磁性液体的应用

综 述

文章编号:1002-1124(2004)12-0045-03

磁性液体的应用

牛晓坤1,钟　伟2

(11黑龙江省化工研究院,黑龙江哈尔滨150076;21南京大学固体微结构物理国家重点实验室,江苏南京210093)

摘　要:磁性液体是一种特殊的新型纳米功能材料,是由磁性纳米微粒(一般要求小于10nm )均匀弥散于某种液体基液中所构成的稳定的胶体体系。磁性纳米微粒和基液浑成一体,因此,具有将磁性和流动性两者合而为一的特性,从而衍生出一系列新颖奇异的性质。本文简要介绍了磁性液体应用领域的最新进展。

关键词:磁性液体;应用

中图分类号:O044 文献标识码:A

Application of m agnetic liquid NI U X iao -kun 1,ZH ONG Wei 2

(1.Heilongjiang Proinvcial Chem ical Engineering Institute ,Harbin 150076,China ;

2.National Laboratory of S olid S tate M icrostructures ,Nanjing University ,Nanjing 210093,China )

Abstract :Magnetic liquid is a special kind of nanostructured magnetic material which consists of a colloidal suspen 2

sion of tiny (about 10nm )magnetic particles suspended in a carrier liquid.Magnetic liquid is a hom ogeneous and ultra 2stable fluid which conveys its combination of magnetic response and liquid state.In this paper ,we introduced briefly the advanced application of magnetic liquid.

K ey w ords :magnetic liquid ;application

收稿日期:2004-10-26

作者简介:牛晓坤(1978-),女,毕业于哈尔滨工业大学,现从事科

研管理工作。

尽管到目前为止,均一的液态强磁性物质尚在

探索之中,但从理论上讲,真正的均一的磁性液体是有可能存在的。目前,我们所说的“磁性液体”是通过在普通液体中均匀分散磁性微料的方法来“磁化”普通的液体,使它具有磁性,同时又保持液体的流动性[1]。因此,磁性液体的定义是:由纳米级(10nm 以下)的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,是一种性能独特应用广泛的新型纳米功能材料。磁性液体于20世纪60年代中期研制成功[2],最初由美国航空航天局将其用于火箭在无重力环境下的燃料控制系统及人造卫星磁热控制系统,随后逐渐转为民用。现在磁性液体无论在基础研究还是实际应用方面都取得令人瞩目的进展。磁性液体已形成较大的产业,在美、英、日、德、俄等发达国家都有专业的磁性液体公司,全球每年生产磁性液体器件达数千万件。本文简要介绍了磁性液体应用领域的最新进展。

1　磁性液体的应用

磁性液体的特殊性质开拓了新的应用领域,许多过去无法解决的问题,由于磁性液体的出现便迎刃而解,因此,在航天航空、化工环保、仪器仪表、医疗卫生等领域获得了广泛应用。

111　动态密封

磁性液体动态密封技术是不同于传统方式的全新的密封技术,也是磁性液体最成熟的商业应用,是第一个被开发、被商业化的磁性液体产品。这一技术已被应用于半导体处理、电子显微镜、质谱仪、离子和等离子蚀刻、激光器、X -射线衍射仪、热处理炉、计算机硬盘防尘、航空电子设备、单晶炉等晶体生长设备等等。与其它各种各样的旋转动态密封技术相比,磁性液体密封技术具有零泄漏、无固体磨擦、能耗小、寿命长等优异性能。通常橡胶圈密封的极限转速约为300r ・min -1,而采用磁性液体密封转速可达1000r ・min -1,短时间转速可高达100万r ・min -1。

利用磁性液体封油具有更加广阔的应用前景,但由于难度大,迄今鲜有公开报道[3]。

磁性液体封油的主要困难在于在高速旋转扰动下,磁性液体和被密封的油之间会发生相互溶解或

Sum 111N o 112 化学工程师

Chem ical Engineer

2004年12月

乳化现象,使磁性液体性能降低,耐压下降,导致密封失败。用于旋转轴封油用的磁性液体,其基液必须与被密封的油不具有相溶性,不发生破坏性化学反应,有较低的饱和蒸汽压。南京大学固体微结构实验室在上世纪90年代研制了新型憎油基磁性液体并探讨了该磁性液体在旋转轴动态密封上的应用,取得了很好的结果。在实验室转轴为16mm,转速为2500r・min-1,密封间隙为0110mm的模型机上,利用这种磁性液体密封油压为1196×10-2MPa的15号机油,连续运转了4600h,无任何泄露。

112　磁性液体轴承

在许多设备中,需要高精度的转动时会用到轴承。普通的轴承有3类:(1)精密机械轴承,(2)空气轴承,(3)油膜轴承。机械轴承的跳动为0125μm,空气轴承跳动很小,只有0105μm,但非常昂贵。理论上,油膜轴承几乎没有跳动,但是需要使油循环的油泵等辅助设备,或者是需要能使油不流失的密封装置。由于空间的限制,油的泄露和污染问题一直没有得到根本解决,制约了油膜轴承的广泛应用。

利用磁性液体制成结构紧凑的油膜轴承,泄露、污染等问题就迎刃而解了,是计算机高速硬盘的首选轴承。在磁性液体轴承中磁性液体既用于密封又用于润滑。

113　磁性液体分离

利用磁性液体的表观比重随外磁场强度能发生变化的性质,制成磁性液体分离器,用来分离不同比重的非磁性矿物质。通过改变磁场强度,使不同比重的非磁性物质分离开来。一般采用水基磁性液体,可循环使用。有报道[4]称:利用这种分离器选矿每小时可处理1t原料,分离后的产物中金的含量达9815%。

114　磁性液体阻尼器

在许多场合,要求步进马达高精度地精密运动。但是对于机电设备来说,存在着固有的缺陷影响马达的性能。步进马达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与减速。但是步进马达旋转到所需要的角度,并不会立即停下来,而是在平衡位置摆动,然后才逐渐稳定下来。另外在共振频率,马达会与脉冲输入不同步,损失输出力矩。过多的摆动影响马达的精确动作,增加噪音。磁性液体可改善步进马达的性能,与一般阻尼介质相比优点在于可借助外磁场定位。一般采用两种方法:(1)直接把磁性液体注入到以永磁体做转子的马达中;(2)附加一个磁性液体阻尼器。另外,地面、桌子或地板的震动会影响精密仪器,如天平、光学设备的使用。

将磁性液体阻尼器放在防震台的下面,可以有效隔绝各种震动干扰。

115　磁性液体扬声器

扬声器提供了一个天然的磁场环境,当扬声器工作时,很小的磁隙中产生很强的磁场。在这个小的磁隙中加入磁性液体,可以显著改善扬声器的性能。首先,合适黏度的磁性液体可以精密地阻尼扬声器,平滑频响曲线。其次,磁性液体的导热系数是空气的4～7倍

,可显著改善导热性能,因而,可提高功率一倍以上。另外磁性液体具有优良的润滑特性,可以降低由于摩擦产生的音响失真,提高保真度。

116　磁性液体开关

在一个不导电的容器中封装水银和磁性液体。水银是导电的,而磁性液体是绝缘体。用电磁铁使磁性液体的表观比重增加,将水银顶上,开关接通,无磨损磁性液体开关见图1。

图1　磁性液体无磨损开关

一种新型的离心开关,它不需要外加动力,可以监控转轴的转速。将磁性液体密封在一个非磁性容器中,然后固定在转轴上。当转轴静止时,磁性液体沉在容器下部,安装在上部的磁性传感器检测不到磁性液体。当转轴旋转时,磁性液体由于离心力的作用分布于容器的内壁,磁性传感器就可以检测到磁性液体,见图2。

(a)静止态,(b)旋转态

图2　磁性液体离心开关

117　磁性液体研磨

64牛晓坤等:磁性液体的应用 2004年第12期