毕业论文-磁性液体的制备和应用探讨.doc

宜宾职业技术学院
毕业论文

题目：磁性液体的制备和应用探讨

系 部 现 代 制 造 系
专 业 名 称 材 料 工 程
班 级 材 料 1092
姓 名
学 号
指 导 教 师

2011年9月19 日

宜宾职业技术学院
毕业论文选题报告
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系部

专业

论文
题目
磁性液体的制备和应用探讨
课题来源
教学
课题类别
论文
选做本课题的原因及条件分析：
磁性液体是一种新型的功能材料，从被开发以来就一直备受关注，但其制备工艺复杂，耗时长。而高性能磁性液体的制备难度大；成本高，制约开发应用，阻碍了磁性液体技术的发展。所以缩短制备磁性液体的流程，提高产率，扩大应用领域。是现在急需解决的课题，希望查阅资料来找出研究的瓶颈，同时也希望在学习和研究本科目后，能更好的定位自己。
内容和要求
内容：1、磁性液体及制备方法
2、 工作原理和应用范围
3、 发展现状及发展前景
4、 结论
要求：1、论文格式规范
2、语言表达准确，概念清楚，论点正确
3、力求采用数据、图、表分析与文字表达相结合，做到图文并茂
指导教师意见

（签章）
年 月 日
系部毕业论文领导小组意见：

（签章）
年 月 日

宜宾职业技术学院
毕业论文成绩评定表（一）
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题目
磁性液体的制备和应用探讨
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总分×30%

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总分×30%

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宜宾职业技术学院
毕业论文成绩评定表（二）
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题 目
磁性液体的制备和应用探讨
答辩小组
成员
姓名
任新民
张云程
陈华容
王自敏
谢瑞兵
职称
高级工程师
高级工程师
副教授
讲师
工程师
评价内容
具 体 要 求
分值
评分
报告内容
思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；实验方法科学，分析归纳合理；结论严谨；论文结果有应用价值。
40

答 辩
回答问题有理论根据，基本概念清楚。主要问题回答准确、有深度。
30

创 新
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
10

综合素质
能合理运用挂图、幻灯、投影或计算机多媒体等辅助手段，用普通话答辩。
10

报告时间
符合要求。
10

总分×40%

总分

答辩小组评语：

答辩小组组长签字：
年 月 日
指导教师评定成绩

评阅教师评定成绩

答辩成绩

毕业论文综合成绩
百分制

五级制

毕业论文答辩委员会
审定意见

主任签字

年 月 日
学院意见
年 月 日

IV

摘 要
本文在介绍磁性液体概念的基础上，简要说明了磁性液体的组成、特性和分类，并介绍了不同类型磁性液体的制备方法；在分析说明了磁性液体的工作原理的同时，说明了磁性液体的应用领域，如密封、润滑,最后在注明磁性液体发展现状的基础上，结合科技发展前沿，讨论了磁性液体的应用前景。

关键词:磁性液体；制备方法；应用领域；应用前景

ABSTRACT
Based on the introduction of magnetic fluid on the basis of the concept, brief descriptions of the magnetic fluid composition, characteristics and classification, and describes the different types of preparation method of magnetic fluid; in the analysis of the working principle of magnetic liquid at the same time, the application of magnetic liquid, such as sealing, lubricating, finally indicate magnetic liquid based on the current situation, combined with the development of Frontier Science and technology, discusses the application prospect of magnetic fluid.

Key words: Magnetic liquid; preparation method; application; application prospect.

.目 录
引 言 1
1 磁性液体及制备方法 2
1.1 磁性液体的概念 2
1.2 磁性液体的组成 2
1.3 磁性液体的分类 3
1.4 磁性液体的特性 4
1.5 磁性液体的制备方法 5
1.5.1 化学共沉淀制备铁酸盐磁性液体 5
1.5.1.1 活性磁粒子的制备 6
1.5.1.2 磁性液体的制备 7
1.5.1.3 磁性液体参数的测定 7
1.5.1.4 注意事项 9
1.5.2 气相一液相法制备氮化铁磁性液体 10
1.5.2.1 反应机理及工艺过程 10
1.5.2.2 检测结果 12
1.5.2.3 结果分析 12
1.5.2.4 创新性改进 14
2 磁性液体的工作原理及应用 15
2.1 工作原理 15
2.2 磁性液体的应用 16
2.2.1 工业上的应用 16
2.2.1.1 磁性液体（动态）密封 16
2.2.1.2 磁性液体研磨 18
2.2.1.3 磁性液体阻尼 18
2.2.1.4 磁性液体润滑 18
2.2.1.5 磁性液体在扬声器上的应用 19
2.2.1.6 磁性液体在分离技术方面的应用 19
2.2.2 磁性液体在医学上的应用 20
2.2.3 生物学上的应用 20
2.2.4 其他应用 20
3 发展现状及前景展望 20
3.1 磁性液体的发展现状 20
3.2 未来趋势及展望 21
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25

IV

引 言

磁性液体自从上世纪6O年代中期问世以来，就以它成本低、能耗少、无污染和适用范围广等特点，一直受到人们广泛的关注。目前磁性液体在各类科学研究和工程技术部门都产生新的变革，它的应用已深入到电子、化工、能源、冶金、仪表、环保、医疗卫生等许多方面，成为热门研发领域。
由于磁性液体技术含量高，制备工艺复杂，目前国际上对磁性液体的研究非常活跃，如现在国内外正积极研制的金属系磁性液体，其磁性颗粒为铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)等金属，合金及其氮化物。近年来，磁性液体新的应用领域不断被发现，新的应用技术也不断被提出，如磁性纳米微粒(磁性液体)在医疗上特别在防治肿瘤等领域中的应用已经成为一个研究热点。由于磁性液体技术的研究层次及其应用技术尚未成熟，使其应用领域的开拓受到了较大的限制，并制约了该产业的形成与发展。对从事该方面研究的学者还有许多艰巨的工作要做。目前我国社会各界对纳米磁性材料日益重视，在磁性液体技术的研究方面已经取得了一些突破，在国内也形成了几家产业化生产厂家，但与发达国家的应用水平以及磁性液体的潜在应用前景相比，还有很大的差距。
本文将对此行液体的制备方法进行介绍,同时在对其应用现状进行分析的基础上,探讨其应用前景。
1 磁性液体及制备方法
1.1 磁性液体的概念
磁性液体(Magnetic Liquids)，又称磁流体(Magnetic Fluids)、铁磁性流体(Ferromagnetic fluids)、磁性胶体(Magnetic Colloids)，具有液态载体的流动性、润滑性以及密封性。它是由纳米级(10nm以下)的强磁性微粒高度弥散于某种液体之中所形成的稳定的胶体体系。通常强磁性微粒选用Fe3O4，除此之外还可以是铁和氮化铁。磁性液体中的磁性微粒必须非常小，以致在基液中呈现紊乱的布朗运动。这种热运动足以抵消重力的沉降作用以及削弱粒子间电、磁相互凝聚作用，不产生沉淀和凝聚。
1.2 磁性液体的组成
磁性液体（magnetic fluid/Ferro fluid）的结构，是由单分子层（2nm）表面活性剂（surfactant）包覆的、直径小于10nm的单畴磁性颗粒高度弥散于某种载液(carrier liquid)中而形成的稳定“固-液”两相胶体溶液。如图1-1所示。
磁性液体的组成如下：

图1-1 磁性液体的组成
(1)纳米级磁性颗粒
磁性液体中的纳米磁性颗粒（magnetic particles),如纳米级金属氧化物（Fe3O4）及铁氧体[COFe2O4、（Mn-Zn)Fe2O4等]、金属（铁、钴、镍及其合金）或铁磁性氮化铁[FeχN（2＜χ＜8)],这些磁性颗粒粒径非常小，以至于在液体中呈现出紊乱的布朗运动，这种热运动足以能够抵消重力的沉降作用和削弱粒子间的电磁凝聚作用，在重力和磁场力的作用下，始终稳定地分散在载液中，不凝聚也不沉淀。
(2)表面活性剂和载液
理想的表面活性剂，应该是那些永久地吸附在粒子界面上的表面活性剂，它的特殊功能在于它既能适应于一定的载液性质，又能适应于一定粒子的界面要求。这样的表面活性剂必须具有特殊的分子结构：一端有一个对磁性粒子界面产生高度亲和力的钉扎功能团，也称为“头”；另一端还需要有一个极易分散于某种载液中且有适当长度的弹性“尾”，在许多表面活性剂分子中,其“头”和“尾”通过醚键和铵键相连接。不同载液的磁性液体要选用不同的表面活性剂，恰当的表面活性剂能防止磁性颗粒的氧化、削弱静磁吸引力、克服范德瓦耳斯力的颗粒聚集、改变磁性颗粒表面性质，使颗粒与载液浑成一体，在磁场力的作用下整体移动。
载液的种类很多，根据磁性液体用途的不同，一般分为极性液体和非极性液体，通常的载液有烃类、酯类、聚苯醚类、氟化碳类、硅油类、液态金属(水银、镓)、水、煤油等。
综上所述，对载液和纳米级磁性颗粒均具有钉扎作用的表面活性剂若选择适当，既能对磁性颗粒进行单分子层的包覆，又能和载液浑成一体，从而使得磁性液体既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，是一种性能独特、应用广泛的新型纳米液态功能材料。它只有在外磁场作用下才显示出奇异特性，理想的磁性液体磁滞回线是一条过坐标原点的S形曲线，无磁滞现象。磁性液体技术是一门涉及物理、化学、力学、流变学等多学科的交叉边缘学科，是材料科学中的一支新秀。
1.3 磁性液体的分类
磁性液体可以按磁性颗粒、载液、应用领域、性能指标进行分类，最常用的是按磁性颗粒的种类进行的分类。按磁性颗粒种类分为：
(1)铁酸盐系：磁流体的超微粒子是铁酸盐系列，如Fe3O4、γ-Fe2O3、MeFe2O4(Me=Co，Ni)等；
(2)金属系：磁流体的超微粒子选用Ni、Co、Fe等金属微粒及其合金(如 Fe-Co，Ni-Fe)；
(3)氮化铁系：磁流体的超微粒子选用氮化铁，因其磁性较强，故可获得较高的饱和磁化强度。
1.4 磁性液体的特性
根据磁性液体所选基液的不同，磁液的主要物理性质有所差别，并且同一基液还可以适当调整其性能，通常其特性主要有：
(1)饱和磁化强度Ms
饱和磁化强度Ms(单位为Gs或T)表示磁性液体在外加磁场的作用下可产生的最强的磁性，一般为500～3000Gs(0.05～0.3T)，但据有关资料，现在已经可以达到近10000Gs(1T)的磁性液体，饱和磁化强度是磁性液体应用技术中最为重要的一个技术指标。
(2)黏度η
黏度η(单位为cP)表示磁性液体的流动性能，是流体力学和流变学的重要参数，该指标会对磁性液体应用技术产生一定的影响。
(3) 磁性颗粒直径D
磁性颗粒直径D(单位为nm)表示磁性液体的磁性颗粒的粗细程度，是影响四大效应(小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应)的根本因素，也是影响磁性液体稳定性、饱和磁化强度、热力学性能等的重要因素。
(4)挥发损失量Vt
挥发损失量Vt单位为g／(cm2·h)，一般在80℃下测量是磁性液体挥发性的指标，与磁性液体的寿命、蒸气压有密切关系，主要由载体的性能决定。除以上指标外，还有密度、表面张力、导热系数、温度特性、频率特性、超导性能、磁化率、耐蚀性、各相异性、磁共振性、磁性弛豫时间、流体动力学性能、流变学性能等指标，对不同的应用也是交叉起作用。
由于磁性微粒和基液浑成一体，从而使磁性液体既具有普通磁性材料的磁性，同时又具有液体的流动性，因此具有许多独特的诸如磁学、流体力学、光学和声学性质。
(1)磁性液体表现为超顺磁性，本征矫顽力为零，没有剩磁；
(2)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，使磁性液体具有其它流体所没有的、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；
(3)在静磁场作用下，磁性颗粒将沿着外磁场方向形成一定有序排列的团链簇，从而使得液体变为各向异性的介质。当光波通过稀释的磁性液体时(如同在各向异性的晶体中传播一样)，会产生光的法拉第旋转、双折射效应、双向色性等现象。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。此外，磁性液体在静磁场作用下，介电性质亦会呈现各向异性；
(4)超声波在磁性液体中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性；
(5)磁性液体在交变场中具有磁导率频散、磁粘滞性等现象。
这些有别于通常液体的奇异性质，为若干新颖的磁性器件的发展奠定了基础。
1.5 磁性液体的制备方法
上面说了磁性液体按所含纳米级磁性颗粒的种类，可分为铁酸盐系、金属系、氮化铁系三类。铁酸盐系磁性液体的磁性颗粒选用Fe3O4、γ-Fe2O3、Co、Ni等，制备方法有粉碎法、化学共沉法和胶溶法等；金属系磁性液体制备方法有CO羰基热分解法和真空蒸镀法；而氮化铁系磁性液体的制备方法有热分解法、等离子CVD法、化学气相沉积法、气相一液相反应法、等离子体活化法等。以下主要介绍两种典型的制备方法。
1.5.1 化学共沉淀制备铁酸盐磁性液体
铁酸盐系磁性液体的纳米磁性颗粒一般选用Fe304、γ-Fe203、Co、Ni等，采用化学共沉法制备。其反应式为:

将生成的Fe304磁性颗粒吸附C17H33C00-形成单分子层包覆的活性磁粒子，再将其根据需要分散在不同的载体中进行离心处理后即得到铁酸盐系磁性液体。
采用化学共沉法制备铁酸盐磁性液体，其工艺流程如图1-2所示。

图1-2化学共沉淀法制备铁酸盐系磁液工艺流程图
1.5.1.1 活性磁粒子的制备
(1) 所用仪器。
搅拌器、三口瓶、热浴锅、温度计、调压器、温度控制仪、磁座、匀浆机、离心机、红外干燥箱等。
(2) 活性磁粒子的制备。
制取稳定磁性液体的前提是制取纯度高、磁性强、颗粒直径小于10nm的活性磁粒子，具体操作如下：
①将2价铁盐(FeCl2或FeS04)与3价铁盐[FeCl3或Fe2(SO4)3]按物质的量比1:2混合，加热搅拌升温至55℃。
②加入NaOH溶液，其物质的量比为9:1(Fe2+：Fe3+)，温度为55℃，加热搅拌，温度升至65℃左右保持30min。
③加入油酸钠溶液，其物质的量比为2:5(Fe2+：Fe3+)温度为55℃，一边搅拌一边倒入三口瓶，并升温至80℃左右，此时若停止搅拌，可观察到黑色的活性Fe3O4磁粒子生成，且沉淀在三口瓶底部(即分层)，继续升温至90℃并保持30min以使其进一步成熟。
④用5％的盐酸调pH至4～5。
⑤磁座过滤，反复水洗多次，用试剂(BaCl2或AgN03溶液)检查，直到无SO42-或C1-沉淀为止。
⑥将湿的Fe3O4粒子移至表面皿放入红外干燥箱，烘干(其温度不得超过75℃，以防自燃)即制得活性磁粒子(纳米磁颗粒)。
1.5.1.2 磁性液体的制备
(1)油基磁性液体的制备
将干燥后的活性磁粒子根据实际应用需要，与不同的载液，例如煤油、环己烷、二甲苯、癸烷、十氢化萘等，按比例混合，放入电动匀浆机中，以20000r／min的转速搅拌30min，即形成油基磁性液体，再将其倒入离心管，放入离心机，以4000r／min的转速离心处理30min，滤除沉降物，即得到稳定的油基磁性液体。
(2)水基磁性液体的制备
根据亲油性活性磁粒子的特点经过第二种表面活性剂处理，形成二次包覆，使亲油基向内，亲水基向外，即可形成水溶性活性磁粒子。将含水50％的活性磁粒子滤饼根据实际需要与十二烷基苯磺酸钠按一定比例混合，轻轻搅拌，装入高速匀浆机内分散30min，再离心处理30min，滤除沉降物，即可制得稳定性好、饱和磁化强度高的水基磁性液体。
(3)二酯基磁性液体的制备
油酸包覆的Fe304活性磁粒子不能直接分散于高沸点的二元酸酯中，经过第二种表面活性剂作为中间媒介，通过置换的方法来制得二酯基磁性液体。用普通蒸馏装置，称取Fe304干燥活性磁粒子20g，加入30mL环己烷一起放入匀浆瓶内，在匀浆机内高速搅拌30min，然后再加入30mL癸乙酸二辛酯，放入匀浆瓶内高速搅拌30min，最后将所得溶液放入离心管中，经高速离心甩出不溶物。所得磁液移至蒸馏瓶中，通过减压蒸馏(78-81℃)蒸出环已烷，即得二酯基磁性液体。
1.5.1.3 磁性液体参数的测定
以下对水、煤油、间二甲苯、十氢萘、二酯(癸二酸二辛酯)、环己烷等6种不同载液的磁性液体进行了各项参数的测量。
(1)密度(比重)的测定
采用液体密度天平，进行相对密度测量。首先对天平进行调零，将要测试的磁性液体放入量筒内，将测锤放入筒内的磁性液体中，横梁失去平衡，不断加放骑码，使天平重新平衡，得到骑码总和即为所测磁性液体的密度，具体实验结果见表1.1。

表1.1磁性液体的密度
载体
Fe3O4:溶剂／(g:mL)
密度／（g／cm3)
水
27:34
1.2300
煤油
50:70
1.1130
间二甲苯
46:50
1.2800
十氢萘
33:50
1.0570
二酯
40:60
1.0588
环已烷
40:60
1.1540
(2)表面张力系数的测定
采用扭称测定磁性液体的表面张力系数。通过测量微小力来测表面张力，利用作图法粗略得到磁性液体的表面张力系数，具体的实验结果见1.2。
表1.2磁性液体的表面张力系数
载体
Fe3O4:溶剂／(g:mL)
表面张力系数（22℃）／(×10-5N／cm)
10-3（10310-5N／cm)
水
27:34
38.1
煤油
50:70
32.9
间二甲苯
46:50
35.0
十氢萘
33:50
36.4
二酯
40:60
37.1
环已烷
40:60
30.6
(3)饱和磁化强度的测定
采用CC-2型直流磁性测量装置测定磁性液体的饱和磁化强度。利用感应原理进行测量，当感生电流经过冲击检流器时，产生感生电流的磁感应强度，即测得在固定磁场中的饱和磁化强度。具体实验结果见表1.3。
表1.3磁性液体的磁饱和强度
载体
Fe3O4:溶剂／(g:mL)
饱和磁化强度／×10-2T
水
27:34
3.00
煤油
50:70
2.00
间二甲苯
46:50
2.00
十氢萘
33:50
2.00
二酯
40:60
0.75
环已烷
40:60
2.50
(4)黏度的测定
采用NDJ-1旋转黏度计测定磁性液体的黏度，根据液体的黏度公式：η=κα(其中，κ为转动格数，α为黏度系数)。通过测定黏度系数来测定磁性液体的黏度，其测量结果见表1.4所示。
表1.4磁性液体的黏度
载体
Fe3O4:溶剂／(g:mL)
黏度（23℃）／pa·s
水
27:34
1.10
煤油
50:70
0.014
间二甲苯
46:50
0.0145
十氢萘
33:50
0.0035
二酯
40:60
0.164
环已烷
40:60
―
1.5.1.4 注意事项
磁性液体制备的最关键一步是制取磁性强、稳定性好，容易过滤的活性Fe304纳米颗粒。通过大量的实验和多次的失败，我们感到要制备达到要求的活性Fe304纳米颗粒有几个重要的物理、化学参量，应当在以下范围内进行选取，它们对制备Fe304纳米颗粒具有重要参考价值。
(1) 碱要适当过量
在2价和3价铁盐溶液中加入稍过量的NaOH以使铁离子反应完全，能生成乌黑发亮的纳米磁粒子。否则，碱量少，溶液呈褐红色泥浆状，也不分层；碱太多，磁粒子虽黑，但产生泡沫太多，难下沉，pH也不好调整。碱适当过量，pH几乎不用调整，实验证明，碱量过量为6．25％～12．5％为好。
(2) pH要调得适当
在反应过程中，保护溶液的pH适当是生成高质量的Fe304纳米颗粒的重要因素。pH过大或过小都会使溶液浑浊，多泡沫，难分层，呈褐色泥浆状，极难过滤，但只要pH调得合适，上述现象均消失。实验证明，溶液pH为4～5时，可避免产生泡沫，且有黑色纳米颗粒的Fe3O4生成，停机观察，可看到油光闪亮的活性纳米磁颗粒。
(3) 加料速度的影响
制备活性磁粒子时，NaOH应快速加入铁盐溶液中，并伴有高速搅拌，反应混合易呈现黑色，生成Fe304纳米颗粒；而在加入表面活性剂油酸钠时，则应缓慢加入，低速搅拌，使生成的Fe304纳米颗粒都能均匀地包覆上一层油酸钠的单分子层，否则就不能制备质量好的纳米磁粒子。
(4) 加料温度的影响
要制备出好的活性纳米磁粒子，加入NaOH溶液和油酸钠的温度很重要。实验证明当加入物料的温度与三口瓶中溶液温度一致时，可加速反应生成。例如，加NaOH溶液温度应控制在55～60℃，而油酸钠溶液应控制在60～65℃。
(5) 磁力过滤
当制取的Fe304纳米颗粒比较细小时，极难过滤，在实践中我们制造了一个磁座，靠外界的磁力迅速使磁粒子沉淀，倾斜过滤，这样过滤既快又省水。
(6) 性能指标
实验室提供的水基、煤油基、间二甲苯和环已烷基磁性液体的密度、表面张力系数、黏度和饱和磁化强度等参数基本达到国内同类产品指标，为磁性液体的开发应用奠定了基础。
(7) 技术成熟程度
在实验室小量制备铁酸盐系磁性液体(油基)已摸索出成本低的配料，掌握了新的工艺流程，可自给自足，也可少量售出。
1.5.2 气相一液相法制备氮化铁磁性液体
该方法的基本原理为在添加了胺基系表面活性剂的煤油中导入氨气,同时将漏斗中的适量羰基铁放入反应器中,加热反应器至90℃保温60min,生成胺基羰基铁中间体,然后在185℃高温下分解该中间体,可以得到氮化铁磁性液体。
1.5.2.1 反应机理及工艺过程
(1)反应机理．
前期反应阶段，温度控制在90～100℃，发生反应

后期反应阶段，温度控制在185～200℃，发生反应

当温度超过100℃，期间还会发生副反应

所以制备时要在前期反应结束后，将Fe(CO)5气化逐出，以阻止副反应的发生。
(2)工艺过程
氮化铁磁性液体的制备工艺过程分5个阶段
①准备阶段
将表面活性剂PBSI与溶剂按一定配比混合均匀，加适量无水NaS04干燥，密闭静置20h，作为预制液。用Ar气置换密闭反应系统内的空气后，将预制液和Fe(CO)5按一定比例注入到反应器中。
②前期反应阶段
实验装置如图1-3所示。加热反应器升温至90℃，向反应器内通入一定流量的NH3气，恒温搅拌60min进行前期反应。反应生成的气体通过冷凝管之后排出。

图1-3氮化铁磁性液体合成装置示意图
1． 四口烧瓶;2．电加热套;3．恒压滴液漏斗;4．真空表;
5．防倒吸导气管;6.滴液斗;7.温度计;8．磁搅拌子
③升温阶段
关闭NH3气，通人Ar气保护，继续加热升温，将前期反应中未反应的Fe(CO)5气化蒸出，冷凝后储存在恒压滴液漏斗中。
④后期反应阶段
温度升至185℃后，保持该温度并继续搅拌60min进行后期反应。
⑤冷却阶段
撤除加热器，当反应温度降至140℃时，打开恒压滴液漏斗的活塞，使未反应的Fe(CO)5回到反应体系当中。当温度降至90℃时，以步骤(2)～(5)作为一个循环，重复进行反应，直至Fe(CO)5全部反应。
1.5.2.2 检测结果
随着Fe(CO)5反应量的增加，饱和磁化强度也随之增加，当Fe(CO)5反应量达到70g时，饱和磁化强度接近0.05T(浓缩前)，所以可通过增加Fe(CO)5反应量或者浓缩磁性液体的办法获得较高饱和磁化强度的磁性液体。
1.5.2.3 结果分析
饱和磁化强度(比磁化强度)是界定磁性液体的重要参数，因此在实验中应以此为指标摸索最佳工艺参数。
(1) 反应温度的影响
由表1.5可知，前期反应温度在90℃时，比磁化强度最高。由表1.6可知后期反应温度在180℃时，比磁化强度最高。
表1.5前期反应温度
前期温度／℃
Fe(CO)5反应量／g
比磁化强度／（cmu／g)
70
10
1.24
80
10
1.71
90
10
2.49
表1.6后期反应温度
后期温度／℃
Fe(CO)5反应量／g
比磁化强度／（cmu／g)
150
20
0.46
160
20
1.50
170
20
3.55
180
20
5.34
(2) 反应时间的影响
每次循环反应时间的长短直接决定磁性液体生成的效率，固定前期和后期的反应温度(90℃／180℃)，实验结果从表1.7可以看出，在前后反应时间为60min时，比磁化强度最高。
表1.7反应时间
前／后期反应时间／min
Fe(CO)5反应量／g
比饱和强度／（cmu／g)
15
25
4.40
30
25
6.38
60
25
9.24
(3)NH3流量的影响
在反应过程中，为了使Fe晶核与NH3形成大量的中间活化体，或者有更多的NH3直接裂解生成氮化铁，一般采用过量的NH3进行反应。这一点在表1.8中可得以证实。随着NH3流量的增加，粒子产量和转化率也增加，但磁性颗粒也由单一的ε-FexN过渡到ε-FexN和FexN双相，FexN(2<x≤8)时磁性强，随着x的增大饱和磁化强度反而减小。因此，NH3的流量既要过量，也要控制适当。
表1.8NH3的流量
序号
NH3流量／（mL／min)
粒子产量／g
转化率／%
0404
600
7.55
20.33
0411
300
6.92
18.77
(4) 氧气对反应的影响
Fe(CO)5的性质极为活跃，常温下即能发生氧化反应，生成铁的氧化物，所以在制备中,反应系统要除去空气，采取先抽真空，然后用惰气(Ar)保护。
(5) 水对反应的影响
Fe(CO)5的相对密度为1.46，虽性质活跃，但常温下对水是稳定的，因此可用水覆盖Fe(CO)5以隔绝空气，但当温度升高时，Fe(CO)5就可以与水发生氧化反应，生成铁的氧化物。我们在制备过程中，所有反应仪器都进行了干燥处理，即反应溶液中加入无水NaS04密闭静置20h及NH3气瓶出口设置NaOH干燥管等以保证反应系统的绝对干燥。
综上所述，制备高饱和磁化强度氮化铁磁性液体的最佳工艺参数前期反应温度应控制在90℃；后期反应温度应控制在180℃，氨气流量控制在300mL／min；全部反应时间大约控制在8个小时。除此之外，所有的反应仪器、反应的溶液及所涉及的装置均要进行干燥处理和惰气保护。
1.5.2.4 创新性改进
在氮化铁磁性液体的制备过程中，根据实际情况，需要做一些创新性的改进。
(1) 实验装置的改进
反应过程中，反应器必须密封，且反应是在高速搅拌升温情况下进行，而现有的反应装置存在两个问题：一是反应器均为圆形多口瓶，这种反应器在现有磁力搅拌器上无法固定，也无法满足加热升温的要求；二是反应装置为机械搅拌，转动轴处的密封问题至今没有很好解决。为解决上述两个问题，有人设计并加工了一套新的磁力搅拌恒温装置(已申请专利)，如图1-4所示，该磁力搅拌恒温装置由加温控温、磁力搅拌及调整机构构成。加温控温机构是在外体上部装保温盆、保温盖和加热包，在保温盆、保温盖和加热包之间是保温层，在保温盆底部有开口，加热包电路连温控器。磁力搅拌机构是在电机输出轴上装磁铁，磁铁设置在保温盆底部开口处，磁转子放置在反应器中，当电机带动磁铁旋转时，反应器中磁铁两极面的旋转带动反应器中磁转子旋转搅拌。这种创新装置不但能满足无轴搅拌、无空气泄漏的要求，还能方便地固定，满足加热升温的要求。该装置投入使用后，取得了非常好的密封和搅拌效果，使制备的磁性液体饱和磁化强度由300多高斯提高到500高斯。
(2）表面活性剂的替换
磁性粒子能否均匀地分散在某种载液并构成长期稳定的磁性液体，选择适宜的表面活性剂是决定性的因素，表面活性剂的特殊功能在于它既能适应一定的载液性质，又能适应一定粒子的界面要求。

图1-4磁力搅拌装置图
1. 电源插座；2．气窗；3．风扇叶轮；4.磁铁；5.外壳；6．保温盒；
7. 保温盖；8．旋转磁子；9.四口烧瓶；10．电热器；11．温控器；
12. 变速器；13.电机；14．电机附件；15．主开关

2 磁性液体的工作原理及应用
2.1 工作原理
人们利用磁性液体在磁场中所展示的奇异特性，开发出许多磁性液体的应用，其在应用上的工作原理大致可总结如下：
(1)通过磁场检测或利用磁性液体的物性变化。
(2)随着不同磁场或者分布的形成，把一定量的磁性液体保持在任意位置或使物体悬浮。
(3)通过磁场控制磁性液体的运动。
(4)磁性液体各种工作原理相互关联、相互制约，应用时很少单独应用。
磁性液体的特性与应用，见表2.1

表2.1磁性液体的特性及应用范围
基本特性
功能
应用

物性
变化

磁性
由温度引起的磁变化
确认位置
液面变形
内压变化
温度的计量和控制
液面计、测厚仪
水平仪、电流表
压力传感器、流量传感器

磁光异性
光变化
磁力传感器、光学快门（相机）

保持
作用

磁力

密封
可视化
轴、管密封、压力传感器
β法磁畴检测、磁盘、磁带检测、探伤
热传导
散热
扬声器、驱动器

黏性、磁力

润滑
阻尼
负载保持
轴承
旋转阻尼、阻尼测量器、扬声器
加速度计、阻尼计、密度计、选矿、轴承等

流体
运动
磁力、流动性
制导
油水分离、造影剂、治癌剂

磁力
流体驱动
液滴变形
泵、液压变速装置
传感器、传动器
磁力、热传导
热交换

润滑密封

流动性
位置控制
薄膜变形
界面层控制装置
2.2 磁性液体的应用
磁性液体的应用基础是可以被控制、定位、定向与移动的，即通过控制它的流变性，调节它在使用中的磁力强度、流动方向、磁性材料颗粒的聚集形式和浓度，就能改善一些领域内现有产品的结构、制造工艺和使用性能。由于纳米磁性液体在磁场中所具有的特殊理化性质，决定其应用的广泛性。目前国内外最成熟的应用是纳米磁性液体密封技术，已经逐年扩展到航天航空、电子、化工、机械、冶金、仪表、环保、医疗等各个领域。
2.2.1 工业上的应用
磁性液体在工业上主要用于机械部件的密封、轴承间的无摩擦润滑、超硬材料的精细研磨等诸多方面。
2.2.1.1 磁性液体（动态）密封
磁性液体密封是一种非接触式密封，可以封气、封水、封油、封尘等，广泛用于工业中各种密封。由于磁性液体在非均匀场中将聚集于磁场梯度最大处，因此利用外磁场可将磁性液体约束在密封部位，形成磁性液体“0”型环，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。目前已广泛用于：
(1)防尘密封——硬盘(harddisk)、气流粉碎(分级)机等；
(2)真空密封——电子显微镜、电子衍射仪、CVD装置、单晶炉、真空加热炉等；
(3)气体密封——可用于多种气体密封的场合(如煤气风机转轴部位)。
图2-1 磁性液体密封原理
经过近30年的研究与开发，无论是从理论上还是从实际应用上，磁性液体密封技术都趋于成熟，甚至对于转轴和摆动杆的真空动密封目前已达到标准化、通用化的程度。张墩明用共沉淀法制得的8～12nm的四氧化三铁粒子，如以聚醚磷酸脂为表面活性剂，其4πM为45kA／m，用于x射线衍射仪旋转阳极的密封，在3000rad／min条件下，真空度达到2.7×10-5pa。YoungSamKim用铁钴合金磁性液体在3.3T的外磁场下对机械的旋转轴进行油封，当轴以30rad／s选择时，这种装置最高可以承受25kg／cm2的压力。
磁流体密封技术的发展方向主要有:
(1)进一步深入研究磁流体在密封中的作用机理，研究流体力学和动力学因素在振动、偏心、离心力与磁力竞争中的影响，以及在不同磁场、磁流体、极齿齿形和气氛(如气体、流体或尘埃)等条件下的优化设计。
(2)推广磁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流体密封的应用范围(如线速度>35m/s、温度>80℃、压力>2～10MPa)。提高磁流体密封各项性能指标，加强研究机构和生产企业的合作,把各种不同种类和性能的磁流体密封推向实际应用。
(3)以各种新材料、新工艺研制出新的具有优异性能的磁流体，研制新的磁流体密封装置，开拓新的研究领域，拓宽新的应用领域。
2.2.1.2 磁性液体研磨
磁性液体研磨随着精密机械的高性能化，对于构成精密机械的零件及电子零件、光学零件的几何精度要求越来越高。另外，对于各种超硬材料的精细加工也提出很高的要求。近年来采用磁性液体研磨对上述各种零件进行精加工达到了比较理想的地步，对高技术发展有着重要的意义。
磁性液体研磨是在水或者油基磁性液体中混入粒度为数微米到数百微米的磨料，通过磁力作用使磨料强制研磨加工件的表面。加工在研磨过程中自身可以旋转，故不管加工面是平面还是曲面均能同时研磨。与通常的加工法相比，其效率提高15倍。例如，在磁性液体中加入Cr203(粒度为3um)磨料，研磨φ19×26的Ni3N4滚柱，可获得0.005um的最小表面粗糙度，可用于精密滚柱轴承；又如加入粒度为55um的SiC磨料及采用不锈钢锥形二具