磁性液体的制备和应用探讨 毕业论文 (2).doc

《磁性液体的制备和应用探讨 毕业论文 (2).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁性液体的制备和应用探讨 毕业论文 (2).doc（34页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、I 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 毕业论文选题报告 II 姓名性别学号系部专业 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

2、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 毕业论文成绩评定表（一） III 学生学号学生姓名 题目磁性液体的制备和应用探讨 指导教师 评语 指导教师 评定成绩 总分总分30% 指导教师签字 年 月 日 评阅 教师 评语 评阅教师评 定成绩 总分总分30% 评阅教师签字

3、年 月 日 毕业论文成绩评定表（二） IV 学生学号学生姓名 题 目磁性液体的制备和应用探讨 姓名任新民张云程陈华容王自敏谢瑞兵 答辩小组 成员 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

4、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 毕业论文答辩记录表 V 学生姓名学生学号 题 目磁性液体制备和应用探讨 答辩小组成员 姓 名职称工作单位备注 答辩中提出的主要问题及学生回答问题的简要情况： 答辩小组代表签字： 年 月 日 I 摘摘 要要 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

5、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 II 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 magne

6、tic 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

7、application prospect of magnetic fluid. Key words: Magnetic liquid; preparation method; application; application prospect. III .目目 录录 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

8、.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 IV 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

9、.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 I 引引 言言 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(

10、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

11、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。 II 1 1 磁性液体磁性液体及制备方法及制备方法 1.11.1 磁性液体的概磁性液体的概念念 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

12、 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。 1.21.2 磁性液体的组成磁性液体的组成 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： 图图 1-11-1 磁性液体的组成磁性液体的组成 (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

13、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FeN（28),这些磁性颗粒粒径非常小，以至于在液体 III 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

14、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

15、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。 1.31.3 磁性液体的分类磁性液体的分类 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、- Fe2O3、MeFe

16、2O4(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 IV 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。 1.41.4 磁性液体的特性磁性液体的特性 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 5003000Gs(0.050.3T)，但据有关资料，现在已经可 以达到近 100

17、00Gs(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 黏度 (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(cm2h)，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

18、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 V 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

19、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

20、体的奇异性质，为若干新颖的磁性器件的发展奠定了基 础。 1.1.5 5 磁性液体的磁性液体的制备方法制备方法 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、- 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。 1.1.5.15.1 化学共沉淀制备铁酸盐磁性液体化学共沉淀制备铁酸盐磁性液体

21、铁酸盐系磁性液体的纳米磁性颗粒一般选用 Fe304、-Fe203、Co、Ni 等， 采用化学共沉法制备。其反应式为: OHOFeOHFeFe 243 32 482 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。 VI 图图 1-21-2 化学共沉淀法制备铁酸盐系磁液工艺流程图化学共沉淀法制备铁酸盐系磁液工艺流程图 1.5.1.11.5.1.1 活性磁粒子的制备活性磁粒子的制备 (1)所用仪器。 搅拌器、三口瓶、热浴锅、

22、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： 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。 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。 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

23、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。 用 5的盐酸调 pH 至 45。 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。 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 )。 VII 1.5.1.21.5.1.2 磁性液体的制备磁性液体的制备 (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

24、例混合，放入电动匀浆机中，以 20000rmin 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 4000rmin 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

25、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。 1.5.1.31.5.1.3 磁性液体参数的测定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

26、)、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。 VIII 表表 1 1. .1 1 磁磁性性液液体体的的密密度度 载体Fe3O4:溶剂(g:mL)密度（gcm3) 水27:341.2300 煤油50:701.1130 间二甲苯46:501.2800 十氢萘33:501.0570 二酯40:601.0588 环已烷40:601.15

27、40 (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。 表表 1 1. .2 2 磁磁性性液液体体的的表表面面张张力力系系数数 载体Fe3O4:溶剂(g:mL)表面张力系数（22） (10-5Ncm) 10-3（10310-5Ncm)水27:3438.1 煤油50:7032.9 间二甲苯46:5035.0 十氢萘33:5036.4 二酯40:6037.1 环已烷40:6030.6 (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

28、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。 表表 1 1. .3 3 磁磁性性液液体体的的磁磁饱饱和和强强度度 载体Fe3O4:溶剂(g:mL)饱和磁化强度10-2T 水27:343.00 煤油50:702.00 间二甲苯46:502.00 十氢萘33:502.00 二酯40:600.75 环已烷40:602.50 IX (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： =(其中， 为转动格数， 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

29、。 表表 1 1. .4 4 磁磁性性液液体体的的黏黏度度 载体Fe3O4:溶剂(g:mL)黏度（23）pas 水27:341.10 煤油50:700.014 间二甲苯46:500.0145 十氢萘33:500.0035 二酯40:600.164 环已烷40:60 1.5.1.41.5.1.4 注意事项注意事项 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

30、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 625125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 45 时， 可避免产生泡沫，且有黑色纳米颗粒的 Fe3O4

31、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 X 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 5560，而油酸钠溶液应控制在 6065。 (

32、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。 1.5.21.5.2 气相一液相法制备氮化铁磁性液体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

33、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。 1.5.2.11.5.2.1 反应机理及工艺过程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 90100，发生反应 3535 )()(NHCOFeNHCOFe 后期反应阶段，温度控制在 185200，发生反应 CONHCOFeNHNHCOFe2)()()( 233335 233233 310182)()(6HNHCONFeNHCOFe 当温度超过 100，期间还会发生副反应 XI COCOFeCOFe 9

34、25 )()(2 COCOFeCOFe3)(2)(3 12392 COFeCOFe123)( 123 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 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。 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。

35、反应生成的气体通过冷凝管之后 排出。 图图 1-31-3 氮化铁磁性液体合成装置示意图氮化铁磁性液体合成装置示意图 1 1四口烧瓶四口烧瓶;2;2电加热套电加热套;3;3恒压滴液漏斗恒压滴液漏斗;4;4真空表真空表; ; 5 5防倒吸导气管防倒吸导气管;6.;6.滴液斗滴液斗;7.;7.温度计温度计;8;8磁搅拌子磁搅拌子 XII 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。 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。 冷却阶段 撤除加热器，当反应温度降至 140时

36、，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。 1.5.2.21.5.2.2 检测结果检测结果 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。 1.5.2.31.5.2.3 结果分析结果分析 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。

37、 (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。 表表 1.51.5 前期反应温度前期反应温度 前期温度Fe(CO)5反应量g比磁化强度（cmug) 70101.24 80101.71 90102.49 表表 1.61.6 后期反应温度后期反应温度 后期温度Fe(CO)5反应量g比磁化强度（cmug) 150200.46 160201.50 170203.55 180205.34 (2) 反应时间的影响 XIII 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

38、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。 表表 1.71.7 反应时间反应时间 前后期反应时间minFe(CO)5反应量g比饱和强度（cmug) 15254.40 30256.38 60259.24 (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 -FexN 过渡到 -FexN 和 FexN 双相，FexN(235m/s、温

39、度80、压力 210MPa)。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。 XVIII (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。 2.2.1.22.2.1.2 磁性液体研磨磁性液体研磨 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

40、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 1926 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研磨内径 20mm 的长管内表面，可获得 0.28ummin 的最大去除速率；用粒度为 1um 的 SiC 磨料 PVA 锥形工具，可获得 0.04um 的最小表面粗糙

41、度；为了研磨细的 弯管的内表面，用旋转球获得 20ummin 的去除速率，用振动球能达到足够的 去除率。 2.2.1.32.2.1.3 磁性液体阻尼磁性液体阻尼 磁性液体阻尼器主要用以加大振动阻尼、减小共振、改善频率特征等，其 原理是当外面的非磁性壳体旋转速度有变化时，引起内部的磁极(包括磁铁)和 外部壳体的转动速度差，在外磁场的作用下，使具有一定黏度和饱和磁化强度 的磁性液体产生剪切力，这一剪切力带动磁极转动，直到消除于外壳的转动速 度差为止，从而减小了转动速度变化时的输出速度振荡。其特点是无机械磨损、 低频小幅、外加磁场的大小可以控制阻尼的大小等，目前已在步进电机、伺服 电机等领域广泛使用

42、。影响磁性液体阻尼特性的因素或者说在设计磁性液体阻 尼器时要考虑的主要是转动惯量和帕匹库常数。转动惯量 I=D432，帕匹库 常数 B=SD2t，其中， 为磁极密度， 为磁极长度，D 为磁极直径， 为磁 性液体的黏度，S 为磁性液体与磁极的接触面。 XIX 2.2.1.42.2.1.4 磁性液体润滑磁性液体润滑 磁性液体润滑是将纳米磁颗粒分散到润滑油中来实现的，这里润滑油作为 磁性液体的载液(常用的载液有双酯类和烷基奈类)。当磁性液体加入到摩擦副 中时，由于内含的纳米颗粒尺寸比表面粗糙度小得多，不会引起摩擦副的磨损， 而载液在摩擦副中可以起到与普通润滑油相同的润滑效果。除此以外，作为纳 米颗粒

43、的表面改性功能可以显著改善润滑油的悬浮稳定性，提高抗磨、减磨性 能；作为磁性纳米颗粒还可以在磁场的作用下控制润滑位置，完全消除润滑剂 的泄漏，使摩擦区的状态稳定；通过合理的磁场梯度设计，还可以增加磁悬浮 力，提高轴承等的承载能力。磁性液体还具有很好的热传导性，在摩擦副产生 的热量可以很快传出，从而可降低摩擦副的温度，改善润滑条件。 近年来，磁性液体润滑已经有了很多方面的应用，比如大型设备和高精度 高转速转动轴的轴承的润滑、计算机硬盘驱动器轴的润滑、机器人和精密仪器 关节的润滑、齿轮箱的传动齿轮的润滑等，这些都大大地提高了设备或部件的 使用寿命。 2.2.1.52.2.1.5 磁性液体在扬声器上

44、的应用磁性液体在扬声器上的应用 由于近代音响向高品质、高性能、数字化、微型化等方向发展，就要求提 高扬声器的动态范围和最大声压水平，以满足音响系统高水平的需要，为此必 须提高扬声器的输人功率。但输入功率的提高，会使音圈的温度相应上升，当 超过允许值时，音圈产生热破坏。如果在扬声器空气隙内的音圈周围注入磁性 液体不仅可以改善音圈的散热条件，还可以使音圈自动定位、提高扬声器的承 受功率、改善频率响应、减少失真等。采用注入磁性液体的高音扬声器、低音 扬声器均己商品化。目前国际上正研制专业音响中的超低音扬声器和汽车音响 用扬声器。 2.2.1.62.2.1.6 磁性液体在分离技术方面的应用磁性液体在分

45、离技术方面的应用 目前采用磁性液体已成功地用于比重法分离，其原理是把两种密度不同的、 需要分离的非磁性材料放人磁性液体中，然后在外加磁场的作用下使磁性液体 的密度为上述两种物质密度的平均值时，一种物质下沉，而另一种浮起，从而 达到分离目的。日本研制的比重分选机已成功地将玻璃和陶瓷分离开；俄罗斯 研制出成套砂、金磁性液体分选装置，其黄金采收率高达 98.6，处理时间缩 XX 短了 13。根据磁性液体的悬浮特性，研制出的“磁性液体表观密度测试仪” (已获得发明专利)，是通过测试磁性液体的表观密度来研究磁场的空间分布和 磁场梯度测量。 2.2.22.2.2 磁性液体在医学上的应用磁性液体在医学上的应

46、用 利用铁氧体型磁性液体中的磁性颗粒对 X 射线的吸收，可以用它代替硫酸 钡作为 X 射线造影剂，它在胃液中极少溶解，而且可以描绘细微病变和及时诊 断胃癌，比硫酸钡具有优越性。目前国内研究集中在镁锌铁氧体和锰锌铁氧体 上，用于牙齿治疗时 X 光摄影。利用磁性液体可以被磁场移动和定位，可以把 磁性液体用作靶向给药的载体，减轻治疗药物对身体其他部位的影响。德国科 学家就利用磁性液体作为辅剂，使抗癌药物借助磁液在磁场的作用下准确到达 肿瘤所在位置，使药物准确地作用于病灶，提高疗效，减少药物用量，从而有 效地减轻甚至避免化疗对人体的副作用。目前这项实验已在动物身上取得成功。 AJordan，RScho

47、lz 提出了一种新方法来治疗肿瘤。通过外界的交变磁场控制 磁液位置，利用磁性液体的人工高热效应(MFH)选择性地加热病灶，将肿瘤细 胞杀死，而其他位置则不吸收外界能量。这将是一种用来治疗神经肿瘤和前列 腺肿瘤的方法。 2.2.32.2.3 生物学上的应用生物学上的应用 利用磁性液体的分离技术，可以实现生物活性物质的提纯，鉴别微量有机 物、细胞和基因物质。据有关报道，科学家们把烟草花叶病毒和烟草哮喘病毒 分散在磁性液体中，通过施加适当磁场，成功地把生物群落如烟草花叶病毒和 烟草哮喘病毒取向。采用高梯度磁分离技术，从血液中成功地分离出红血球。 使磁性微粉的悬浮液与细菌细胞相粘结，获得比一般方法高得

48、多的灵敏度，如 利用酸性水基磁性液体可以富集肺结核菌。 2.2.42.2.4 其他应用其他应用 除此之外，磁性液体还在许多领域有着广泛的应用前景。如：磁性液体印 刷、磁性液体薄膜轴承、声纳系统、磁性药物、细胞磁性分离、磁性液体人工 发热器、磁性液体涡轮发电、光学开关、磁性液体刹车等等。 XXI 3 3 发展现状及前景展望发展现状及前景展望 3.13.1 磁性液体的发展现状磁性液体的发展现状 磁性液体的发展按纳米级磁性颗粒被利用的时间顺序及特性可以分为 3 个 阶段。20 世纪 60 年代初，第一代铁氧体磁性液体问世，60 年代初期，美国宇 航局将其用于宇航服和宇宙飞船可动部分的真空密封材料以及在失重状态下液 体泵的输送等方面。1965 年 S.S.Pappell 获得了世界上第一个具有实用意义的制 备磁性液体的专利，并用该法成功制备了庚烷、油酸和粉状铁磁矿的磁性胶体 溶液以及其他磁性液体火箭材料。 80 年代第二代金属磁性液体出现，这一阶段主要是磁性液体制备技术有了 突破发展和对磁性液体应用的一些有益探索。自 60 年代末期以来，美国、日本、 前苏联、英国等国家相继开展了磁性液体技术的研究。1979 年 Khafal-la 首次用 化学共沉淀法合成了磁性液体，促进了磁性液体制备和研究的飞速发展。 进入 90 年代，日本研制出第三代氮化铁磁性液体。第一代铁氧体磁性液体 问