纳米磁性流体在工业中的应用

纳米磁性流体在工业中的应用

20世纪60年代出现了这种温和的材料。它不同于固体材料，具有独特的渗透性，在工业领域得到广泛应用，促进了科学发展。1992年,诺贝尔物理学奖获得者DeGennes受奖时的讲演题目是“SoftMatter”(软物质);1994年,英国工程物理学会将“Softsolid”(软固体)列为研究专题1在其他方面的应用及发展磁性流体是一种新型的磁性材料,自20世纪60年代美国首先在实验室研制成功以来,50年来发展迅速。由于磁性流体具有独特而奇妙的特性,不仅被广泛应用于密封、润滑、研磨、传感元件、扬声器、油墨、减振器、浮选、抛光和阻尼器等机械开发方面,同时,它在热学、光学、声学、医学上也有广阔的应用前景,现已将其推广到航空、航天、机械、电子、遥测、能源、化工、冶金、仪表、环保、医疗、卫生等诸多领域2在其他方面的应用纳米磁性流体密封经过50多年的发展,已经达到较高的技术水平,并以其独特的密封性能被广泛应用于工业生产中,实现了气体密封的零泄漏、零磨损和长寿命。目前,大功率气体激光器中鼓风机的旋转轴密封、大型超导发电机冷却系统的密封等都可以采用磁性流体密封。另外,使用磁性流体非接触式机械密封技术生产的真空密封传动装置、真空密封轴承和旋转密封管阀接头产品,也已被应用于电子、机械及自动化设备,真空机电设备,包装设备,电子真空加工设备,比如真空点胶机、真空镀膜设备、半导体真空焙烧装置以及在硅生长、目标位置电子指示器、溅射、等离子蚀剂、化学气相淀积、离子移置技术、液晶再生过程;高强度压力设备,比如气泵、压缩机、风动机、压力机等零部件的动态密封,其在包括轴的旋转密封和直线密封等领域已经得到了广泛应用。此外,磁性流体密封还可用于封尘、封烟雾等,是防止污染物通过的有效屏障。例如计算机磁盘存贮器的密封可以防止研磨下的磨屑、油蒸气和灰尘进入磁头与磁盘之间的缝隙,从而保护磁盘和磁头,使其正常工作;X射线管和X射线机的旋转靶密封;单晶炉真空旋转轴的密封;在半导体工业中各种薄膜沉积、光刻、腐蚀等装置和半导体生产的清洁机器人连接处的密封;在纺织和机械加工中的隔绝密封;气体激光器、真空加热炉、电厂贮能大飞轮、超导电机的密封;船舶的螺旋推进器的密封;飞行时间质谱仪的密封;宇宙飞船上望远镜的轴端部的密封等。磁性流体除了用于旋转轴密封外,还可以制成面密封、直线运动密封以及各种特殊的磁性流体机械构件从磁性流体在密封方面的应用研究来看,磁性流体密封具有传统密封无法比拟的优越性,它改变了人们的思想观念,在密封中显示出了独特的优势,解决了无泄漏、无磨损和高速密封的问题。虽然它在密封气体方面的应用比较成熟,但是,还存在比较多的问题,比如不能长时间稳定地密封液体。纳米磁性流体要想在密封领域向大的压差方向发展,还需要进一步深入研究磁性流体在密封中的作用机理,研究流体力学和动力学在振动、偏心、离心力和磁力中造成的影响以及在不同磁场中磁性流体极齿齿形和气氛(比如气体、流体或尘埃)等条件下的优化设计;推广磁性流体密封在各种设备中的使用,用组合密封、压力平衡和某些特殊处理拓宽磁性流体的应用范围(比如线速度超过35m/s、温度超过80℃、压力超过2~10MPa),提高磁性流体密封各项性能指标,加强研究机构与生产企业的合作,将各种不同种类和性能的磁性流体密封用于实际工作中3在润滑方面的应用及发展磁性流体是一种富有生命力的新型润滑剂。在磁场的作用下,磁性流体具有良好的流变学性能和摩擦性能,在外磁场作用下可使润滑油摩擦系数下降,而且由于磁性流体中的磁性颗粒很小,比一般金属表面的磨蚀坑还小,再加上磁性颗粒受到有机分子的包复,磁性流体对物体的磨损极小。由此可以看出,磁性流体作为润滑剂与其他润滑剂的主要差别在于,磁性润滑剂拥有利用外磁场在需要润滑的部位保持润滑剂的能力,并有着耐磨、摩擦力小的特点。其次,由于磁性流体中有固体颗粒存在,在润滑过程中可以抵御万有引力、加速度和向心力等。因此,磁性流体具有良好的摩擦学性能,在机械传动中是不可多得的一种特殊润滑材料,而且它在高温、低温和特殊要求的工作场合有其独特的作用近年来,在滚动轴承、滑动轴承、巨型压缩机、高速磨床、高速纱锭机、天文观察装置等机械设备上,将磁流体作为润滑剂,对各种相互接触的滚动、滑动表面进行润滑,均有成功应用的实例。从磁性流体在润滑方面的应用研究来看,除了对磁流体的润滑理论做了大量研究以外,还设计了一系列磁流体润滑机构,比如磁流体润滑人工关节、充满磁流体的滑动轴承、磁流体传感器、使用无主动控制部件的磁性轴承飞轮装置。经过大量的测试,分析、比较相关结果,发现磁流体滑动轴承能形成良好的全油膜润滑4在阻尼中的应用磁性流体是具有磁性的流体,它本身具有黏滞性,而且其黏度又随外加磁场的变化而变化,因此,可以利用黏度较大的磁性流体实现液体的阻尼,制成各种阻尼器。与一般流体能起到的减振作用相比,以此制成的阻尼器具有低频小幅以及通过电流改变磁场达到控制黏度而实现阻尼减振的作用。也是因为有此特性,其被广泛用于仪表、计算机及外部设备、高精度搬运系统、医疗机器、机器人、打印机、绘图仪、计量表、振动隔离器的负载盘等工业中,用磁性流体阻尼装置来消除系统振荡。从阻尼的机理来看,磁性流体产生的阻尼是利用磁性流体内部的黏性剪切作用将多余的机械能转化为热能散失掉的原理,这与普通液体是相同的,不同之处是磁性流体流过环状逢时因有可调磁场的作用使其黏度可变,而普通液体却不能。在一定范围内,由外加磁场快速无级调节、阻尼呈非线性状态且变化是瞬时可逆的。将磁性流体作为旋转与线性阻尼器,以阻尼不需要的系统振荡模式。与一般的阻尼介质相比,将磁性流体应用于阻尼方面,优点是可借助外磁场定位。例如,在步进马达中使用磁性流体阻尼来消除系统的振荡和共振,使马达精确定位。另外,在防振台中使用磁性流体阻尼,可以消除外界振动噪声的干扰,以确保精密仪器(天平、光学设备等)能够正常工作5在传感器方面的应用及发展磁性流体兼具流动性与磁性的特性,非常适合作为一种灵敏的感应元件使用,它在解决各种复杂、特殊、条件恶劣环境下的检测问题,有其他传感器所代替不了的作用。在实际工作中,可以将磁性流体作为感应核心,通过磁性流体的磁性来感应由被测量带来的感生电动势差的变化,从而检测出被测量,比如磁性流体水平传感器、磁性流体倾角传感器和加速度、压差、体积、流量、磁场等的测量用传感器。从磁性流体在传感器方面的应用研究来看,目前,在很多场合,磁性流体在传感器中的应用是作为辅助部分,而不是作为主要部分,未能充分发挥磁流体的独特性,而国内外的研究主要停留在应用研究上,理论研究很少,在磁性流体传感器的实验设计方案、验证手段等方面的研究也不够系统和完善,与工程实际应用有较大的差距。因此,在实际工作中,还需从以下方面入手作进一步的深入研究:(1)新型磁性流体传感器的传感机理、建模和仿真优化技术研究,将是未来磁性流体传感器研究的一个重要方向。(2)充分发挥磁流体的流动性和磁性,在外磁场作用下可以改变其黏度等特点。基于磁场作用下的磁流体传感器智能性也将是重要研究内容之一。(3)发现与利用新效应、新材料是传感器技术发展的重要基础,微型化、集成化、智能化和数字化是传感器发展的新趋势,磁流体传感器的研究也将要顺应这个趋势而迅速发展6光学元件的表面粗糙度在生产实践过程中,研磨是一种常用的精加工工艺,而且研磨方法也在不断进步和更新,有超声波抛光、磨料流喷射加工、电解研磨、化学抛光、磁性磨料研磨、液体磨料研磨等表面光整加工技术。最常用、应用最多的是机械研磨,其特点是尺寸精度、形状精度高,表面粗糙度(Ra0.01m)好。但是,在此要求操作者要有很高的技术水平,要有丰富的操作经验,因为加工效率低、劳动强度大、加工质量不易被控制、表面残余应力大、表面残留,都会影响所加工物品的表面质量。挤压研磨是用一种含有磨料的黏弹性介质,在一定压力下,以极低的速度通过被加工型腔,利用磨料颗粒的刮削作用进行研磨,表面粗糙度可达Ra0.025m。对磁性流体来说,当没有外磁场作用时,磁性流体的彻体力与普通流体一样,都是重力。此时,它的浮力仅是重力作用,而当有外磁场作用时,磁性流体除了会受到重力场产生的重力作用外,还会受到外磁场产生的磁力作用。由于磁性流体中的磁性颗粒非常小,可视为大分子,用分子电流的观点来讨论它们的磁化时,每个固相颗粒就可以用一个分子电流环来代替,所以,电流环在外磁场中受到的磁力就构成了磁性流体的磁彻体力。一旦外磁场具有所需要的强度和梯度时,它对磁性流体的作用与重力场相比,可以在数值上大很多倍。此时,磁性流体中的非磁性物质(为了研磨而渗入的金刚石或碳化物)也产生比在重力场中大许多倍的浮力,这时,可利用和控制这种浮力使这些非磁性硬粒子在高速下微切削工件表面而达到研磨的目的。所以,磁性流体研磨是一种利用磁性流体本身所具有的流动性和外加磁性来保证磨粒与工件被子加工表面间的相对运动和压力,在外磁场作用下使磁性流体中的磁性颗粒形成磁彻体力反推磁性流体中的非磁性物质(硬磨粒和浮板),使其形成微切削外载荷而对工件实施研磨加工。磁性流体抛光是利用磁性流体的浮力将微米级的磨料悬浮于液体表面,与待抛光的工件紧密接触。不论工件的表面形状多么特殊,均可用此技术精密抛光。另外,磁性流体抛光还可以用来研磨高级Si3N4陶瓷球,效率比传统方法高40倍。在磁性流体抛光过程中,较大粒度的磁性流体抛光液有利于工件表面粗糙度快速降低,较小粒度的磁流体抛光液可以获得更加光滑的光学表面,而最终加工出光学元件表面粗糙度可达到0.76nm(rms),其高频表面粗糙度达到0.471nm(rms值),已满足对一定短波段光学研究的要求。但是,在磁场强度和磁性流体抛光液中,磁性微粒的粒度匹配问题,以及在磁性流体抛光液中加入的非磁性抛光粉(比如氧化铈、氧化铝、金刚石微粉等)的化学性质、尺寸、易碎性等特性还需进一步深入研究,以获得较为完美的光学元件超光滑抛光效果。7在不均匀磁场中的应用磁性流体作为一种新型的矿物分选介质,其密度可通过磁场无级调整,直至其高于原介质的数倍,而流动性、黏滞性却不发生变化。利用磁性流体的表观比例随外磁场的变化而改变的特点,可以用来筛选比例不同的非磁性矿物。磁性流体静力分选技术在国际上的发展极为迅速,前景也十分诱人。这种在不均匀磁场中以铁磁性胶粒悬浮物溶液为分选介质,根据矿物之间的密度差别和比磁化系数以及导磁率的差异而使不同矿物分离的选矿方法,由于其密度可随意提高,而动力黏度却比较小,分选精度又高,可用于稀有贵金属、黑色金属、煤、非金属等矿石的分选,在岩矿鉴定中还可代替有毒重液进行快速分析。比例差别在10%左右的矿物可用此技术较好地分离,一般采用水基磁性流体,可重复使用。针对磁性流体的分选物质原理,俄罗斯的研究人员将磁性流体用于砂金的分选,使黄金的采收率达到98%以上,而且处理时间减少了1/3;日本的日立公司(Hitachi)也成功地采用磁性流体进行宝石的萃取,萃取速度高达1000t/h。从使用的性能特点来看,用磁性流体进行矿物分选,能大大降低电能的消耗,并且水基磁性流体造价比较低,易于回收,对生态无害,在提倡节省能源保护环境的今天,磁性流体矿物分选技术是一很有应用前途的矿物分选技术。8用于特殊领域及领域的磁流变治疗技术医用磁性流体是根据其密度分选的磁性与流动性相结合的一项高新技术,1966年,它由工业应用引入医学领域基础实验研究,研究发现,磁性流体能逃逸网状内皮细胞系统的靶前廓清,表现出它具有优势的导向特点。因此,磁性流体逐渐成为瞩目的、在生物体方面最有应用前途的导向研究材料之一。目前,该材料作为磁性药载体和高纯体、高纯度快速细胞分离技术实验的研究对象,因它是低毒性物质,有望用于高容量的抗癌药固相磁载体,介入放射辅助的磁导向栓治疗技术等。比如以磁性流体为母液来配制药物,可将其作为药物载体,用磁场将药物运送到目标位置,可为癌症交热处理提供一种新方法磁性流体在生物磁学上不断获得新的应用,用磁性流体技术处理血液、骨髓、血栓和分离细胞,利用磁性流体分流技术可以实现生物物料提纯,鉴别微量有机物细胞或基因物质,诊断和处理人的血液和骨髓疾病,比如磁性流体能用于肠中的定向运动、处理血栓、分离细胞及处理血液和骨髓;用于手术止血,人造关节等医学领域。举例来说,人得了胃溃疡,服药后药便“散布”到整个机体内,当用无害的磁性流体作为药剂的母液时,只需把磁铁放到人体上,便可把药物引到必需的部位。为了达到这一目的,可以很方便地制做磁性自硬膏。另外,采用高梯度磁分离技术从血液中成功分离出红血球,使微细弥散的磁性颗粒悬浮液与细菌细胞相黏接,获得比一般方法高得多的细菌鉴别灵敏度9设置油槽磁线由于以烃类作分散剂的磁性流体可与油而不与水混合,在磁性流体中加入油水混合液时,油被磁性流体吸附并停留在磁场区,因此,可利用磁性流体进行油水分离。大型油轮失事造成海面严重污染的事故时有发生,利用此原理可以回收泄漏在海面上的油和乳胶,这对国民经济和环境治理有很大的应用价值。例如,前苏联乌恰耶夫设计了一种油被磁性流体吸附并停留在磁场区的方法,它是在油轮上设置几个盛装亲油磁性流体的槽,槽与油槽用管子相联,管子与油槽相接的一端装有喷嘴,船壁装有几个电磁铁,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,铁磁信号便通过喷嘴喷入油槽并迅速与石油混合,从而使油体带有磁性。与此同时,电磁铁通电,把油槽里的“混合油”和油槽金属壁“束缚”在电磁铁所产生的强磁场之中。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,