磁性材料 第五章.ppt

第五章 磁性液体 * 定义： 磁性液体，又称磁流体、铁磁性流体、磁性胶体。 它是由纳米级 (10nm) 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。 5.1 磁性液体的基本概念 * 发展史： * 最早的磁性液体 ( 磁性胶体 ) 是 Bredig 于 1898 年通过电化学 反应方法制备。 Ostwald 等人也制取了具有一定磁性能的胶体，但获得的磁 性胶体极不稳定，很难获得应用。 * 特点 ： 超顺磁性、 液体的流动性 *1965 年，为解决宇航服头盔转动密封问题， Pappel 将磁铁 矿粉、界面活性剂 ( 油酸 ) 和润滑油混合在一起，在球磨机 中球磨，再利用离心方法去掉大颗粒而研制成功。 *1977 年第一届国际磁性液体会议召开。 * 磁性液体的组成： 三个要素：基液或载液、纳米级磁性固体颗粒、界面活性剂 ( 表面活性剂或分散剂 ) 。 * 按磁性颗粒的种类进行分类： 1 、 60 年代初，第一代铁氧体磁性液体问世，解决了有无问 题； 2 、 80 年代第二代金属磁性液体出现，提高了磁性能； 3 、 90 年代日本研制出第三代氮化铁磁性液体，既具有良好 的抗腐蚀性能又具有较高的磁性能。 5.2 磁性液体的分类 5.3 磁性液体的基本特性 一、物理特性 1 、磁化特性：超顺磁性 2 、热效应：温度梯度磁场 ? M S 梯度 ? 压力梯度 ? 磁液流动 3 、声学特性：超声波在磁液中的传播速度及衰减量与外加 磁场强度有关，且在外场作用下方向发生变化，超声波在磁 液中的传播显示各向异性。 4 、光学特性：磁液在磁场中的表现像一个单晶体，在光的 作用下产生双折射。 5 、粘度特性：主要取决于基液粘度，也与磁性颗粒的含量 及外场有关。无外场时，且磁液浓度较低时，磁液呈牛顿流 体特性；当施加静态的强场时，磁液的粘度增加，呈现非牛 顿流体特性。另外温度升高，其粘度将会减小。 6 、磁液的密度：在载液和表面活性剂固定的情况下，磁液 的密度主要取决于纳米级磁性颗粒的含量。 7 、界面现象：在垂直于磁液界面的方向施加磁场，静磁能 有使界面扩张的作用，使表面张力减小。若外场较大，扩张 作用大于表面张力，磁液表面出现无数的“针形磁花”。 “针形磁花”的方向与磁力线的方向相同。 二、化学特性 1 、稳定性：在强磁场和重力长时间作用下不分层，磁性颗 粒不析出、不团聚。 2 、抗氧化特性：主要指磁性颗粒的抗氧化性，对于金属磁 液更为重要。 3 、界面活性剂与母液及磁性颗粒的化学匹配特性： 界面活性剂的亲液基必须与基液的分子机构或理化特性相 近似，才能和基液互溶。界面活性剂的憎液基与磁性颗粒 结合，形成稳定的胶体体系。 4 、蒸发特性：为获得长寿命的磁液，要选择蒸发率低、蒸 气压小的基液和表面活性剂。 三、流体力学特性 * 修正的伯努利方程 5.4 磁性液体的稳定性 一、粒子间的磁力吸引 * 磁性微粒之所以能在基液中稳定地悬浮，是因为磁性粒子 很小，分子的热运动足以克服粒子间相互聚集的磁性引力。 * 两个磁性粒子间的磁力吸引位能： *r 为粒子半径， R 为粒子间的中心距离， h=(R-2r)/r 为粒子 表面距离与粒子半径之比。 * 为达到分散稳定效果，需满足： * 由上式求出稳定的磁性粒子的粒径上限。表面活性剂使得 磁粉粒径的允许值扩大了。 二、范德瓦耳斯引力 * 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 距 离 加 大，便迅速地减弱。 范德瓦耳斯引力能为： 6 1 R E ? * R 为粒子间的中心距离。 * 当颗粒紧密接触时，对很小的颗粒，范氏力无法用热运动 来克服，易造成颗粒团聚。同样表面活性剂的加入会削弱 范氏力。 三、重力场及梯度磁场的影响 * 在重力场中微粒的空间分布将处于重力与扩散力动态平衡 之中。在重力场中胶体溶液中粒子浓度梯度为： *n 为 高 度 Z 处单位体积内的胶 粒 数 ， d 为胶粒直径， ? 为 胶 粒密度， ? c 为基液密度。 * 在梯度磁场中时有： * 若此时磁性流体中有非磁性体存在，就会受到指向低磁场 方向的浮力。 *V 为非磁性体体积， ? 为非磁性体密度， ? H 为磁场梯度， ? ? 为磁流体的密度， 为磁流体的平均磁化强度。 M 四、磁性流体粘度与外磁场的相互作用 * 实验证明，有外场时磁流体的粘度增加，且液体流动方向 与外场平行时的粘度比垂直时大。 原因：无磁