磁性液体外施磁场下弱絮凝流现象的研究

磁性液体外施磁场下弱絮凝流现象的研究

磁体是近十年来发展起来的一种新型机材料。当磁场的强度和方向发生变化时，其粘度会相应变化。如图1所示，由于磁体外部磁体的增大，磁体的表观粘度随着外磁场的增大而增加。此外，磁体表面的外部磁体弯曲方向大于外部磁体的垂直方向。这一特性赋予它十分广泛的应用前景,引起人们极大的关注,在振动,制动,驱动,阻尼等领域得以应用。这一特性也使磁性液体的转动轴密封的液体内摩擦功耗增加,使对温度苛刻的磁性液体和永久磁体失效,导致密封破坏。在没有外加磁场作用时,磁性流体的粘度比基载液的粘度大,且无方向性。考虑微粒表面吸附有界面活性剂、无外磁场时,磁性流体的粘度可由η=η0[1+2.5(1+δ/R)φ−1.55(1+δ/R)6φ2]来表示。式中,δ为是表面活性剂的厚度,R为磁性微粒的半径。在外加磁场作用下,磁性流体的粘度会随外磁场的变化而发生变化,而且呈方向性。这是磁性流体的特性,这时要建立相关方程就很困难,必须搞清磁性液体的粘度随外施磁场呈各向异性的机理,从而建立真实的本构模型。Z.P.Shulman把磁性液体简化为椭球状准刚性聚集体来描述磁性液体的内摩擦随外施磁场呈各向异性的机理,但磁性颗粒聚集会使磁性颗粒的布朗热运动动能小于重力场中的势能而沉淀失稳,这与磁性液体在外施磁场下保持均匀,稳定的事实不符。罗森威格(Rosensweig)假设磁性流体的基载液具有涡流运动,在基载液中的磁性微粒以ω的速度转动。当在垂直涡旋矢量方向外加一个磁场H时,磁性微粒受到力矩u0m×H的作用,趋向外磁场方向,这样就对微粒转动产生了阻力,使磁性流体的表观粘度增加。这对非饱和磁性液体不适合。磁性液体是纳米磁性材料的一种重要应用,是利用表面活性剂将10nm左右的磁粉均匀分散于基液中制成的胶体,磁性液体属高分子稳定胶体系统。所以有必要从胶体学科等多方面对磁性液体在外施磁场中的行为进行深入的研究,探究磁性液体的粘度随外施磁场大小和方向变化的机理。1sem模型的建立从MarkandJolly(1992)拍摄的磁性液体的SEM相片中可清楚地看到图2(a)中没有外加磁场时磁性液体中的微粒在基液中随机分布。图2(b)中在外加磁场作用下磁液中的微粒在沿磁场方向排成球链状的情形,而且磁球链排列的方向和磁场一致,磁球链互相之间形成一定的距离,这与磁粉在外磁磁场下成球链状排列形状相仿,不同的是磁性液体中的磁性微粒间不是聚结一起,而是相对分开,处于一种弱的絮凝状态,弱絮凝不同于絮凝,弱絮凝不会使胶体系统失稳。建立磁性液体的SEM相片的模型如图3(a)所示,磁性液体中磁性微粒体积小到10nm左右,微粒已呈单磁畴状态,整个微粒沿一个易磁化方向自发磁化到饱和状态。而且其磁各向异性能与布朗转热振动能相当,磁矩就再也不能固定地沿着易磁化方向排列,它的方向会由于热振动而自由改变,在无外加磁场时磁性微粒在基液中作无规律的布朗热运动,磁矩任意取向,杂乱无章,合成磁矩为零,因而对外界不显示出磁效应。如图3(b)所示,当磁性液体置于磁场中时,磁矩排列较整齐,微粒中的各磁矩的矢量和不为零,并对外显示磁性,随着外加磁场的增加,开始时,磁化强度随外磁场成正比地增加,然后增加逐渐变缓,最后达到饱和状态。这是因为随着外加磁场的增加,按外磁场方向排列的微粒数随外磁场成正比地增加,全部微粒都按外磁场方向排列后即为饱和磁化状态。外加磁场消失后,磁性立刻消失,几乎没有磁滞现象。这是因为磁各向异性能与布朗转热振动能相当,磁矩均向外磁场方向排列即遭破坏。由此假设磁性液体在外施磁场作用下会产生方向性的弱絮凝,合乎产生粘度各向异性的机理。2表面活性剂的磁特性磁性液体中的磁性微粒之间主要存在静磁吸引力、范德华引力,磁性微粒所吸附的表面活性剂分子产生的排斥力等。图4所示是经典的磁耦极子相互作用模型,设二个相隔距离为rc,表面活性剂的厚度δ,体积为V1、V2的磁耦极矩为jm的单畴球形微粒因静磁相互作用而产生吸引力,连接两个平行自旋磁矩的jm方向与自旋的夹角为ф。则其相互作用能Es为:Es=−[3jm2/(4πμ0rc3)](cos2ϕ−1/3)当两磁性微粒磁耦极矩处在与外施磁场一致的方向上时ϕ=0°,它们之间有最大的相吸静磁势能Es1表示为Es1=-jm2/(2πμ0rc3)=-μ0V1V2Ms2/(2πrc3)(1)当两磁性微粒磁耦矩处在与外施磁场垂直的方向上时ϕ=90°,它们之间有最大的相斥静磁势能Es2表示为Es2=-jm2/(2πμ0rc3)=μ0V1V2Ms2/(4πrc3)(2)式中μ0为真空磁导率,Ms是磁性微粒的饱和磁强度。从式(1)、(2)可知,当两磁性微粒磁耦矩处在与外施磁场一致的方向上时它们之间有最大的相吸静磁势能,当两磁性微粒磁耦矩处在与外施磁场垂直的方向上时它们之间有最大的相斥静磁势能。微粒间静磁势能相互作用是短程的,与rc的3次方成反比,随距离增加衰减较快。见图5的曲线1。二个微粒之间的范德华引力的作用能Ev为Ev=−A/6{2/[f(f+4)]+2/(f+2)2+ln[f(f+4)/(f+2)2]}(3)式中A称为Hamaker常数,其值大约为10-19N.m数量级;f=(rc/R)-2,R是磁性微粒的半径。由式(3)可见,微粒间相互作用是短程的,吸引能与rc的4次方成反比,随距离增加衰减很快。见图5的曲线2。表面活性剂分子产生相互排斥势能ErEr=2πR2NδkT{2−f/t−[(f+2)/t]⋅ln[(1+t)/(1+f/2)]}(4)式(4)中,Nδ为单位磁性微粒表面所吸附的表面活性分子数,k为波耳兹曼常数,T为温度,t为表面活性剂的厚度δ与微粒半径R的比值,即t=δ/R。磁性液体高度稳定性的机理主要是位阻效应,在磁性微粒表面的高分子形成了厚度为δ(2nm)左右的保护层,阻止了颗粒的团絮。当两颗粒间距为2δ时致密的高分子保护层使位能急速增加,阻止两颗粒进一步靠近。见图5的曲线3。在胶体系统中有一个极大值Eb,称为能垒;两个极小值Em1和Em2,相应称为第一极小和第二极小;当Eb降低至接近于零,絮凝或聚结即告开始。当颗粒间距处于Em1时,形成稳定的缔合体,如果大量生成,产生絮凝或聚结,胶体系统即被破坏。是否絮凝或聚结则决定于能垒的高低,当两颗粒处于Em2时,也能形成颗粒缔合体,但由于能量降低很少,缔合很弱,一般热运动或略加搅动即可拆散,称之为弱絮凝。从图5(a)(b)合成虚线(1+2+3)中所见磁性液体的Eb>0,不会产生絮凝。但值得注意的是:见图5(a)的合成虚线(1+2+3)磁性液体在与外施磁场平行方向时存在一个第二极小Em2,因此,存在弱絮凝,而图5(b)的合成虚线(1+2+3)磁性液体在与外施磁场垂直方向时不存在第二极小Em2,不发生弱絮凝。由此可见弱絮凝又具有方向性。因此,磁性液体在外施磁场作用下存在方向性弱絮凝行为的假设成立。3在外施磁场中的弱絮凝行为弱絮凝是胶体系统客观存在的一种状态,在一般胶体系统中弱絮凝行为表现不明显,作用和意义都不大,不引起重视,磁性液