茵茵酱
ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅＭａｇｎｅｔｉｃ—ｆｌｕｉｄｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
杭州应用工程技术学院（３１００１３）王瑞金
【要】简要介绍７目前国内外磁性流体的类型、性能、组成和制作方法，并各磁流体应用技术的原理和特点作１较为体的论述，最介绍７磁流体及其用技术
动向。
关键词磁流体制作
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ
组成应用发展动向
ｍａｇｎｅｔｉｃ—ｆｌｕｉｄ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄ
磁流（或称磁性流体，Ｍａｇｎｅｔｉｃｆｌｕｉｄ，另外还有一专用名：ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄ）是由０．１～５００ｎｍ的导磁材料、分散剂和载体融合而成的胶体（图ｌ是磁流体的结构模），具有许多特殊的功能，是目前国内
１．磁流体的分类
到目前为止，磁流体还没有系统的分类方法，不过按业内区的方法，可
何磁现象，磁场对磁流体的作用力表现为体积力。可发的应用产品有：磁流陀螺、磁流体打印机、加速度表、通信维、人肉、磁带磁迹显示、移位寄存器、磁性显影剂、软磁路、磁流体水平仪、磁墨水和磁印刷，医药上的物导航载体、外科用磁刀，磁体封、磁流
２）磁流体在外磁场的作用下，具有磁感应浮力。开发的产品有：选矿装、无摩擦
｝奉∞如见的■”铁
镍流体、稀有金属磁流体（如最新的钆磁流体）、台金磁流体（铁磁流体和锰一铁磁流体等）和掺杂磁流体（如料微球掺杂磁体、金
磁流体）。
一一一一一
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磁热转换器、磁流体制冷机、热交换器、音响
５）磁流体具有双折射性能、双向色性及法拉第旋转等特点。可的应用产品有：光传感器、电流计、光快门、光稳定器、光
６）有很好的润滑性能，可开发的应用品有：磁性润滑、磁流体承、拉加
此外，磁流体还有与纳米粒子相同的小尺效应、表面效应、量子尺寸效和宏观子
３．磁流体的性
１）饱和磁化强度（单位：Ｇｓ）表示磁流体外加磁场的作用下可产生的最的磁性，般
３０００
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器与乳揖的等外制滞产。排碰呻品
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２）载液分有水基、烃基、煤油基、汞基、酯基、合金基和有机化合物基磁流体（也可按分散剂种类分，如油酸磁流体、丁二磁流体和氟醚酸流体等，但要说明是这种
３）按应用领域分有密封用磁流体、润滑用磁流体、医磁流体、扬声器磁流体、印刷打印用流体、能转换
４）按性能指标分有低粘度和高粘度磁流体、低挥发损失和高损失磁流体、高饱和磁化强度和低饱和磁化度磁流体、重流体
２．磁流体的性能和可开发的应用产品磁流体有许特殊的性能和相应的应用产品，总起来主要以
１）磁流体在磁场的作用下，磁化强度随外磁场的增加而增加，直至饱，而外磁去
Ｇｓ范围。但据有关资料，现在已经可以到近Ｇｓ的磁流体，是磁体应用术
ｉ００００
的一个技术指标。
２）粘度（单位：ｃＰ）表示磁流体的流动性能，是体力学和流变学的重要参数，会对磁体应用技术生
３）磁性颗粒直径（ｇａ位：ｎｍ或０．１ｎｍ）表示磁流体的磁性颗粒的粗细度，是响四
．１Ｅ．
《新技术新工艺》?机械加工与自动化２００１
本素（小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子道应），也是影响磁流体稳定性、饱和磁化强、热力学性等的
４）挥发损失量［单位：ｇ／（ｃｍ２?ｈ），一般在８０℃下测］是磁流体挥发性的指标，与磁流体的寿命、蒸气有密切关系，要由载
除此外，还有许多性能指标，如比重、表面张力、导热系数、温度特性、磁化率、复磁化、率特性、超导性能、耐蚀性、沸腾二相管流特性、各向异性、磁共振能、磁性弛豫时间、体动力学
４．磁流体的制
１）磨法即把磁性材料和活性剂、载液一起碾磨成极细的颗粒，然后用离心法或分离大颗粒分离出来，从而得到所需的磁流体。这方法是最直接的方，但很难得到３００ｎｍ以下
２）胶法是铁盐或亚铁盐在化学作用下产生Ｆｅ。ｏ。或７一Ｆｅ。Ｏ。，然后加分散剂和载体，并加以拌，磁颗粒吸附其，最后加热后将胶体和溶液分开，得到磁流。这种方法可得到较小颗的磁流体，且成本不高，但使用于非
３）热分解法
是将磁性材料的原
Ｆｅ３０４和Ｆｅ３０４
图３
ＣＶＤ法原理图
磁体、日本有人用电化学的方法制得以汞为载液的磁流体、用紫外线分解法制得Ｎｉ磁体等等，这不
磁流体应用技术
磁流应用技术是指利用磁流体的某个或某些特性，解决特殊技问题而进行相应的产品设计。前述的流性能和相应开发的产品中已经可以了解到，磁流体应用范围是相当广泛的。下面就目前应用较为广和成熟的
介绍。
１．磁流体密封技术磁流体密封在我国是应用最为广泛最早的技术。磁流体密封装置由无磁性、轴承、极、
Ｃｏ：（ＣＯｌ。或Ｆｅ（ｃｏ）。等］溶入有机溶剂，然热分解出游离金属，再在溶液中加入分散后分离，溶载体
粒运动到下地液中，混合均匀就得到流
纳米粒Ｆ与分散剂
图２放电法原理图
和，从而产生密封
一般磁流体密封只适合于低压（大干８１０．６～
１０１３．２，５
方法得到的磁流体微粒很细，一般在２～１０ｎｍ的
５）放电法（见
其原理与电火花
ｋＰａ时就比较困难，需用如压力
法行处理），对于旋转运动、移动和摆动等磁流体密封都可以。磁流体密封的特点主要是密封可靠、无泄漏、机械磨损、寿长、
磁流密封目前在单晶硅炉、离子溅射、化学气相沉积、离子镀膜、液晶显示等真设备，算机硬盘、机器人及军工产品等环境要求较高设备上均已采用磁体密封装置，产品量和经济
２．磁流体润滑技术
仿，在装满工作液（经常与载体相同）的容器中将磁性材料粗大颗粒放在２个电之间，后加上脉冲电压进行电火花放电腐蚀，在工作中凝固成微小颗粒，把大颗粒滤去后加
６）ＣＶＤ（或ＰＶＤ法）
其原理与ＣＶＤ（或
ＰＶＤ）相仿（见图３），由Ｎｚ、Ａｒ和原料［Ｆｅ（ｃｏ）。］组成的混合体正电极吹接
．，。．
《新技术新工艺》?机械加工与自动化２００１
磁流润滑是将有效磁粒子加入到润滑油中来实现的，这里滑油作为磁流体的载液（用的载液有酯类和烷基萘类）。当磁流加入到摩副中，由于内含的米粒子的尺寸比表面粗糙度小得多。不会引起摩擦副的损；而载液在摩擦副中可以起与普通润滑油相同的润滑效果。除外．作为纳
体，利磁流体的良好的导热功能和减振减磨功能，增大扬声器的功率、改善率特性、减少材料消耗和延长使用寿命。扬声器流体在使用中要磁流体的选择、磁流体的注入量、磁流体飞、音圈材质题，一地，以音圈传热为日的流体应选择粘度高、饱和磁化强度高的磁流体；而注入量可根据磁隙的大小来确，以充满的８０％～９０％为；磁流体在振大的情况Ｆ产生飞溅现象，需进行特殊的密封设计；音圈质须适合磁流体性能，尤是要适合磁流
５．磁流体阻尼器
改善润滑油的悬浮
定性，提高抗磨减磨性能；作为磁性纳米粒子还以在
图５滑动轴承２种润
磁流体阻器是用以加大振动阻尼、减小共振、改善频率特性，其原理是当外面的非磁性壳体旋转速有变化，引起内部磁极（包括磁铁）和外部壳体的转动速度差，在外磁场作用下，一定粘度和饱和化的磁流体产生剪切力，这剪切力带动磁极转动，直到消除与外的转动速度差为止，减小了转速度变化的输出速度的振荡。其点无机械磨损，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、伺服电机等领域中广泛使用。磁流体阻尼器特性的因素或者说在计磁体阻器时要考虑的，主要有转动惯量和匹库常数，而转动惯量，一ｐＴｒｌＤ４／３２，帕匹常数Ｂ一栖Ｄ２／ｔ，其中Ｐ磁极密度，７为流体的粘度，Ｓ为
６．磁流体传感
磁流传感器是指利用磁流体的某个或某些特性设计传感器，目前主要用于量控制仪、矿物筛选器、倾角仪、比放大仪。流控制仪是利用流体在不同磁场强度下粘度不同的特性把电信号变为磁流体压力差，推动滑产生位移，从而实现对流体流控制。矿
滑的压力分布情况
下控润滑位置，完全消除润剂的泄漏，使摩擦区的状态稳；通过合理的磁场梯度设，还可咀增磁悬浮力，提高轴承等的承能力，５示即为磁流体润与普通油润滑时滑动轴承在承受相同载荷时的压力分布况；磁流体具有很好的热传导，在孽擦副产生的热量可以很快，从而降低
近年磁流体润滑已有了许多应用，如大型设备和高精度高转速的转动轴的轴承的润、硬盘驱动器轴的润滑、机器人和精密仪器关节润滑、齿轮箱的传齿轮的润滑等，大大高了设
３．磁流体研磨技术磁流体研磨的方式较多，其中典型的是磁浮置研磨，其理如图６所示：使用３个以上的永久磁铁（不同于磁，其不需消耗
图６磁流体浮置研
匀外磁场作用时，磁流体被高磁场处所吸引，使于磁流体中的非磁性质向低磁场处漂浮，从而达到筛选的的。倾仪利用磁流体自浮变化，探测浮在容器中的磁流体位移而达到量目的。比例放大器是利外加磁场对磁流体的控制，使流体喷射流
极性不，由此产生的等磁力线在中心磁铁上方呈凹形，添加的磨粒就悬浮此处。工件的旋转作用下，磨粒与工件间就生磨削作用，当增磨粒浮置力时，可增大垂直方向的磁场度，当要增大力时，可增加水平方向的磁场。影响磁流体研磨质量和效率的因素有粘度、温度、磨粒大小、磨粒添加率、磁场强度和磁流体的磁感应度。目前已在空、航天、车辆、电子、仪表等的精密零件的研中到应用，还可用光学透镜、弯管内孔等复
４．扬声器磁流体
扬声器磁流体指的是在扬声器音处
磁流体技术的研究现状
磁流应用产品的开发最先源于美国，首先在２０世纪６０年代，为了解决航天器上（如航天飞）的密问而进行研究，以后才逐步扩大另外的研究方向和领。目前日本、美国以及欧一些国家，在磁流体能及磁流
．１７．
《新技术新工艺》?机械加工与自动化２００１
定程度研究和开发，但从最近的第７届和第８届磁流体国际会议学术交流况看，研究主要集中在磁流体的制作和保存、流体的物理化性、磁流体的流体力学和动力学、热力学及热力学性能，光效、流变学、浑沌和奇异、磁流体实验技术等。而磁流体的应用方面相对较少，原因主要有：磁流体和微观机理掌握不够，应用来难度大；关数据较少，定量计算困难；磁流体相关性能测试标问题还不完善；能出于商保密而没有
目前较为熟的应用是磁流体研磨、磁流体闸、阻尼器、比重计、音响装置及一些传器等，对于压＞０．５ＭＰａ、速度＞３５ｍ／ｓ、温度＞８０℃时的磁流体密封，磁体制冷装置、印刷与制版、磁光计算机等很少研究应用，只是在如本、美国磁流体发较早的国家有初步究和开发。从最近的一些资料显示，目前磁流体的发展有２个方向：一是磁流体的基础研究，主要流体各组成成分对磁流体性能的影，磁流体各种现与性能的微观理；二是磁流体的应用研究，主要有研磨、润、封、热传导、振动、制、医、感器、印刷、光
在我国，笔者认为要在以下几方面进行努：１．根据不同应用领域磁流体要
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ｏｆ
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开发不同性能的磁流体；方式上主要拓
粒材料、分散剂和载液或复合载液的选择面、化制
２．制和推广磁流体应用产品和应用领域，特别是要推广原理上已经成熟的应用产品，如磁体密、流体润滑等。在新产品开发方面，要对国民经济、会、环境等产生重要响的产品加大开发投入，磁流体制
３．加强磁流体基础研究，特别是磁流体的物理化学性能、体力学和流体动力学性能、频率特性、磁效应和性能、热
４．加强磁流体研究队伍的建设，使更多的大专院校、研机构甚至工业企业投入到磁流体的研和相关产的开
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责任编辑周守清
．１８．
《新技术新工艺》’机械加工与自动化２００１
磁流体技术的应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被
王瑞金
杭州应用工程技术学院新技术
NEW TECHNOLOGY & NEW PROCESS2001(10)30次
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本
磁流体密封的原理和应用
磁流体密封的原理和
磁流65:密封的原理和
浙江科技学院磁流体研究所(浙江310012)王瑞
一
,前言
磁流体(Magneticnuid)是由0I,3Ohm(
流体密封的磁流体为这个数值)的导礁材,
载体融合而成的胶体,具有许多特殊的功,
内外尖端的纳米技术
磁流体密封自20世纪60年代发明以,
泛的应用,其主要包括动态过程密封,隔密
机械密封和环境密封四个方面,由于这种封
性能好(真空密封时可满足l0..的真度的
几乎无泄漏(泄漏量最高可小于l0J/(P日?1).
因密封产生的阻尼小(效率可达99%),使
(一般可长达10年之久,且更换磁流体还
用)等优点.我国从90年代起在动密封求
设备上,如硅单晶炉,离子溅射化学气沉
镀膜,液晶显示等设备,以及计算机硬盘,机
工产品等环境要求较高设备或部件E也开推
本文就磁流体密封的原理,性能特,测
和应用等几方面介绍磁流体密封技术,广
封在,从而达到密封效果.一般地每密封
生002—0.08MPa的压差.整个密封装能承
一般来说磁流体密封只适合于低压 就为级
(大于1—2MPa时就比较困难,需进行如压
方法进行处理),对于旋转运动,移动和动
使用.
一
\<{l\]\”fx//,/’
——————一
.
匿1避流体密封的结构原
1,3.O形密封图2无硅性座4采久磁5
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通用鲫蔚
磁流体密封有密封可靠,无泄漏,无学磨
命长,工作效率高等特点.图2是磁流体封
观图.
西(a】(b)
图2磁流体密封装置的
(a)实心轴带冷却(b)空心不
2.磁流体密封的性能
磁流体密封的性能测试包括以下指标:极限
力,泄漏,使用寿命,功率损失,极限真度
性,其中前三个项目最为重要.以上指标多
所示的试验装置中测量或模拟
3
2
图3磁流体密封性能测试
1.真空泵或压力泵2.截止阀3.溢流阀4.空腔
5.密封圈6螺纹联接7.磁流体密封装置8.电动
9.真空表或压力表lO.
(1)限耐压能力起动电动机,使轴要求
旋转,同时用压力泵使压力腔内的压力增,
以调定最大压力,当压力增加到一定的数
上的标值会突然降低,这时的压力就是所的
能力.耐压能力与磁流体性能,密封装置密
密封间隙,轴的转速,温度等有关.在试研
以改变以上因素,并测得其极限耐压能力,从
同因素对耐压能力的影响.耐压能力的位
(2)泄漏先将图3所示的系统以真密封
抽真空,真空表会显示真空度,当真空度到
时,用氦质谱检漏仪检验除磁流体密封以所
密封情况;然后开起电动机和压力泵,把力
增大到试验要求,再关好截止阀,每经过定
察和记录压力表的数值,最后可根据测得压
确定泄漏情况.泄漏的单位为:m3/(Pa?s).
对真空密封时用l×10-1std.cc/sHe质谱漏
测得泄漏.
(3)使用寿命使用寿命的测量无法耐压
泄漏一样直接测量,需要把旋转速度,磁强
体的饱和蒸汽压等按一定比例放大或缩,
拟试验,测得模拟使用寿命,最后换算为用
用寿命的单位为h.
(4)功率损失功率损失即是用磁流密封
行功率传递时输入功率与输出功率之差,可
率来表示.其主要由轴承的效率决定,因密
体引起的功率损失很小,只是旋转时磁流被
化为热量部分.一般磁流体密封装置的动
99%.功率损失的单位为kW.
(5)极限真空度极限真空度是指对真空
况下密封装置可以达到的最大的真空度.般
密封装置可以长时间稳定地达到l0Pa真
量真空度时必须使真空腔的体积尽量小,具
(1),(2)指标相同,真空表上显示的是真
空度的单位为Pa.
(6)溅射特性溅射特性指的是液体封圈
磁流体溅射特点和重新愈合.如图4所示,在
压力相同时,磁流体的状态为图4a,当侧的
左侧时,磁流体发生弯曲(图4b),当侧的
于一定值时就有气泡穿过磁流体(图4c)如果
差很大时,磁流体就会被击穿(如图4d,e),
磁流体有可能只在磁流体中间产生一窄通,
产生溅射(图4e).由于击穿后磁流体侧的
相同,则磁流体又会重新愈合,恢复耐压
流体密封的一个很重要的特点.而且磁流的
能使装配时磁流体分布的不均匀变得均匀,另
每个磁流体密封装置在刚加压时均会产这
图4磁流体在密封装置内的
3.磁流体密封的密封能力
由于影响磁流体密封装置耐压能力的素很
钏通用卸奠?o5年第2期
从理论上直接推导出耐压能力的计算公式当
前只有一些近似计算公
目前设计中参考和使用得最为常见简便
(单级密封)
?p=s(1)
式中Ap——承受的压差,单位Pa;
——
磁流体的饱和磁化强度,单位Gs;
日——磁场强度.单位Oe.
如磁流体的饱和磁化强度为500Gs,隙
强度为15000Oe,理论上可承受60kPa的压
安全系数1.8,可承受33kPa的
但是这个公式是建立在扩展的伯努方
上.只考虑磁流Ap=/ZoM日詈sina+1(3)
式中叩.——磁流体的动力黏度,
根据式(2)计算,当间隙为0.3mm,极
0.3—0.5mm时,与式(1)相符,如隙很
0.05mm时,式(2)的计算值远远超过
值,与试验值较为接近,见
4.影响磁流体密封耐压能力
影响磁流体密封耐压能力的因素很多,主要
体,磁场构型和强度,磁流体密封结构参和使
(1)磁流体磁流体的饱和磁化强度影响
密封的主要因素,这从前面的近似计算公中
到.影响饱和磁化强度的因素涉及到磁流中
的大小和分布,磁性微粒的浓度,磁性微的
磁流体的黏度也会有所影响.磁流体的载主
2oo5年第2期
所密封的介质的混合和反应影响密封能力.
入量对密封能力的影响见图6.
山
\
R
出
窿
密封间隙/mm
图5间隙对磁流体密封耐压能力
(饱和磁化强度500Gs磁场强度12000Oe极齿宽
\
涩
窿
图6磁流体注入量和耐压能力
(饱和磁化强度500Gs磁场强度12000Oe极齿
转速3000r/rain密封间隙O.25mm)
(2)磁场构型与强度磁场强度对密耐压
影响很大,几乎成正比关系.但磁场构型影
杂,主要受磁流体密封结构等的影响,如封
齿形状与尺寸,磁铁大小,极齿和导磁轴料
等.另外磁场强度与磁流体的饱和磁化度
求,如果磁场强度很大,但磁流体饱和磁强
密封能力也不好,最佳的匹配是磁场强度到
体刚好达到磁流体的饱和磁化度
(3)磁流体密封的结构参数极齿形与尺
义见图7.
通用朝簟
图7极齿形状和
???加????加0
磁流体密封的结构参数主要指密封间(有
工作气隙),极齿形状和尺
密封间隙对密封能力的影响可见
各参数对密封能力的影响见图8,
(4)其他因素轴的转速对磁流体密能力
可见图lO.
\
穗
出
遣
\
穗
出
遣
\
穗
出
遣
极齿高度/间隙
图8极齿高度与密封能力的
(饱和磁化强度500Gs磁场强度120000e
极齿宽度0.25mm密封间隙为0.25mm)
极齿高度/密封
图9极齿宽度与密封能力的
(饱和磁化强度500Gs磁场强度120000e
极齿宽度0.25mm密封间隙为0.25mm)
转速/(r/rain)
图10转速与磁流体密封能力
(饱和磁化强度500C,s磁场强度120000e
极齿宽度0.25mm密封间隙
0.05mm,0.15mm,0.25mm,0.35mm,0.45ram)
三,磁流体技术的应用和
1.磁流体密封技术的
(I)动态密封是最早开发和应用的流体
术,其应用领域包括半导体加工,光学纤,
x射线装置,热处理设备,硅单晶多晶炉航
术等.这种密封体系的主要特点是:密封能
密封时可满足10Pa的真空度的要求),几
(泄漏量最高可小于l0m3/(Pa?S)),因密
阻尼小(效率可达99%),使用寿命长(般可
年之久,且更换磁流体后还可继续使用).但
密封,高速密封和高温密封则需要进行同
于高压密封,由于密封能力主要靠各级密(
可密封20—80kPa)的压力和,而且当封级
定的级数(一般为70—80级)后,密能力
高,所以一般采用压力平衡或组合密封的式
高压力的密封;高速密封主要考虑磁流体离
动中产生的热与温度,温度过高时需采用环
离心力的限制主要与磁流体的性能和磁场度
温密封则是磁流体密封最薄弱的,由于温超
铁和磁流体许可温度后,磁场强度急剧下,
饱和磁化强度也急剧下降,从而使密封装失
力.
(2)隔绝密封是利用磁流体来对关元件
护的密封方式.现已把此类密封应用于各门
如纺织,计算机,机械和自动化设备上.在
中,磁流体隔绝密封用来保护电动机轴免
染.磁流体密封可保持磁盘驱动器的主轴专
磁盘空腔的环境清洁,磁流体良好的导热导
使硬盘驱动器的热及时传出和防止产生电
盘记忆的可靠性.在机床中磁流体密封可含
削液和轴衬润滑油之间形成可靠的隔绝层,从
承寿命.为了保护半导体生产车间的清洁器
污和微粒的污染,机器人所有的运动关节采
密封来保证极高的环境要
(3)特殊机械密封是把磁流体密封用于
殊目的的密封,压力范围一般在10一106Pa,如应用
最多的真空密封,铰孔阀和压力聚集器,流
水陆两用坦克动力传递轴的密封等,具有封
构简单,维修少,寿命长等
GM爱用枷?2OO5年第2期
如?如加
(4)环境密封在环境保护中起着重
工厂,核电厂,冶炼厂等排放污染环境的发
危险物的位置,除了配件,阀门和接头外,主
采用一级机械密封和一级磁流体密封,可泄
水平降到零.普通的环境磁流体密封压力
Pa,温度小于80?,转速小于5000r/min,
有使用超过8年无泄漏的报道.当然所选磁
与环境气体相匹
2.磁流体密封技术的
磁流体密封技术的发展方向将是”深,广,
具体的说:
(1)进一步深入研究磁流体在密封的作
研究流体力学和动力学因素在振动,偏心,离
力竞争中的影响,以及在不同磁场,磁流,
和气氛(如气体,流体或尘埃)等条件下优
(2)广磁流体密封在各种设备中的使,
封,压力平衡和某些特殊处理拓宽磁流体封
围(如线速度>35m/s,温度>80oC,压
MPa),提高磁流体密封各项性能指标,加强
和生产企业的合作,把各种不同种类和性的
封推向实际应
(3)以各种新材料,新工艺制作具有异
流体,开拓新的研究领域和应用领域,设出
用实例.
附录:国内市场产品的性能
家耐压能力/MPa泄漏/(in/Pa.s)极限真空度/Pa速度范围/(m/s)寿命/d工
日本FERRO公司?0,2O10—12lO一0,8010多种
美国FERRO公司0,2010—12l0一0,8010多种
杭工院磁流体研究所0,25x10一l1l0—60,355,8多种
杭州维科磁电技术公司0,25x10—11lO一60,355,8多种
株洲维格磁流体公司?0,l4x10一04×l0一0,lO5,8多种
899厂0,2不详1.33×10一0,25
其他研究机构(
0,l05×10—115×10一0,355,8多种
大学,湘潭大学
?其数据来源于公司广告文
?其数据来源于文献[7].
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机械,2002(1)GM
(收稿日期:2004/11/08)
l
通用棚簟
磁流体的制备、性质及其应用
磁流体
王毛兰 胡春华# 罗 新
(东华理工学
摘 要 概括介绍磁流体的组成、性及其分类。磁流体主要由纳米磁性
活性剂三分组成，它有超顺磁性、磁光应、磁热效应等特性。重点阐述了
及其在密、研磨、润、选矿、阻尼、传器、扬声器、生物医学等方面的应
用前景
关键词
The Preparation Methods,
Characteristics and Application of Ferrofluids
Wang Maolan, Hu Chunhua#, Luo Xin
(The Applied Chemistry Department of East China Institute of Technology, Wuzhou 344000)
(# Institute of Environmental Science and Engineering, Nanchang University. Nanchang 330029)
Abstract The composition and the characteristics of ferrofluids, as well as its sorting are introduced.
It is constituted of magnetic nanoparticle, carrier liquid and active agent. Its characteristics have
superparamagnet, magneto-light effect and magneto-hot effect. The preparation methods of ferrofluids and
its application to sealing, grinding, lubricating, ore dressing, damping, sensor, loudspeaker and biomedicine
etc. are also discussed in detail. Its application prospect is narrated, too.
Key words Ferrofluids, Characteristics, Preparation, Application
磁流体又叫性液体，它是借助于表活性剂的作用，将纳米磁性粒子高度均匀分散在载液中形成的稳定的胶体溶液，在重力、心力和磁场力的作用下不凝聚也不沉淀，是近年出现的种新型功能材料，既具有磁性材料的磁性又具有液体的流动性。1965年美国宇航局的Papell明了磁流并将其次应于宇航服动部位的真密，此后，磁体日益引起人们的兴趣并到界性的注[1~10]，目前我国和世界上许多国都在积极地开展这项研，有其基础理论和用方面的报道也越来越多。磁流的研究是一门及理、化学、力学、流变学等学科的边缘交叉学科[11]，现已在航空航天、电子、化工、机械、能源、冶金、仪表、环保、医等各个领域得到泛的应用。本文概括介绍了磁流体的组成、质及其分类，重点阐
1 磁流体的组成
磁流体由磁性微、表面活性剂和载者组成，三者关系如图1所示。磁性微粒可以是：王兰 女，24岁，硕士生，现从事纳
2003-07-14收
Fe3O4、γ-Fe2O3、
粉。
图1 磁流体组成示意图
Fig.1 The composition of ferrofluids
1 磁性颗
表面活性剂的选主要是让相应的性微粒能稳定地分散在载液中，这对制备体来说至关重要。典型的表面活性剂一端极性的，另端是非极性的，它既能适应于一定的载液性质，又能适应于一磁性颗的界面要求。包覆了适的表面活性剂的纳米磁性颗粒之间就可相互排斥、隔并
关于载液的选择，以低蒸发速率、低粘度、化学稳定性、耐高温和抗辐为标准，同时满足上述条件非常难，因此，往往据磁流体的用途及其工作条
2
(1)超顺磁性：磁流体最重要的性之一就是超顺磁性，其磁化强度随磁场强度大而上升，甚至在高磁场情况下也很难趋饱，并磁现象，矫顽力和磁均为零，无论是引入磁场还是除去磁场，均导实际互为像的感应效，正是于磁流体存在着与超顺磁性和饱和磁化强度相联系的液体为，
(2)磁光效应[12]：磁流体外加磁场作用下，呈现出类似于单轴晶体学各向异性，当光沿平行于磁场的方向入时，产法第效应，沿垂于磁场方向入射时，产生磁致双折射或Cotton-Mouton应，且两种情况都伴有二向色性。磁光特性的应用表现出良的前
(3)磁热效：当磁场强度改时，磁流体的温度也会改变，即当磁进入较高的磁场强度区域时，磁流体被热；离磁场区域时，流体被冷却。磁流体的饱和磁化强度随温的升高而降低，至里点时失，利用这一作用，将磁流体置于适当温度和梯磁场
(4)粘磁特性[13]：粘性流体性质的一个要物理量，它影响流体的流动态。磁流体的粘性有两部分组：部分是普通流体力学意义下的粘性，它与流体的温度和压力关；另一分外磁场关的磁粘性，它外磁场通过磁化程以磁粘滞力和麦克斯韦应力形式对磁流体作用的果，宏观上现为一种附加粘性。此可见，磁流体流动状态的控制可通过外加磁场对其粘性的控制来实现。(5)流变性：磁场作用，磁流体具有良好的流变学性能。在均匀
出现紊流结构，在旋转磁
3
磁流体的种较多,可按超磁性粒子种类、载液类等方法划分，按磁流体中超微磁性粒子的类
(1)铁氧体系：这类磁流体的超
(2)金系：这类流体的超微粒子选Ni、Co、Fe等金属微粒及
(3)氮化铁：这类磁流体微粒子选用氮化铁,因其磁性较强,可较高饱和磁化强度。按载液种类磁流可分：、有机溶剂(庚烷、二甲苯、甲苯、丁酮)、碳氢化合(合成剂、石油)、合成酯、聚二醇、聚苯醚、氟聚醚、硅碳氢化物、卤代、苯
制备磁流体的方法很多,如机械球磨、解、胶溶法、水溶液吸附-机相分法、电解法、真空蒸镀、等离子体法、气相液相反应法等，下面将
(1)机械球磨法：将粒径尺寸为微级的磁铁矿粉末与载液和表面活性剂按一定比混在一起，装入球磨机进行长时间的研磨，约要5～20星期，磁铁矿粒径15～2.5nm，然后用高速离心机除去粗大子。该法时长，效率低，所得粒分布广，但其几乎可与任何载液和表面活性剂制成流体，且制备磁性颗粒的表面氧化程度比用
(2)沉淀法：该法为目前最
Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- = Fe3O4 + 4H2O
通常是把Fe2+和Fe3+的酸盐或氯化物液以1/2，更多的是2/3的比例混合后，用过量的氨水NaOH溶液在一定温度(55～60℃)和pH下，高速拌进沉淀反应，制8～10nm的Fe3O4微粒，然后Fe3O4粒子加入到含表面活性剂(如油酸)的液中加热或沸，这样Fe3O4表面就会附油酸，从水相转入载液中，分离后即可得到磁流体，此法制得的磁流体微粒小、均、饱和磁化强度高，但此法对操作条件
(3)氧
3FeCl2 + H2O2 + 6NaOH = Fe3O4 + 6NaCl + 4H2O
通常是将FeCl2入四口圆底烧瓶中，加入泡剂和分散剂，通入N2保，烧瓶置于50℃恒温水浴，速搅拌。待反应体系混合均匀、温度恒定后，依次缓慢加H2O2和NaOH溶液，反应2h，将制的磁流体稀1倍，用超声波处理几分钟后，移入带有搅拌器烧瓶中，维温度70℃，高速拌，在pH为4时缓慢滴加戊二醛溶液，反应1h，再用NaOH调pH为碱性以终止应。此法得的磁流体，其磁性微粒的粒径大、
(4)蒸发冷凝：该法是将含表活性剂的低挥发性溶剂(载液)装入一个转真空滚筒底部，随着滚筒的旋转，在其表上形一体膜。加热置于筒中心部位的铁磁性金属，使之蒸发，表面性剂将蒸的铁磁性金吸附在筒表面，随着滚筒的旋转进入载液内，从而生成金属磁体。
(5)热分解法：用Ar或N2羰基金属络合(Fe(CO)5、Ni(CO)5或它们的混合物)或有金属合物蒸气载带到混合器内,稀释后进入热解器内，该混蒸气具有一定度载液进行热分解，形纳米级金属颗，这些颗粒被表面活性剂包覆而均匀、稳定地分散载液中成为属磁流体。该法可得颗粒粒为3～5nm的高饱和磁化强度磁流体。但该法所用的羰基金属络合物毒性很，易氧化，需要一定的防护措施，且在制备过程中
(6)等离子CVD法：在氮等离子体作用下，使Fe(CO)5分解成Fe原子并与离体内活化的氮反应，生成氮化铁颗粒，这些粒容器内面液体膜捕捉并均匀散到容器底部的载液中，形成氮化铁磁流体，由于法制备的化铁颗粒是在相中生成，所以颗粒之间容易相互碰撞而长大，致使颗粒大小均匀性差，粒径布较宽，从而使磁流体的饱和磁
(7)还原：该法是在解有一定量表面活性剂的强还剂NaBH4水溶液中将Fe2+原为粒，将其絮后置于含有表面活性剂的水溶液用超声波分散，获得水金属磁流体。该法工艺简单，能耗低，
(8)电解沉积法：汞作阴极，使金属盐电在汞电极上析出磁性粒子，搅汞使析的纳米级金属颗粒分散在中，从而制成汞金属磁流体。该法可制备具有
(9)气相-液相应法：反应在一个四玻璃瓶中进行，按一定比例分别加入Fe(CO)5、载液、表面活性剂，在电动搅拌下将混合液的度升90℃温2h，然后再升温至200℃恒温1h，整个加热过程中，高纯氨气以100mL/min的流量通入，此过程重3～4次，直至加入的Fe(CO)5全部反应为止，即可制得粒尺为6～12nm的高饱和磁化强
5 磁流体的应用
磁流体的独特能，使得磁流体应用愈来愈广泛，涉及机械、工程、、医药等多个领域，特别是在高、精、技术的用。传统的磁体产品，如密封、阻尼器和扬声器在一些家已经有了很好的业应用。在最近几年，又出现了大量新的应用，如磁流体
(1)密封[14]：流体密是一种非接触密封技术。它可以封气、封水、封油、封尘、封烟雾等，是防污物通过的有效屏障。磁流体密封是通过设置单个或多个永磁和铁磁性极，高渗旋转轴形成强磁，在旋转轴和久磁铁的夹缝中加入磁流体，由于磁场吸引力的作，磁流体绕形成“O”型环，空隙完全堵，阻止被密封介质从空隙通过。其具有以下优点：严密的密封性；泄漏率低；用寿命长；污染少；低磨损、低发热；良好的修复
(2)研磨：流体研磨是利其流动性和磁性以及外磁场的作用持磨料与工件之间产生相对运动而到研和整工件表面一种精加工技术。其优点是加工时间短，能自动控制，可研各种料和任何形状的曲面，还可以内外两面同时
(3)油分离：由以烃类作分散剂的流体可与油而不与水混合，在磁流
合液时，其中被磁化并吸附留在磁场区，因此可利用流体进行油水分离。利用此原理可以回收泄漏在
(4)矿物分：磁流体在场的作用下密度会发生变化，在加场的作用下使其密度为两种欲分离物密的平均值时，一种物质下沉，而另一种浮起，从而到分离回收的目。磁体矿物分离的成本低，方法简单可行，无噪
(5)磁流体感器[15]：磁流体传感器是利用磁流体的某个或特性设计的传感器，目前主要用于倾仪、例大仪等。倾角利用磁流体自悬浮变化，探测浮在容器的磁流体位移而达测量目的。比例放大器利用外加磁场对磁流体的控，使
(6)润滑[16]：磁流体是一种型润滑剂，利用外加磁场可将其保持在润滑部，润滑过程中既不泄漏，又可防止外界污染。磁体作润可用于动压润滑的颈轴承、推动力轴承、各种滑座和表面相互接触的何复杂运机构，在磁作用下能确地充满润滑表面．用量不多而且可靠，又可节省泵及其辅助设，实现连续润滑并避免出现润
(7)磁流体在扬声上的应用[17]：常扬声器中音圈的散热是靠气传热的，对一定的音圈能承一定的功率，过大的功率会烧坏音圈。如在音圈与铁隙处滴入流，由液体的导热系比空气大5～6倍，从而使得在相同条件下功率可以增加1，有效地解了音圈的散热冷问题，降了因热瞬态过程而引起的失灵。此外，磁流体的加入有利于音圈的中心位，降
(8)阻尼器：磁流体具有一的粘滞性，又是强磁性介质，因此用现液体阻尼，阻尼掉系统中所产生的不望的荡式。用磁流体尼之后，许多元件的加工就不用表面抛磨，因而减少了加工。磁流与通常的阻尼介质相比较，其优点在于它可借助磁场
(9)快速印 [18]：流体的一个特征就是它能通过磁场提种稳定的注墨体系，在磁场作用下，磁体沿方向移动达到势平衡，磁流体墨水受电场库仑力的作飞向反电极落在记录上，而可实现无声快速的印刷。用磁流体制成高质的磁
(10)用于药品定及肿瘤的治疗[19]：在医学领域，将药品吸附裹覆粒子的表面活性剂是能，用这种方法制备的药品可以注射到病人的体内并通过场将药在需治疗的病灶部位。药品的作用完成后，磁流体可以通过渗析除去，避免了药的不良反。也可用磁流体疗脑动脉，方法是通过一根空心的磁针把磁流体注射到动脉中，磁场加在瘤子上，使磁流将血管和瘤子分隔开来，然后用激光
(11)在生物上用于细胞的分离 [20]：利用磁流体的磁特性，也可以选择病毒、细菌等，英国已成功地使用磁流体来找物群的小单位，如烟草哮病毒和烟草镶嵌病毒。磁流体顺磁性分离技术有择地将一细胞除去，人体淋巴附属细胞(B细胞、T亚群细胞等)、肿瘤细胞、吸热细等。技术在人体骨髓移植方面具有
(12)影剂：磁体可以用作X射线查的对比中介。目前用X射线诊断
时常用的造影剂是“餐”，但钡餐使用的BaSO4溶液有两大缺点，是服用量大且不易粘附在诊断位。二是长时间反复诊断同一部位有困难。近年来现铁氧体制的流体但磁性能好，X射线吸收好，而且在胃液中极少被溶解，其粘着性好，能在中长时间滞，流动性也不会差，很容发现胃前壁的小病灶，可以描绘出细微的病变，及时诊断胃溃疡和胃癌。因此将用磁流体作为X射线检查的造影剂有
(13)计量阀：流体作计量阀的原是通过可变电磁铁产生外部磁场，固定管道内磁体，使其起到阀的作用，由于管道是垂直放置，所当磁流积压的液量超过某重量时，由于重力作用，其阀被破坏，这时管道内的体向下流，而当阀上的量又恢为某一重量的时候，磁流体阀再次闭合，这种反复的过程，成保持定重量液体的计量阀，可用于特
(14)执行件：磁流体可用制作机器人的“肌肉”。在制造机器，由于缺少一种传力过程中的缓冲弹力，生产的机器人的各关节大多不灵活自如，如果把磁流体沿着面包有螺旋线圈的管输送一定关节，就可以解决这个难题，同样用磁流体能够
(15)其它方面应用：除以上列的应用外，磁流体还有许多其它方面的应用，磁体在工业上可用于磁性染色、磁液陀螺、涡叶的检验。在国防上可用于液声波接收器、水中吸音体、可变分级复联装置等，化学反应磁流体可作载体携带化剂于反应中，利用其磁光效应可开发出许多新器件，如开关、场敏感器、磁控超声波器、衰
6 展望
磁流体技术应用开发研究，自20纪60年代起至,工艺技术日渐成熟，应也不断扩展，使磁流体已成为重要的功能材料。随高性能的氮化铁磁流体的研制成功和批量产，这新型磁在宇宙仪器、扬声器等振动吸收装置、缓冲器、汽车悬挂装置、调节器、激励装置、传动器以及阳黑子、地磁、火和受控核反应方面的应，无疑为磁体开发拓宽了阔的思路，也为其发展展了限的前；磁流体在物磁学中的应用，也为人类探索命奥秘，攻克危害人类疾病提了新的手段。信在不久的将来，随着科学家们磁流体物理化学质深入认识，以及对超微磁性粒子、表面活性剂和载液的深入研究，稳定性更好、性能更高的实用化磁流体将不断出现,并将在更多领发挥重要作用。以预见，随着对磁流体的研究不断深入，磁流在不久的将来也会像导
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磁流体的原理
磁流體的原理
磁流
产品说明
磁流体
磁流体又称磁液或铁体，是一种对磁场敏感动的液体磁性材料。是由性纳颗粒，经特殊处理均匀分散到液体中与其混合而成的种固液相混的胶状液体。它既
磁流体由三分组成：性微粒、基液（也叫液）、表面活性剂（也叫分散剂、稳定
产品名称:作原理
产品说明
一、磁
磁流体密封技是在磁流体的础上发展起来的。当磁流体注入高能的永久磁铁、导磁性能良好的极及主构成的磁回路时，由于磁极齿尖处磁场力最强，磁体集中于齿尖处，密封隙内形成一系列液体“O”型密封环，将密
试验表明，每级密环一般可以承受0.15-0.25个大气压，总耐压力近似各级耐压能力之和。真空密封装置一般计压力为2.5个大气压，完
二、磁
1、严密的封性：包着主轴的磁流体能够空气、水气、烟雾等进行严密的稳
3、寿命长、可性高：因磁流体的液是一种惰性、稳定、蒸气压二酯基有机材料，挥发量极低，可以说密封的寿命取决于支
4、无磨：这种密是非接触式密封（极和主轴不直接接触），无机械部件
5、无污染性：由于密封装置身不存在机械磨损，磁流饱和蒸气压极低，因而即使用在高真空状态下使
6、低阻尼和速旋转能力：流体极低的粘滞阻力和磁体密封装置无需接触密封圈的结构，决定了它的
三、磁
轴类型： 实
机座类型：法
冷却方式：无水冷（W）、带水冷（Z）。
负荷状态：
运动状态：旋转（略）、往复（W）。
示例：S F 030 Z P——表示实心轴兰式轴径为φ30带水冷普通负荷的磁流
四、安
1、请注意防将丙酮、水、醇（酒精）、酸、碱、等溶剂或腐蚀性物质侵入磁流体密封装置内，
2、带水冷的流体密封装置工前，应先将冷却水接通，然后再启动转，避免因过热（温度超过80℃）而造密封失。水冷产品使用，需使用常温，流量为1-3L/min普通自来水（氯离子200mg/L,铁离子0.3mg/L）。此外，还不能露，
3、请使
4、请不
5、安装内部未装轴的磁流体密封装置时，保证转轴或者轴套与极靴之间均匀的隙。在安装内部装有轴承磁流体密封装置，应保证主机轴承和磁流体
6、安装配有心轴套的磁流封装置，请特别留意连接的配合面表面质量。必要时可在配合面涂抹适量真
7、请不要随拆开磁流体
磁流体的制备
磁流体的制备
1、共沉淀法：该法为目前普遍使用的法，其反应基本原为：Fe2++ 2Fe3+ + 8OH-= Fe3O4 + 4H2O常是Fe2+和Fe3+的硫酸盐或氯化物溶液以1/2，更多的是2/3比例合后，过量氨水NaOH溶液在定温度(55～60℃)和pH，速搅拌进行沉反应，制得8～10nm的Fe3O4微粒，然后将Fe3O4粒子加入到含表面活性(如油酸)的液中加热或煮沸，这样Fe3O4表面会吸附油酸，从水相转入载液中，分离后即可得到磁流体，此制得的磁流微粒细小、均匀、饱和磁化强度高，但此法对操作
2、氧化沉淀法：该法基本理为：3FeCl2 + H2O2 + 6NaOH = Fe3O4 + 6NaCl + 4H2O常是FeCl2装入四口圆底烧瓶中，加入消泡剂和分散剂，通入N2保护，烧瓶置50℃恒温浴中，高速搅。待反体系混合均、温度恒定后，依缓慢滴加H2O2和NaOH溶液，反应2h，将制得的磁流稀释1倍，用超波处理几分钟后，移入有搅拌器的烧中，维持温度70℃，高速搅拌，在pH为4时缓慢滴加戊二醛溶液，反应1h，再用NaOHpH为碱性终止反应。此法制得的磁流体，其磁性微粒的粒径
3、解胶法。铁盐或亚铁在化学作用下产生Fe3O4或γ-Fe2O3，然后加分散剂和载体，加搅，使其磁性粒吸附其中，最后加热后将胶体和溶分开，得到磁流。这
4、气相-液相反法：反应在一个四口璃瓶中进行，按一定比例分别加入Fe(CO)5、液、表面活性剂，在电动搅拌下将混合液的温升90℃2h，然后再升温至200℃恒温1h，整个加热过程中，高纯氨气以100mL/min的流量通入，此过程重3～4次，直至加入的Fe(CO)5全部反应为止，即可制得粒尺寸6～12nm的高饱和磁化强度
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