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磁流体的应用


 来源:四川省电子学会应用磁学专委会秘书长张光明    上传时间:2015-04-02   访问量:24689   最近访问时间:2018-04-23   

磁流体的应用

 

    磁流体是一种新型特殊的功能材料,在静态时无磁性吸引力,当外加磁场作用时,表现出磁性。

    磁流体由纳米磁性颗粒、基液和表面活性剂组成。它是把纳米数量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒包裹一层长链的表面活性剂,均匀地分散在基液中形成的一种均匀稳定的胶体溶液。一般常用Fe3O4Fe2O3NiCo等作为磁性颗粒,以水、有机溶剂(NaOH)、油等作为基液,以油酸(油酸钠溶液)等作为活性剂防止团聚,即可生成黑色的、分散质粒子的直径在5.536 nm的磁流体。由于磁性颗粒很小,表面又有活性剂,故磁流体中每一颗粒都是分离的,而且能抵抗颗粒间的相互吸引力不使它们凝聚。它们在热布朗运动下,能稳定地悬浮在载体中,在正常情况下,它是稳定的。由于磁流体具有液体的流动性和固体磁性材料的磁性,使得磁流体呈现出许多特殊的磁、光、电现象,如法拉第效应、双折射效应和线二向色性等。这些性质在光调制、光开关、光隔离器和传感器等领域有着重要的应用前景。

    1 磁流体密封

    磁流体密封是利用在外加磁场作用下磁流体具有承受压力差的能力而实现的密封。磁性回路由永久磁铁、极靴和转轴组成。放置在导磁性良好的转轴与极靴顶部之间的制作精良的磁流体在高性能的永久磁铁产生的磁场作用下高度集中,形成一个液体 0型密封圈,当磁流体受到压力差作用时,磁流体在非均匀磁场中略微移动,产生了对抗压力差的磁力,从而达到新的平衡,进而将转轴与极靴间的缝隙堵死而达到密封的目的。

    磁流体密封尤其是旋转轴动密封具有零泄漏、用量少、防振、无机械磨损、传递速度高、小摩擦、低功耗、无老化、无污染、自润滑、寿命长等优点。

    磁流体密封技术作为真空容器抽空后充入工作气体或防止容器内有毒气体或贵重气体的泄漏时还可以用于密封气体。这种密封不但可以有效地防止杂质对真空室的侵入,还可以保护工作气体的纯度,而且也不存在磁流体对密封介质的侵蚀。

    磁流体密封应用于防尘密封的一个典型例子是计算机硬盘防尘密封。磁流体密封圈应用于具有高密度记忆性能的计算机硬盘时,能将小于0.1μm的超微细尘埃挡住,并实现防静电的功能,从而保护磁盘、磁头不受损伤,避免机内珍贵数据资料丢失。此外,磁流体密封圈还被广泛地应用于存储IC的制造工程、彩色打印机步进马达等多项领域的防尘密封。

    在许多自由控制进给的装置上,例如在硅单晶炉、真空热处理炉、离子溅射、化学气相沉淀、离子镀膜、液晶再生、电子指示器等真空设备的密封以及机器人、军工产品等对环境要求较高的设备的环境密封中,磁流体密封也得到了广泛的应用,,。

    2物质分选

    磁流体分选原理是建立在重介质分选基础上的,磁流体就相当于重介质,但是不同于重介选矿,磁流体做为分选介质是通过磁场调节表观密度梯度,从而实现多密度级分选的,其密度调节更为简单便捷。

磁流体分选主要用于有色、稀有和贵金属(锡、锆、金等)矿石,黑色金属矿石(铁、锰)、煤和非金属(金刚石、钾盐等)矿石,以及从工厂废料中回收有色金属(铜、铅、锌、铝等)和在岩矿鉴定中代替重液分离,还可以用于浮选厂精矿和尾矿的快速分析等。 

    磁流体分选法在固体废物的处理和利用中占有特殊的地拉,它不仅可分选各种工业废渣,而且可从城市垃圾中分选铝、铜、锌、铅等金属。

    3环境治理

    磁流体在环保领域的应用正在不断地被开拓,主要应用在清除水体油污染、去除废水中染料以及重金属元素或放射性元素的吸附和富集等方面。

    当前海洋漏油事故的频发给海洋生态环境带来巨大的挑战。含聚合物的污水越来越多,含聚合物的污水中含油量高、油珠平均粒径小、悬浮物含量高、处理难度很大。有报道用化学共沉淀法制备Fe3O4纳米粒子,并用阳离子表面活性剂901进行表面改性,制备具有核-壳结构的复合磁性纳米颗粒(Fe3O4/901),将其与常规水处理剂复配处理油田含聚合物污水。由于Fe3O4/901 纳米颗粒具有磁性,同时具有纳米材料的表面高吸附活性,能快速捕捉污水中的油污及悬浮颗粒,再结合絮凝剂的传统化学絮凝作用,使油滴、悬浮物等絮凝物与磁性颗粒形成磁嵌合沉淀。这种磁嵌合沉淀物结实且密度大,因此沉降速度快,去油去浊效果很好。同时由于纳米颗粒具有超顺磁性,可用磁分离装置回收再利用,在解决油田含聚合物污水的处理方面具有很好的应用前景。

    在对印染废水的处理方面,可以用磁流体改性花生壳作为吸附剂处理染料废水,对吖啶橙、结晶紫和番红的吸附。另有报道利用超顺磁性氧化石墨烯-Fe3O4复合物作为吸附剂,也可用于从水中去除染料成分,在对亚甲基蓝和中性红的吸附测试中,分别在30min90min达到吸附平衡。

    4扬声器

    通过注射磁流体到扬声器音圈,作杨声器的散热剂,由于,磁流体在温度升高时,磁性变弱;扬声器内的磁铁更易吸引相比对冷些的磁流体,使缝隙内的磁流体流动,散去音圈所发的热,避免妨碍音圈的运动,从而改善扬声器的频率特性,减小高调波的失真、提高扬声器的功率。磁流体在磁场的作用下可以自动定位,而不会四处流动。且磁流体的热导率较大,其粘度会随磁场强度的增大而增大,从而加大阻尼。此外,在相同输入功率的情况下,磁流体扬声器较传统扬声器能有成倍的声压输出,拥有更好的低音表现。而更轻量化的玻璃纤维震膜可带来更精准灵敏的声音,并拥有更持久的耐用性。最重要的是,磁流体扬声器系统可有效减少信号流失及声音干扰,让其更清晰纯净,忠实还原高保真声音。

    5、磁流体发电

    磁流体发电就是应用磁流体发电技术,用燃料(石油、天然气、燃煤、核能等)直接加热成易于电离的气体,使之在2000℃的高温下电离成导电的离子流,然后让其在磁场中高速流动时,切割磁力线,产生感应电动势,即由热能直接转换成电流,由于无需经过机械转换环节,所以称之为"直接发电",其燃料利用率得到显着提高。磁流体发电机的功率易于控制,另外产生的环境污染少。

    6、磁流体推进技术

    磁流体推进,顾名思义,就是通过磁场能对导电的海水产生电磁力作用,使海水发生运动,从而推动船艇前进。使用机械动力的常规潜艇,因机械转动产生噪音以及振动,容易被声呐探测到;同时功率越大,产生的噪音也愈大,更易被反潜工具发现。而磁流体推进器无须配备螺旋桨桨叶、齿轮传动机构和轴泵等,是一个完全静止的设备;由于没有功率的制约,也大大提高了速度,潜艇便能在几乎绝对安静的状态下以极高的航速航行。随着潜水深度的增加,依据当前的反潜技术,被探测到的几率几乎为零。据理论计算,采用磁流体推进器的新潜艇航速可达150节,这是任何机械转动类推进器不可能实现的,现役的绝大多数鱼雷都会对其失去作用。

    一旦现代潜艇使用了这种推进器,便从根本上消除了因机械转动而产生的振动、噪音以及功率限制,而能在几乎绝对安静的状态下以极高的航速航行。 磁流体推进器全新的推进方式将使潜艇在战术、技术性能上发生质的飞跃。只要艇员的身体素质和艇内的生活用品允许,磁流体潜艇将拥有无限的续航力和自持力;又可在任意深度航行;更为重要的是,这种潜艇具有空前的的安静性和水下高速航行、高速机动能力,成为真正意义上的潜艇,只要目标在攻击范围之内,那么任何猎物都难逃脱它的手掌。

    军事专家认为,磁流体喷水推进技术将彻底改变以声呐探测为主的反潜方式,并推进新一代反潜武器的革命。

    7、医学领域

    磁流体广泛应用于酶的固定化、细胞生物学、免疫测定、亲和层析及临床诊断和治疗等领域,主要涉及的有磁流体热疗、定向给药、基因治疗等。可作为磁共振成像的造影剂;由于磁流体在交流磁场作用下会发热,将磁流体与抗体结合可用于生物分离;磁流体与外部磁场相结合还可用于肿瘤热疗等。

磁流体热疗是近年来新兴的一种热疗方法。它是将磁流体通过一定的方法到达肿瘤区域,纳米级磁性颗粒在交变磁场的作用下产生热量到有效的温度,从而杀死肿瘤细胞。

 

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