中混混入入粒粒度度为数数微微米米到到数数百百微微米米的的磨磨料料，，通通过磁磁力力作作用用使使磨磨料料强制制研研磨磨加加工工件件的的表表面面由由于于加加工工件件在在研研磨磨过程程中中自自身身可可以以旋旋转，，不不管管加加工工面面是是平平面面还是是曲曲面面均均能同能同时研磨与通常的加工法相比，其效率提高研磨与通常的加工法相比，其效率提高15倍三、磁性液体在三、磁性液体在扬声器上的声器上的应用用*为满足足音音响响系系统高高水水平平的的需需要要，，要要求求提提高高扬声声器器的的动态范范围和和最最大大声声压水水平平，，为此此必必须提提高高扬声声器器的的输入入功功率率。

但但会造成音圈的温度上升，当超会造成音圈的温度上升，当超过允允许值时音圈音圈产生生热破坏解决方法：在解决方法：在扬声器空气隙内的音圈周声器空气隙内的音圈周围注入磁性液体注入磁性液体 作作用用：：(1)改改善善音音圈圈散散热条条件件，，提提高高扬声声器器承承受受功功率率；；(2)改改善善频率率响响应，，减减少少失失真真；；(3)提提高高磁磁通通密密度度，，增增加加灵灵敏敏度度，，减少磁减少磁铁尺寸四、磁性液体在潜艇推四、磁性液体在潜艇推进器上的器上的应用用*螺螺旋旋桨是是潜潜艇艇噪噪声声中中最最主主要要的的噪噪声声源源，，用用磁磁性性液液体体推推进器器代替螺旋代替螺旋桨推推进器能大幅度降低潜艇噪声器能大幅度降低潜艇噪声1、、推推进器器外外套套由由钛合合金金制制成成，，内内壁壁装装有有具具有有高高弹件件及及高高韧性性的的橡橡胶胶套套，，在在橡橡胶胶套套内内充充有有高高饱和和磁磁化化强度度的的磁磁液液，，在在橡橡胶胶套套外外装装有有一一组环形形激激磁磁线圈圈通通电时线圈圈形形成成脉脉冲冲磁磁场，，磁磁液液在在脉脉冲冲场作作用用下下产生生行行进波波，，使使橡橡胶胶套套内内壁壁不不断断“蠕蠕动”，，迫迫使使海海水水从从套套筒筒前前端端吸吸入入且且得得到到加加速速，，并并以以高高速从后端速从后端喷出。

出五、磁性液体在生物医学方面的五、磁性液体在生物医学方面的应用用2、、仿仿生生阻阻尼尼器器：：用用磁磁液液和和光光滑滑的的弹性性胶胶层组成成仿仿生生的的降降阻阻降噪覆盖降噪覆盖层包覆在潜艇表面包覆在潜艇表面1、、将将药物物混混在在磁磁液液中中制制成成乳乳剂注注入入到到血血管管中中在在外外磁磁场作作用下将乳用下将乳剂移送到病灶部位移送到病灶部位进行治行治疗2、、用用磁磁性性液液体体做做胃胃肠的的X射射线造造影影时的的造造影影剂，，然然后后在在外外磁磁场的作用下的作用下进行胃行胃肠的的检查3、、除除掉掉血血液液中中特特殊殊细胞胞：：对血血液液做做化化学学处理理使使生生物物细胞胞粘粘覆覆超超微微磁磁性性颗粒粒，，使使红血血球球磁磁化化然然后后在在强磁磁场梯梯度度的的作作用下分离出用下分离出红血球而将特殊血球而将特殊细胞除掉六、磁性液体在分离技六、磁性液体在分离技术方面的方面的应用用*比比重重法法分分离离：：把把两两种种密密度度不不同同的的需需要要分分离离的的非非磁磁性性材材料料放放入入磁磁液液中中在在外外磁磁场的的作作用用下下使使磁磁液液的的密密度度为上上述述两两种种物物质密密度度的的平平均均值时，，一一种种物物质下下沉沉，，另另一一种种浮浮起起，，达达到到分分离回收的目的。