磁性液体制造工艺探究论文

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摘要：简单介绍了磁性液体的种类、性质、制作工艺及在当前的主要应用。

关键词：磁性液体；应用；制造；超声波

CharacterandApplicationsofMagnetsLiquids

Abstract：Inthispaper，theapplicationsandcharacteristicofmagnetsliquidisalsogiven．

Keywords：magnetsliquids；applications；manufacture；ultrasonicwave

1引言

磁性液体最初是1965年美国宇航局为了解决太空服头盔转动密封的技术难题而率先研制成功的。宇航员进入太空所穿宇航服的一个关键部位--颈部，必须用液体磁性材料制作。颈部是宇航帽与宇航服连接之处，既要让宇航员的头部能够自由转动，又要密封度高。如果密封不够，宇航服里的氧气泄漏，宇航员生命受到威胁。这个连接部位，若用固体物质显然太硬，而一般液体物质密度不够，惟有液体的纳米磁性材料符合要求。

所谓磁性液体（MagneticLiquids），并非是指液态的磁性材料（物质处于液态的温度都高于其居里温度，所以目前还没有液态的磁性材料），而是把用表面活性剂处理过的纳米级超细磁性微粒高度分散于基液中形成的一种均匀胶体溶液。该溶液在重力和磁场作用下也不会出现凝聚和沉淀现象，具有固体的磁性和液体的流动性，因此具有许多独特的性质，在电子、仪表、机械、化工、环境、医疗等行业领域都具有独特而广泛的应用。根据用途不同，可以选用不同基液的产品。

2磁性液体的分类

磁性液体按材料、超微粒的制作、分散方法等不同，分为以下几类：

（1）铁氧体型磁性液体主要以金属氧化物作为磁性微粒，以水、碳氢化合物、矿物油、精制油、二酯基液、透平油氟醚油等为基液。

（2）金属型磁性液体以金属或合金作为微粒，按基液的不同分为非导体型和导体型。非导体型金属磁液一般以甲苯或煤油为基液，导体型则以非磁性金属膜（或合金膜）去覆盖磁性金属微粒。

（3）复合型磁性液体他是以普通磁性液体和非磁性微粒复合形成的一种新型磁性液体。

3磁性液体的性质

由于磁性液体同时具有磁性和流动性，因此具有许多独特的磁学、流体力学、光学和声学特性。

磁性液体表现为超顺磁性，本征矫顽力为0，没有剩磁；在外磁场下，磁性液体被磁化，满足修正的伯努利方程。与常规伯努利方程相比，添加了一项磁性能，使磁性液体具有其他流体所没有的、与磁性相关联的新性质：例如磁性液体的表观密度随外磁场强度的增加而增大。

当光通过稀释的磁性液体时，会产生光的双折射效应与双向色性现象。当磁性液体被磁化时，使相对于磁场方向具有光的各向异性，偏振光的电矢量平行于外磁场方向比垂直于外磁场方向吸收更多，具有更高的折射率。磁场有关，呈各向异性；磁性液体在交变场中具有磁导率频散、磁粘滞性等现象。

4磁性液体的制作方法

（1）获得磁性液体的基本条件

①颗粒尺寸应小于某一临界尺寸，该临界尺寸在10nm以下。

②颗粒在溶剂中应达到一定的表面活性化要求，从而即使在范德瓦尔斯等各种能量的作用下，也不发生凝聚。

（2）磁性液体的制作工艺

以磁性氧化物超微粒子的制作工艺为例

磁性氧化物化学稳定，容易制成粉末，用途广泛。磁性液体用氧化物的粒径绝大多数应分布在10nm以下。一般是以磁铁矿等铁氧体氧化物为主体，由金属盐类水溶液通过共沉淀法制成纳米级超微粒。以磁铁矿（Fe2O3·2Fe3O4）为例，就是在Fe2＋和Fe3＋的浓度比为1∶2的铁盐溶液中加入碱溶液，例如NaOH溶液，使其析出Fe2O3·2Fe3O4。在反应过程中，通过调整溶液温度、铁盐浓度、碱的中和过剩量、反应时间等，可以对颗粒尺寸进行控制。

此外，下述方法也可获得氧化物超微颗粒：

①将固相反应得到的铁氧体在含有表面活性剂的油中进行长时间的球磨。

②使铁氧体构成金属的醇盐，并把他溶于乙醇等溶剂中，加水分解获得。

③利用等离子体、弧光等使金属蒸发，在含有适量氧的稀薄气体中凝聚获得

5磁性液体的应用

（1）磁性液体原被称为“磁流体”，也有称为“磁液”的。磁性液体应用最广泛的是磁性密封技术，尤其在要求真空、防尘、或封气体等特殊环境中的动态密封最为适用。在高保真扬声器、电机阻尼、磁性传感器等方面磁性液体均具有独特的应用。

磁性液体密封原理磁性液体旋转轴动密封是一种非接触式密封（即动件和静件没有直接接触），其工作原理是：由环状永磁体，导磁极靴和导磁转轴构成闭合磁路，利用永磁体中的磁能，在转轴与极靴极齿顶端的齿形间隙中产生强弱相间的非均匀磁场，将磁性液体紧紧吸住，形成磁性液体“O”型密封环，把间隙堵死，从而达到密封的目的。如图1和图2所示。

主要特点：

①无磨损，因为磁性液体具有液体的性质，并且由于基液具有润滑性，所以还可起润滑作用。

②密封度好，用于真空时可以达10～5Pa。

③无泄漏。

（2）磁性液体真空密封连接器是一种能够在2个相对封闭的空间内提供相互的可靠旋转连接的装置。全系列的设计使其在多种场合得到广泛应用，例如单晶硅炉、各类镀膜设备、气相沉积、液晶再生、半导体刻蚀系统等超高真空系统和设备。如图3所示。磁性液体真空密封连接器组件根据各类常用真空设备使用的真空旋转轴连接器技术参数设计制造，可直接替代相应的真空密封连接器使用，基本不需对原设备进行改造。

（3）磁性微粉是各类磁性器件的主要原料，现代通讯，信息等的发展使诸如电感等磁性器件向超微化方向发展，因而对磁性微粉这类材料的需求更为严格。

Fe3O4是目前使用极广泛的磁性材料，如图4所示，近年的研究对其在磁性纪录等方面应用取得了不少突破，其纳米化产品效能如吸波效应、催化作用等，人们也正在进行大量的试验，应用前景十分广阔。

主要技术指标：

平均粒径：10～30nm晶型：γ形

（4）磁性液体阻尼器，磁性液体的表观性质在磁场作用下会发生较大的改变，例如密度、粘滞性等，因为磁场的作用，磁性液体可以定位在一定区域内，磁性液体这些和磁性有关的独特性质，可以利用磁性液体制作高性能的阻尼器件。他是由一个非磁性的惯性块、一个安装了磁性体的轮圈以及一定量的磁性液体组成。其基本原理就是在轮圈与非磁性惯性块的间隙中注入磁性液体，利用磁性体的强力磁场作用，使磁性液体在非磁性惯性块和磁性体之间形成一层磁性液体层，从而使该非磁性惯性块悬浮在磁性液体层上。这样就使磁性液体既具有了液体滑动轴承的功效，又由于磁场的作用而无泄漏之忧。同时磁性液体的粘性作用又产生了最佳的阻尼效果。在实际应用时将轮圈与步进电机的转轴固定，当电机加速或减速时，由于非磁性惯性块的惯性作用使其稳定时间大幅度地缩短，同样也可抑制电机在其共振频域的振幅。当电机匀速转动时，由于轮圈和非磁性块是同时回转的，因此几乎没有能量损失。

（5）磁性液体轴承电机，现代硬盘技术的飞速发展，硬盘转速的提高对电机性能提出了更高的要求，目前，希捷等专业硬盘厂商已经在其主流产品使用了磁性液体轴承电机来满足硬盘驱动器高转速、高稳定、低噪音的要求。

磁性液体轴承是利用被磁场固定在电机转轴部位的磁性液体，旋转时形成的液体膜使电机转轴悬浮并自动定中，电机运转时，电机轴与电机其他部件没有直接接触，这样电机工作时的磨损小、噪音低，如使用了SoftSonicTMFDB（流体轴承）的SeagateBarracuda（r）ATAIV，其声强仅为20dB，并且还是现在市场主流硬盘内部数据传输率最高的产品。

磁性液体轴承电机可以应用在多种需要高速稳定运转的场合，例如激光打印机，转速可以达到10000～30000rpm，噪音仅35dB左右。

6结语

此外，磁性液体还广泛应用于电声器件、选矿、工业废液处理、热交换、磁回路传热器、生物磁等方面，随着对磁性液体理化性质的深入认识，以及对超微磁性粒子、稳定剂和载液的深入研究，稳定性更好、性能更高的实用化磁流体将不断出现，并将在更多领域发挥重要作用。

参考文献

［1］周文运．永磁铁氧体和磁性液体设计工艺［M］．成都：电子科技大学出版社，1991．

［2］梁志华，裴宁，邓朝阳．磁流体密封技术应用的现状与展望［J］．润滑与密封，2000，（1）．

［3］田民波．磁性材料［M］．北京：清华大学出版社，2001．

［4］齐春风．磁性液体［J］．材料导报，1998，（12）．