磁流体动密封试验台研究

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1、1磁流体综述1.1概述磁流体(MagneticFluid)也叫磁性流体或铁磁流体,是一种对磁场敏感、可流动的超顺磁液体磁性材料。磁性液体是由纳米级铁氧体、铁磁性氮化铁颗粒借助表面活性剂高度、均匀分散于载液（有机溶剂、油或水）中而形成的稳定胶体溶液。它是一种新型的液体功能材料，具有很特殊的理化性质。磁流体自问世后短短几年就走出实验室，开始应用于科学实验和工业装置中。目前其应用范围已扩展到航天、电子、化工、机械、冶金、仪表、环保、医疗等各个领域，随着研究开发的深入，其应用领域也在不断扩展。国外一些国家对磁流

2、体有很多的研究和应用，像美国、日本、英国等已经进入工业化生产阶段。我国也于70年代末开始了磁流体及其应用技术的研究.本章系统地介绍了磁流体的组成及其特性。1.2磁流体的组成磁流体是一种固液相混的二相流体，是一种胶体溶液。它由三部分组成：磁性微粒；基液（也叫载液）；表面活性剂。如图1—1图1—1磁流体的组成磁性微粒通常为铁磁矿，即四氧化三铁、赤铁矿、铁氧体及稀土合金等固体微粒，磁性微粒不是分子，是粒度很小的颗粒，由于直径很小，磁性微粒在基液中作布朗运动，获得动能，悬浮于基液中。目前常用的磁性微粒是四氧化三

3、铁粉末。基液，也叫载液或母液。基液是否导电等性能决定着磁性流体的应用。基液一般为非导电性液体，如水、煤油、硅油、烷烃等，也可以是导电的液态金属，如水银。基液不同，磁性流体的特性也不同。表面活性剂，也叫分散剂、稳定剂或表面涂层。表面活性剂的主要作用是防止磁性微粒发生凝聚而沉淀。由于磁性微粒为无机类固体微粒，不能溶解或不易分散在基液中，因此，在磁性微粒和基液的两相（即固相和液相）之间应加入第三者，即表面活性剂。常用的表面活性剂有油酸、亚油酸等。选择表面活性剂时，不仅要考虑是否能是相应的磁性微粒稳定地分散在基

4、载液中，而且要考虑表面活性剂与基载液的适应性，即是否有较强的亲水性或亲油性，基液不同，则所需的表面活性剂也不同。1.3磁性流体的稳定性由于磁流体不是真正的溶液，而是一种胶体溶液，因而制备磁性流体的关键是如何使磁性微粒稳定的悬浮于基液中。磁性流体的稳定性可以从动力稳定性和聚集稳定性两方面考虑。所谓动力稳定性就是磁性微粒作面朗运动，克服重力和磁场力的作用，长时间保持分散的悬浮状态，不发生沉淀。磁性微粒的粒度越小，则动力稳定性越好。聚集稳定是指胶体粒子克服由其表面能引起的粒子之间相互吸引的能力。粒子的粒度减小

5、，则比表面积增大，表面能增大，粒子间相互吸引发生聚集的势能增大，因而聚集稳定性差。提高磁性流体动力稳定性的措施是减少磁性微粒的粒度；提高聚集稳定性的措施则是在磁性微粒的表面包覆分散剂。磁性微粒之间存在两种相互作用力，即微粒之间的静磁相互作用力和范德瓦尔斯力。由于磁矩的存在，磁性微粒之间存在静磁相互作用力，因而微粒之间存在势能。变种势能与微粒直径的三次方成正比，与微粒之间距离的三次方成反比。另一方面，磁性微粒在基液中作布朗运动。当微粒的热能与势能相等时就可以阻止因静磁作用引起的粒子之间的聚集。根据表面活性

6、剂的厚度，可以推出微粒直径的大小。一般地，微粒表面活性剂的厚度为微粒直径的，当微粒直径为时，热能与势能基本相等。所以，磁性微粒的直径一般控制在左右。在磁性流体的制备方法中，机械粉碎法是将大颗粒的粒子经长时间的研磨粉碎，减小粒子的直径。而湿式化学共沉法则是把分子或离子大小的粒子增加到左右。偶极子之间存在着相互手用的色散力，称为范德瓦尔斯力。这种力与粒子的大小无关，只要粒子相接近，就产生负势能，降低聚集稳定性。热运动不能阻止范德瓦斯力引起的聚集。分析表明，范德瓦尔斯力与微粒间距离的六次方成反比。因此，为了克

7、服这种力的作用，在磁性微粒的表面包覆一层长链子的表面活性剂，增加微粒之间的距离，克服相互间的吸引力，使热运动能保持颗粒处于分散状态，从而提高聚集稳定性。存在重力或磁场力的作用时，磁性流体内磁性微粒的悬浮状态会发生变化。在重力的作用下，磁性流体中的微粒发生沉降，微粒的浓度按上稀下浓分布。同时，在扩散力的作用下又使微粒由浓度高的下方向浓度低的上方扩散。因此，磁性微粒受到重力与扩散力的共同作用。在平衡状态下，向上与向下移动的微粒数相等。重力与浮力叠加作用于每一个微粒的沉降力为式中——沉降力；——微粒的直径；—

8、—胶体粒子的密度；——基液的密度；——重力加速度。拇个粒子爱到的扩散力为式中——扩散力；——玻耳兹曼常数；——绝对温度；——单位体积内的微粒数；——高度。由于在平衡状态下沉降力与扩散力相等，所以式为在重力作用下磁性微粒稳定悬浮的条件。可以看出，微粒的直径越小，浓度越低；温度越高，则稳定性越好。在非均匀磁场作用下，磁性微粒向磁场较强的区域运动动，发生与重力作用相似的过程。设磁场在方向的变化率为，而磁性微粒的磁化强度为，则单位体积磁性微粒所受磁