磁流体静力分选机学位论文 .doc

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1、1磁流体在液体状态下，分子的磁矩按铁磁性排列从而产生内在的液态铁磁性。但现在只能制出这样的磁性液体，即单铁畴磁性颗粒的胶状悬浮液。它们由众多的纳米级铁磁性或亚铁磁性颗粒借助表面活性剂高度弥散于液态载液中而构成的一种高稳定性的胶体溶液。这种纳米磁性液体又称磁流体，它兼有液体和磁性材料的双重性质，即使在重力、离心力或强磁场的作用下也不会产生分离现象，是目前尖端的纳米科技技术之一。自从上个世纪六十年代诞生以来，经过数十年的研究发展，磁流体获得了广泛应用。1.1磁流体的组成磁流体的组成如图1所示，它是一种固液相混的二相流体，由三部分组成：磁性分

2、散相（磁性粒子）、表面活性剂和基载液。可用于制备磁流体的磁性材料通常有Fe3O4、γ-Fe2O3、MnFe2O4、Ni、Co、Fe、NiFe和FeCo合金等，目前常用的为Fe3O4粉末。磁性粒子不是分子，是粒度很小的微粒，因为直径很小，磁性粒子在基载液中作布朗运动，获取动能，悬浮于基载液中。如图中所示，磁流体中使用的磁性颗粒只有纳米级尺寸，具有单磁畴结构。磁流体的基载液应满足这样一些条件：低黏度、低蒸发率和高度化学稳定性，以及具有抗辐射和耐高温特性等。基液是否导电等性能直接决定着磁性流体的应用，一般为非导电性液体，如煤油、水、脂类等，也

3、可以是导电的液态金属水银。基液不同，磁流体的特性有很大区别。表面活性剂也叫分散剂、稳定剂或表面图层。活性剂的主要作用是防止磁性颗粒聚沉。基载液不同，所用的表面活性剂可能不同，比如水作为载液时，常用的活性剂为不饱和脂肪酸（如油酸、亚油酸、亚麻酸）以及它们衍生物的盐类及皂类；当用脂及二脂精制合成油作为载液，油酸、亚油酸、亚麻酸或相应的酸脂如磷酸二脂及其他非离子型表面活性剂可以作为活性剂。1.2磁流体的制备方法1.2.1共沉淀法铁盐和亚铁盐的水溶液发生反应，生成磁性Fe3O3固体粒子，化学反应方程式如下：Fe2++2Fe3++8OH-→Fe3

4、O4+4H2O如此形成的Fe3O3超微粒子吸附着油酸离子水洗脱水，分散于二甲苯等基液中，即可生成磁性液体。这种方法提供较之其他制备方法的基本优点，生产效率高，反应速度快，适合于自动化、机械化，可以被工业生产所采纳。以铁磁矿Fe3O3作磁性粒子，选择不同的基液，可以做成各种基液的磁流体。1.2.2粉碎法将分散质和表面活性剂与基液放到一起，在球磨机上进行长时间的研磨，然后通过过滤或离心分离出粗粒子而制得磁流体。1.2.3火花电蚀法把金属电极插入液体，在液体中放电，电极金属以胶体粒子形态进入液体中。火花放电是使电极金属蒸发，在液体中极冷成为超

5、微粒子，从而制成磁流体。紫外线分解法用紫外线取代热分解分解有机金属，制成金属超微粒子，形成磁流体。将浓度为116mmol/L、30mL碳基镍Ni(CO)4在氮气保护下转移到反应器皿的密封系统中，加入浓度为2.33mmol/Lmanox-OT2.06g及30mL甲苯组成的溶液放置在距高压汞灯3cm左右处，搅拌并通以冷空气流，温度保持在四十摄氏度左右，经过八小时照射，用低速氮气流将CO带走，加快搅拌，增加透光性并不断抽去甲苯，制成含镍的磁流体。1.2.4热分解法热分解化学上不稳定的有机金属，析出金属单质，这时，析出的金属超微粒子分散于基液中

6、，做成磁流体。除了以上介绍的几种方法外，还有阴离子交换树脂法、氢还原法和真空蒸发法等磁流体制备方法。1.3磁流体的特性1.3.1磁流体的粘度粘度是磁流体的一个重要参数，磁流体的粘度与基液的粘度、磁性颗粒的粒度分布与含量、表面活性剂、磁场强度和温度有关。胶体粘度随粒子含量的增加而增加。在低浓度时，磁流体的粘度用著名的爱因斯坦公式描述为：η=η0(1+5∅/2)式中η为磁流体的动力学粘度；η0为基液的动力学粘度；∅为固磁性颗粒的体积浓度。高浓度时，磁流体的粘度可用下面的公式描述：η=η0(1-∅/2)-5/2η=η0exp⁡[(2.5∅+2

7、.7∅2)/1-0.609∅上式是Vand在20世纪40年代考虑流体动力学的粒子间相互作用而建立的，通常被称为Vand公式。由于磁性粒子的存在，磁流体的粘度比基液的粘度大得多。因为磁流体的磁化强度随磁性粒子浓度的增加而增加。故当基液一定时，磁流体的粘度随饱和磁化强度变化而变化。对于Fe3O4磁流体，饱和磁化强度小于600Gs时，粘度与饱和磁化强度基本成线性关系。当饱和磁化强度继续增加，粘度将非线性地急剧增加，所以，磁流体的饱和磁化强度受粘度的限制。在外加磁场作用下，随着磁场强度的增加，磁流体的粘度也增加。此时，磁流体的粘度可表示为：ηH

8、=ηS+1.5∅∅hF(ξ,Ω,τb)sin2α式中，ηH为磁流体在磁场作用下的粘度；ηS为无磁场作用时的粘度；ξ=MH/kT，H为磁场强度，M为磁化强度；Ω为磁流体的回转角度；τb为磁性颗粒回转布朗运动的