磁流体密封

2.1.2 载液
基液不同，可生成不同性能、不同应用领域 的磁性液体，如水基、煤油基、二醋基、烃基， 聚苯基、硅油基、氟化烃基，氟炭基，金属有机 化合物，镓、汞、钒、铟锡合金等液态金属等。 对于磁性液体润滑和密封来说，通常选用矿物油 和硅油机体；碳氢化合物机体基体的磁性液体通 常用作分散和打印设备；医学上应用的一般为水 基体的磁性液体。通常液体基体需要有低的蒸发 率，无毒，抗腐蚀介质和不溶于特殊介质等特性。
磁流体密封
兰州理工大学
磁性物理与磁技术研究所
1 磁流体简介
磁流体技术出现于20世纪60年代。 1965年Papel. S.S获得世界上第一个具有实 用意义的磁流体专利。60年代初，磁流体首 先由美国NASA在宇宙飞船的活动仓和过渡仓 的密封中应用成功。磁流体正广泛地应用于 密封技术、传感技术、阻尼技术、发电技术、 医疗技术和印刷技术等。一些新的应用领域 不断出现。
磁流体密封有以下特征:
不需要外部动力； 运动件和静止件之间无刚性接触，因此无磨 损； 运动时和静止时均无泄漏； 具有自行修复能力； 低的摩擦转矩和功耗； 长而可靠的使用寿命（正常寿命10年右）。
2 磁流体的性质
2.1 磁流体的基本组分
磁流体是磁性粒子、载液以及分散剂（表 面活性剂）三者组合而成。分散剂（表面活性剂） 包覆在超细的磁粒子上，使之弥散于基液中，从 而形成一种稳定的固液混合二相胶体。在磁场作 用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的 液体一起运动，因此好像整个液体具有磁性。这 种胶状液体既有固体磁性材料的磁性，又有液体 的流动性，它具有与固体磁性材料和液体物质所 不同的特殊性质。
磁性颗粒非常小，属零维纳米材料（所谓零维纳 米材料是指材料在三维尺寸上具有纳米材料的特征）。 铁氧体等颗粒的直径约为10nm（100Å），金属磁性 颗粒的直径约为6nm（60 Å）。在这样小的尺寸下， 强磁性颗粒已丧失了大块材料的铁磁或亚铁磁性能， 而呈现没有磁滞现象的超顺磁状态，其磁化曲线是可 逆的。磁性颗粒的磁偶极矩之间的静磁作用被分子间 的热运动，即布朗运动所削弱或抵消，而不致互相集 结，磁性颗粒在基液中作无规则的热运动。磁性颗粒 的尺寸小，可以防止聚集和沉降。磁性液体胶体体系 的稳定性是由磁性颗粒的热运动来决定的，这种热运 动随着粒子尺寸的减小而增加。但是磁性颗粒的尺寸 又不能太小，当粒子直径小于1~2nm时磁性能就会消 失。
磁流体 密封在 液下泵 上的应 用。
谢 谢！
利用磁性液体可被磁控的特性，人们利用环状永磁体在旋 转轴密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约 束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环，且没有磨损，可 以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的 应用之一。在电子计算机中为了防止尘埃进入硬盘中损坏磁 头和磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。 在精密仪器的转动部分，如X射线衍射仪中的转靶部分的 真空密封，大功率激光器件的转动部件，甚至机械人的活动 部件亦采用磁性液体密封法。此外，单晶炉提拉部位、真空 加热炉等有关部件的密封等，磁性液体是较为理想的动态密 封方式之一。
用作磁记录材料。近年来各种信息量飞速增加，需 要记录的信息量也不断增加，要求记录材料高性能化， 特别是记录高密度化。高记录密度的记录材料与超微粒 有密切的关系。例如，要求每1cm2可记录1000万条以 上记录，那么一条信息要求被记录在1~10mm2中，至 少具有300阶段分层次的记录，在1~10 mm2中至少必 须要有300 个记录单位。若以超微粒作记录单元，记录 密度大大提高。磁性纳米微粒由于尺寸小、具有单磁畴 结构、矫顽力很高的特性，用它制磁记录材料可以提高 信噪比，改善图象质量。作为磁记录单元的磁性粒子的 大小必须满足以下要求：颗粒的长度应远小于记录波长； 粒子的宽度（如可能，长度也包括在内）应该远小于记 录深度；一个单元的记录体积中，尽可能有更多的磁性 粒子。
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鉴定结果
2004年12月18日由甘肃省科技厅组织鉴定
研究结果：
密封压力:30kgf/cm2(国内已报道密封压力:0.5-3kgf/cm2)； 转速:>2万转/分； 专利:实用新型专利两项，发明专利一项； 论文:5篇，其中两篇被EI检索； 解决生产急需一项：中美合资丹东安顺微电子有限公司的一台 美国伊顿的NV-3204离子注入机的束流开关控制开关上的磁流 体密封失效（已运转十年）。曾多方求助无方（曾去中国电子 总局，原电子部绵阳九所（专门从事磁技术研究），兰州大学 磁性材料所），后经兰州大学推荐到兰州理工大学磁性物理与 磁技术研究所，该问题得以圆满解决。
图1，磁流体结构示意图
2.1.1磁性粒子
常用的磁性颗粒有：
1) 非金属颗粒：亚铁磁性的铁氧体，Fe3O4、等； 2) 金属颗粒：铁（Fe）、镍（Ni）、钴（Co）、钆 （Gd）等； 3) 合金：FeCo、FeC、FeNi、Fe-CO-Ni等； 4) 氮化物：Fe3N等； 5) 化合物：Co-Fe3O4.、CoFe2O4和NiFe2O4等。
它在粒子表面形成一层长链分子粒子表面的活 性剂如同弹性垫，隔开了磁性粒子，以防止粒子因 范得华力和磁力作用而聚集，布朗运动使其在基液 中均匀分布分散剂的高分子的链要足够长，以致颗 粒接近时排斥力应大于吸引力。 此外，高分子链的 一端应和磁性颗粒产生化学吸附，另一端应和基液 亲和，分散于基液中。分散剂通常选择带有官能团 如：OOH、H2OH 、H2NH2的长链分子。这些长链 分子的作用是通过这些官能团和磁性颗粒相互作用， 在磁性颗粒表面形成单分子层的紧密连接。长链分 子必需和载体的极性相同，才能不会阻止维系胶体 体系稳定的热运动。每一种磁性液体和应选用一种 对应的表面活性剂。
用作阻尼器件。磁性液体具有一定的粘滞性，利 用磁特性可以阻尼掉系统中不希望产生的振荡模式。例 如，步进电机是用来将电脉冲转换为精确的机械运动， 其特点是迅速地被加速和减速，因此常导致系统呈振荡 状态。为了消除振荡而变为平滑的运动，仅需将少量磁 性液体注入磁极的间隙中，在磁极作用下磁性液体自然 地定位于转动部位。 磁性液体还有其他许多用途，如仪器仪表中的阻 尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中 的照影剂等。
密封的重要性
20世纪70年代，苏联“联盟11号”飞船顺 利完成进入礼炮1号空间站各项任务后，在 再入大气层前，实施返回舱和轨道舱分离时， 连接两舱的分离插头分离后，返回舱的压力 阀门密封失效，返回舱的空气从该处泄露， 舱内迅速减压，致使3名宇航员因急性缺氧， 体液沸腾而死亡；
20世纪80年代的美国哥伦比亚航天飞机由 于动力箱的密封失效而坠毁，7名机组人员 全部遇难。
2.1.3 分散剂-油酸、丁二酸、氟醚酸
为了使磁流体中磁性微粒不相互于吸引，或不 因重力场作用而引起的沉淀，在磁性颗粒制取过程 中正确的选择分散剂，使其与载液性能相匹配以及 把掺与载液中磁性微粒直径控制在小于10nm以下。 微粒间的电偶极相互作用可以被分散剂所克服，使 粒子间不能靠近。重力场所引起的沉淀作用，因分 散剂的作用以及微粒在载液中的浓度远小于100% （浓度大约10%左右），因此不易沉淀。为了防止 颗粒间由于静磁与电偶矩的相互作用而聚集成团， 产生沉积，每个磁性颗粒的表面必需化学吸附一层 长链的高分子或聚合物分子膜，这层膜厚1～2nm， 并且是单分子层。此即为表面活性剂。
8 用于高速摩擦的磁流体密封结构
0 – 极齿, 1 – 法兰， 2 – 托架， 3 - 磁极1， 4 – 挡板1，5 – 永磁体， 6 – 压板2，7 – 磁极2， 8 – 压板，9 – O型密封圈， 10 – 接环， 11- 挡板， 12 – 轴，13 – 紧定螺栓
图 16 高速磁流体密封结构
13 磁性液体的主要应用
评价磁流体性能的指标：
1），基体液体要有低的蒸发率， 2），磁流体要有较高的物理性能，即磁性能， 3），磁流体要有较高的化学性能，即抗腐蚀性 和不溶于其它特殊介质的性能， 4），无毒无污染。
图1磁流体密封结构原理图 （1磁流体密封装置的外轮廓线，2密封盒，3永磁体，4导磁体，5磁 流体，6轴，7磁力线，8磁流体密封装置的中心线）
磁流体可以作为新型的润滑剂。通常润滑剂易 损耗、易污染环境。磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅 为10纳米单位，因此不会损坏轴承，而基液亦可用 润滑油。只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油 约束在所需的部位。 增大扬声器功率。在音圈与磁 铁间隙处滴入磁性液体，由于液体的导热系数比空 气高5~6倍，从而使得在相同条件下功率可以增加1 倍。磁性液体的添加对频响曲线的低频部分影响较 大。通常根据扬声器的结构，选用合适粘滞性的磁 性液体，可使扬声器具有较佳的频响曲线。