磁性液體-性質及應用詳細介紹

一、概述

磁性液體是由納米級（10納米以下）的強磁性微粒高度彌散于某種液體之中所形成的穩定的膠體體系。60年代美國首先應用于宇航工業，后來逐漸轉為民用，現已成為很龐大的產業，在美國、日本、德國等發達國家都有磁性液體公司，全球每年要生產磁性液體器件數百萬噸。

磁性液體中的磁性微粒必須非常小，以致在基液中呈現混亂的布朗運動，這種熱運動足以抵消重力的沉降作用以及削弱粒子間電、磁的相互凝聚作用，在重力和電、磁場的作用下能穩定存在，不產生沉淀和凝聚。磁性微粒和基液渾成一體，從而使磁性液體既具有普通磁性材料的磁性，同時又具有液體的流動性，因此具有許多獨特的性質。

磁性液體是由強磁性微粒、基液以及表面活性劑三部分組成。為了得到穩定的磁性液體，強磁性微粒必須足夠小，如對鐵來說，微粒直徑要小于3納米；對Fe3O4來說，直徑不能大于10納米。制備納米微粒的方法很多，我們采用化學共沉淀技術制備直徑10納米左右、分布均勻的Fe3O4微粒?；瘜W共沉淀技術具有操作簡便、成本低，對設備要求不高等優點。選擇合適的表面活性劑是制備磁性液體的關鍵。表面活性劑包覆在微粒表面，具有以下作用：1. 防止磁性顆粒的氧化；2. 克服范德瓦爾斯力所造成的顆粒凝聚；3. 削弱靜磁吸引力；4. 改變磁性顆粒表面的性質，使顆粒和基液渾成一體。對表面活性劑總的要求是，活性劑的一端能吸附于微粒表面，形成很強的化學鍵，另一端能與基液溶劑化。不同基液的磁性液體要選擇不同的表面活性劑，有時甚至需要兩種以上的表面活性劑。南京大學從八十年代開始進行磁性液體的研制工作，在強磁性微粒的制備，表面活性劑的選擇等方面積累了豐富的經驗?，F已能制備出高質量的水基、煤油基和鄰苯二甲酸二異辛脂基磁性液體。

二、磁性液體的性質

由于磁性液體同時具有磁性和流動性，因此具有許多獨特的磁學、流體力學、光學和聲學特性。

磁性液體表現為超順磁性，本征矯頑力為零，沒有剩磁；

在外磁場下，磁性液體被磁化，滿足修正的伯努利方程。與常規伯努利方程相比，添加了一項磁性能，使磁性液體具有其它流體所沒有的、與磁性相關聯的新性質：例如磁性液體的表觀密度隨外磁場強度的增加而增大；

當光通過稀釋的磁性液體時，會產生光的雙折射效應與雙向色性現象。當磁性液體被磁化時，使相對于磁場方向具有光的各向異性，偏振光的電矢量平行于外磁場方向比垂直于外磁場方向吸收更多，具有更高的折射率；

超聲波在磁性液體中傳播時，其速度及衰減與外磁場有關，呈各向異性；

磁性液體在交變場中具有磁導率頻散、磁粘滯性等現象。

三、磁性液體的應用

磁性液體的特殊性質開拓了許多新的應用領域，一些過去難以解決的工程技術問題，由于磁性液體的出現而迎刃而解。下面簡單地介紹幾種磁性液體應用的原理。

1. 旋轉軸動態密封 磁性液體旋轉軸動態密封技術是磁性液體較成熟也是最重要的應用之一，現已廣泛應用于X-射線轉靶衍射儀、單晶爐、大功率激光器、計算機等精密儀器的轉軸密封。其結構原理見圖1. 磁性液體在非均勻磁場中將聚集于磁場梯度最大處，因此利用外磁場可將磁性液體約束在密封部位形成磁性液體“O”型環，具有無泄露、無磨損、自潤滑、壽命長等特點。

圖1. 磁性液體密封原理

目前在國外的精密儀器中，磁性液體密封部件作為一個整體出售，售價一般在兩、三千美圓，不單獨出售磁性液體。南京大學在磁性液體旋轉軸動態密封方面做了大量工作，積累了豐富的經驗，擁有一項國家實用新型專利。在南京大學、南京師范大學、南京55研究所等單位的儀器上使用我們的磁性液體密封技術，效果良好，真空度可達10-6t .

磁性液體密封技術目前重要用于真空、灰塵、氣體的動態密封，封水等液體由于難度較大，實際應用的不多。若能在封水、封油等方面取得突破，其應用領域將極為廣闊，必將產生巨大的經濟效益和社會效益。我們認為可從以下方面開展工作：改進密封件結構，改善磁路設計，研制新型磁性液體。

2. 揚聲器 將磁性液體注入揚聲器的音圈氣隙對音圈的運動起一定的阻尼作用，并能使音圈自動定位，同時音圈所產生的熱量可以通過磁性液體耗散，因此加入磁性液體可以提高揚聲器的承受功率，在同樣結構條件下可使輸入功率提高2倍，同時改善頻率響應，提高保真度。磁性液體用于金屬膜揚聲器性能更佳。目前國內許多廠家生產磁性液體揚聲器，生產線和磁性液體均從國外進口。若能將磁性液體國產化，必將帶來非?？捎^的收益。

3. 阻尼器件 利用磁性液體作為旋轉與線性阻尼器，以阻尼不需要的系統振蕩模式。與一般阻尼介質相比優點在于可擠占籍助外磁場定位。例如在步進馬達中使用磁性液體阻尼來消除系統的振蕩與共振，使馬達精確定位。另外在防振臺中使用磁性液體阻尼（圖2），可消除外界振動噪音的干擾，以確保精密儀器（天平，光學設備等）正常工作。

 
圖2. 磁性液體阻尼器件

4. 選礦分離 利用磁性液體的表觀比重隨外磁場的變化而改變的特點，可用來篩選比重不同的非磁性礦物（圖3）。比重差別在10%左右的礦物可用此技術較好地分離，一般采用水基磁性液體，可重復使用。

 

3. 磁性液體選礦分離示意圖

5. 開關 圖4為磁性液體無摩擦開關示意圖。水銀和磁性液體裝在一個不導電的容器中，利用外磁場改變水銀在容器中的位置，來達到接通和斷開電流的目的。圖5為不需動力的新型磁性液體離心開關示意圖。磁性液體密封在轉軸上的非磁性容器中。當轉軸靜止時，磁性液體位于容器下部，傳感器檢測不到它；當軸轉動時，離心力使磁性液體分布于容器內壁，傳感器檢測到磁性液體并引發開關動作。

 
圖4. 無摩擦開關

 
圖5. 新型離心開關

6. 精密研磨和拋光 磁性液體研磨是利用磁性液體的浮力將微米級的磨料懸浮于液體表面，與待拋光的工件緊密接觸。不論工件的表面形狀多么特殊，均可用此技術精密拋光。另外還可用來研磨高級Si3N4陶瓷球（圖6），效率比傳統方法高40倍。

 
圖6. 磁性液體研磨

7. 傳感器 目前有兩種商用磁性液體傳感器：一種是在石油勘探工業中用來測量鉆頭的加速和傾斜（圖7），另一種是在建筑工業中用來檢測地下管道的傾斜（圖8）。

 
圖7. 磁性液體傾角計 圖8. 傾斜傳感器

8. 其它應用 除此以外，磁性液體還在許多領域有著廣泛的應用前景。如：磁性液體印刷、磁性液體薄膜軸承、聲納系統、磁性藥物、細胞磁性分離、磁性液體人工發熱器、磁性液體渦輪發電、光學開關，磁性液體剎車，等等。

四、當前的重要工作

首先將已經成熟的磁性液體旋轉軸封真空、封氣技術推向市場，以此為突破口占領市場。同時研制用于超高真空的硅油基磁性液體、可封油用的憎油基磁性液體；改善磁路設計和密封件結構，力爭在封水、機油等液體介質方面取得突破。