磁流体的研究与应用

磁流体的研究与应用

1磁流体的分类磁流假说是由0.1.100m的磁强材料、分散剂和载体组成的胶体（图1是磁流元件的结构模型）。它有很多特殊的功能，是当前纳米技术之一。迄今为止对磁流体还没有理论上系统的分类方法,但从行业角度有以下4种分类方法:(1)按磁性粒子种类分类;如铁磁流体、钴磁流体、镍磁流体、稀有金属磁流体、合金磁流体和掺杂磁流体.(2)按载液分;有水基、烃基、煤油基、汞基、酯基、合金基和有机化合物基磁流体.(3)按应用领域分;有密封用磁流体、润滑用磁流体、医用磁流体、扬声器磁流体、印刷打印用磁流体、能量转换用磁流体等.(4)按性能指标分;有低黏度和高黏度磁流体、低挥发损失和高挥发损失磁流体、高饱和磁化强度和低饱和磁化强度磁流体、重磁流体和轻磁流体等.2磁流技术在工业中的应用2.1磁流密封技术磁流体密封技术是我国磁流体应用最为广泛和最早的技术2.2磁流磨损技术磁流体润滑2.3精密零件研磨加工磁流体研磨目前磁流体研磨已在航空、航天、车辆、电子、仪表等的精密零件的研磨中得到应用,最近还有用于光学透镜、弯管内孔等复杂形状的研磨加工的报道.其粗糙度最低可达到0.04μm,去除率可达将近0.3μm/min.2.4磁性流体系统利用磁流体进行传热是基于磁流体有很好的导热性,究其原因一是磁流体中的纳米颗粒能强化传热;二是磁流体的温度会影响流体的本构关系以及磁化强度;三是一些特殊的磁流体的载液在吸热时汽化而放热后凝固.下面介绍几种磁流体传热的应用扬声器磁流体指的是在扬声器音圈处注入磁流体,利用磁流体良好的导热功能和减振减磨功能,增大扬声器的功率、改善频率特性、减少材料消耗和延长使用寿命.磁性流体驱动发动机是在发动机中采用磁性流体,其设计思想是迅速地改变装在管子内的磁性流体的磁化强度而产生压力差,然后利用这种压力差作为发动机的动力.通常强的磁性流体在加热到超过其居里点的温度时,磁性即消失.磁性流体一经冷却就被磁铁吸住,则管内压力升高;再加热,磁场强度下降,管内压力也下降,此机就是这样往复工作.由干压力差的作用使磁性流体从低温部位流向高温部位,在这个过程中热能将变成机械能,而磁性液体充当了传递能量的媒介.如果该管形成一个回路,则磁性流体可以连续循环.这样,在居里点附近,以小的差值在较低于居里点的温度和较高于居里点的温度之间来回调节,该系统即可高效率地产生出能量.磁热泵是利用磁流体受外加磁场作用下的温度变化(吸热和放热),将热量从一处转移到另一处.其工作原理可分为几步:第1步,由于螺线管产生的外磁场在入口处有磁场梯度,在磁场梯度作用下磁流体吸入,为使其处于低温,磁流体放热.第2步,螺线管中磁场强度恒定,属等磁流动过程,磁流体在该过程被加热,于是温度升高而磁化强度下降,当达到居里温度时磁化强度为零,磁流体接近顺磁体,其流动全靠上游磁流体的驱动.第3步,流出螺线管时是个去磁过程,为了抵消磁致冷效应,还需加入热量.第4步,磁流体放热,温度降低至居里点以下,然后恢复磁性.循环以上4步,可以完成热量从一处向另一处的转移.利用类似的原理还可以设计磁流体太阳能热水器、磁致冷设备等.2.5磁流体阻尼器的特点磁流体阻尼器用以加大振动阻尼、减小共振、改善频率特性等,其原理是当外面的非磁性壳体旋转速度有变化时,引起内部的磁极(包括磁铁)和外部壳体的转动速度差,在外磁场的作用下,一定黏度和饱和磁化值的磁流体产生剪切力,这剪切力带动磁极转动,直到消除与外壳的转动速度差为止,从而减小转动速度变化时的输出速度的震荡.磁流体阻尼器的特点是无机械磨损、低频小幅、外加磁场的大小可以控制阻尼的大小等.目前已在步进电机、伺服电机中广泛使用.影响磁流体阻尼器特性的因素主要有转动惯量(I=ρπlD2.6在密封阀和磁流体表面的应用磁流体传感器是指利用磁流体的某个或某些特性设计的传感器,目前主要用于流量控制仪、倾角仪、比例放大仪、安全密封阀(图5)等.流量控制仪是利用磁流体在不同磁场强度下黏度不同的特性把电信号转变为磁流体压力差,推动滑阀产生位移,从而实现对流体流量的控制.倾角仪是利用磁流体自悬浮变化,探测浮在容器中的磁流体位移而达到测量的目的.比例放大器是利用外加磁场对磁流体的控制,使磁流体喷射流偏转而达到比例放大作用.2.7磁流微泵微机械电子系统(MEMS)的发展迫切需要微驱动元件,磁流体微泵2.8萃取金属或称磁法。据城市垃圾中磁磁流体磁力分选是一种特殊的磁选方法磁流体分选是一种重力分选和磁选原理联合作用的分选过程(图6).物料在似加重介质中按密度差异分离,与重力分选相似;在磁场中按物料磁性差异分离,与磁选相似,因此可以将磁性和非磁性物料分离,亦可以将非磁性物料按密度差异分离.磁流体分选法在固体废物的处理和利用中占有特殊的地位,它不仅可分选各种工业废液.而且可从城市垃圾中分选铝、铜、锌、铅等金属.(1)矿物分离;当外磁场增加时,磁性流体的比重随之增大,在达到磁性流体比重为两种金属物质比重的平均值时,一种金属下沉,另一种浮起,可以达到分离回收的目的(2)油水分离;由于以烃类作分散剂的磁性流体可与油而不与水混合,因此在磁性流体中加入油-水混合液时,其中油被磁化.大型油轮失事造成海面严重污染的事故屡有发生,利用此原理就可以回收漏在海面上的油及乳胶.方法为在油轮上设置几个盛相溶于石油的铁磁性流体的槽,槽与油槽用管子相联,管子与油槽相接的一端装有喷嘴,船壁装几个电磁铁,电磁铁可由船上发电机供电而使船体某部分磁化.一旦传感器发出油槽漏油信号,铁磁性流体便通过喷嘴喷入油槽井迅速与石油混合,从而使油体带有磁性.这样至少可以大大减缓石油外漏的速度,便于堵塞油槽裂口,防止或减缓失事油轮污染海洋.用类似的方法还可收集已经泄漏到海面上的石油和油污.2.9磁方法捕获致病性血压病20世纪70年代,国际上已经开始尝试磁流体在医学中的应用近年来的研究发现,用铁氧体制成的磁性流体作为造影剂,不但磁性能好,X射线吸收性好,而且在胃液中极少被溶解,它作为X射线造影剂倍受青睐.国内的研究集中在镁铁氧体和锰锌铁氧体上,尽管在X射线吸收、浓淡均匀、沉淀性等方面尚需改进,但它比硫酸钡粘着性好,能在胃中长时间滞留,且流动性不会变差,很容易发现胃前壁的小病灶,可以描绘出细微的病变,及时诊断胃溃疡和胃癌,与硫酸钡相比具有明显的优越性.英国已成功地使用磁性流体来查找生物群落的最小单位,如烟草哮喘病毒和烟草镶嵌病毒,还成功地用高梯度磁分离法(GMS)从全血中俘获到红血球.其原理是在脱氧状态时,红血球中所含的血红蛋白具有顺磁性,俘获的红血球和处理过的白血球及血小板似乎能不受损伤地分离.目前,利用磁性流体已捕获了含疟疾寄生菌的红血球.2.10光催化氧化法近年来人们对磁性流体的声、光和微波的特性很感兴趣.在外磁场中,磁性流体中的磁性微粒沿着磁场方向形成颗粒链,从而形成各向异性的液体介质.当声波、光波和微波在各向异性介质中传播时,会产生一系列的各向异性效应,如磁致超声波传播与衰减的各向异性、光波与微波的法拉第效应、双折射效应与二色性.根据各向异性效应,人们可以用磁性流体材料开发出新型器件,如光开关、磁场敏感器、磁控超声波器、微波调制器、衰减器和起偏器等.磁性流体材料应用的另一个新方向是磁性流体与纳米量级的非磁性颗粒组成复合体.这种复合体的特性既不同于原来的磁性流体,也不同于非磁性颗粒单独存在的情况,它显示出负磁矩,这为新颖的应用构思提供了基础.2.11在普通纸上的应用美国IBM公司最先将磁性流体用于印刷行业,这对印刷业的革新具有重要的意义.它首先用压电晶体或磁性方法将磁性墨水变成小液滴,然后通过计算机控制产生使流体偏转的磁场,这样就可以使磁性墨水按一定的形状排列,从而实现无声快速的印刷.用磁性流体制成高质量的磁性墨水,也可用于无铅字高速喷射印刷.美国的一些银行已经使用了用磁性墨水印刷的支票,以便于计算机识别,从而保证安全.日本松下电器公司还研制了一种使用磁性流体墨水的无喷管式喷射印刷装置.另外,用磁性流体制成的磁性墨水书写的记录,不但肉眼可以阅读,也可用仪器阅读.国外还将研制一种看不见字迹的记录本,用磁性流体在普通纸上做不接触的记录,这为情报资料的保管开辟了新的天地.此外,用磁性流体做成的圆珠笔书写流畅.2.12在国防和社会上的应用除以上列举的应用之外,磁性流体在宇航中能把热能变成机械能用于能量转换;在工业上可用于磁性染色、磁液陀螺、磁性燃料、涡轮叶片的检验等;在国防上可用于仿生消声器、磁性显示器、液体声波接收器、水中吸音体、可变分级复联装置、喷水推进器等;在化学反应中磁性流体可作为载体携带催化剂;在人体科学中可用于进行肿瘤细胞、T淋巴细胞和骨髓内部的靶细胞的分离等3磁流体的应用前景从最近的几届磁流体国际会议学术交流情况看,研究主要集中在磁流体的制作和保存、磁流体的物理化学性能、磁流体的流体力学和动力学、热力学以及热力学性能、磁光效应、流变学、浑沌和奇异现象、磁流体实验技术等,而磁流体应用方面的研究相对较少.目前较为成熟的应用是磁流体研磨、磁流体闸、阻尼器、比重计、音响装置及一些传感器等,但对于压力>0.5MPa、速度>35m/s、温度>80℃时的磁流体密封,磁流体制冷装置、印刷与制版、磁光计算机等很少研究与应用,只是在如日本、美国等磁流体发展较早的国家有初步的研究和开发.最近的一些资料显示,目前磁流体的发展有两个方向,一是磁流体的基础研究,主要有磁流体各组成成份对磁流体性能的影响,各种现象与性能的微观机理的研究;二是磁流体的应用研究,主要有研磨、润滑、密封、热传导、振动、控制、医疗、传感器、印刷、光学仪器、光计算机等.我国的磁流体研究和应用则可以在以下几个方面进行努力.(1)根据不同应用领域对磁流体的要求,进一步开发不同性能的磁流体;可以采取拓宽磁性微粒材料、分散剂和载液或复合载液的选择面、优化制作工艺等方法.(2)研制磁流体应用产品和推