閆 東，李占賢

（1.華北理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究院，河北 唐山 063210）

0 引言

磁性液體通常情況下有以下三部分構(gòu)成：磁性顆粒、表面活性劑和基載液[1]。在沒(méi)有外界磁場(chǎng)的情況下，磁性顆粒處于無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)磁性液體的特性同基載液的特性類(lèi)似，表現(xiàn)為流動(dòng)性；而當(dāng)存在外界磁場(chǎng)時(shí)，磁性顆粒被磁化，磁性液體表現(xiàn)為磁性。用于制備磁性液體的磁性顆粒主要分為以下三類(lèi)：第一類(lèi)是金屬顆粒及其合金顆粒，例如Fe、Ni、Co等，這種磁性顆粒的穩(wěn)定性較好，飽和磁化強(qiáng)度較高，但是當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間和空氣進(jìn)行接觸后，很容易發(fā)生氧化反應(yīng)，影響磁性液體的性能[2]；第二類(lèi)是金屬氧化物及鐵氧體，例如Fe3O4，這種磁性顆粒的穩(wěn)定性最好，雖然飽和磁化程度一般，但是制備較為簡(jiǎn)單，適合實(shí)驗(yàn)室制備和使用；第三類(lèi)是氮化鐵顆粒，此類(lèi)磁性顆粒在制備磁性液體的過(guò)程中很容易產(chǎn)生不穩(wěn)定反應(yīng)，影響最終的穩(wěn)定性。磁性液體在密封、磁懸浮、拋光、生物醫(yī)學(xué)等方面有著廣泛的應(yīng)用[3-6]。

本實(shí)驗(yàn)采用Fe3O4作為磁性顆粒，水作為基載液制備磁性液體，制備方式為高速機(jī)械攪拌法，通過(guò)改變磁性顆粒制備出沉淀率較低、性能穩(wěn)定的Fe3O4水基磁性液體。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

磁性顆粒在很大程度上影響了磁性液體的磁學(xué)性能。通常情況下要求磁性顆粒具備很好的導(dǎo)磁率，飽和磁化強(qiáng)度較高的特點(diǎn)，因此選擇微米級(jí)別的羰基鐵和納米級(jí)別Fe3O4顆粒制備磁性液體。磁性液體的流動(dòng)性主要受到基載液粘度的影響，本研究選擇10nm~20nm鐵粉、100μm~200μm鐵粉、10nm~20nm鐵粉和10nm~20nm羰基鐵粉作為磁性顆粒、純凈水作為基載液。選擇鈉基膨潤(rùn)土作為添加劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

將水倒入水浴鍋中并放置好裝有純凈水的燒杯，進(jìn)行恒溫加熱，當(dāng)溫度穩(wěn)定為30℃后，將燒杯中加入2%鈉基膨潤(rùn)土，在加入鈉基膨潤(rùn)土的過(guò)程中，少量、緩慢的進(jìn)行添加，同時(shí)，使用玻璃棒不斷進(jìn)行攪拌，在添加完成后進(jìn)行攪拌機(jī)的攪拌，攪拌時(shí)間為1h。鈉基膨潤(rùn)土攪拌完成后再加入磁性顆粒，與加入膨潤(rùn)土的方法一樣，少量、緩慢的進(jìn)行添加，添加過(guò)程中使用玻璃棒進(jìn)行攪拌，之后使用攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為2h。時(shí)間完成后，將燒杯取出，并進(jìn)行冷卻，待冷卻至室溫時(shí)即可。在制備過(guò)程中需要嚴(yán)格控制加入顆粒的含量和攪拌時(shí)間等，確保實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

實(shí)驗(yàn)制備得到10nm~20nm鐵粉、100μm~200μm鐵粉、10nm~20nm鐵粉和10nm~20nm羰基鐵粉三種磁性顆粒的磁性液體，分別標(biāo)號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)。

1.3 Fe3O4水基磁性液體的性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)的測(cè)試設(shè)備為振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)，型號(hào)為L(zhǎng)S7307-9309，可以對(duì)制備出的磁性液體進(jìn)行磁化強(qiáng)度的分析和測(cè)試。

振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)的基礎(chǔ)原理為電磁感應(yīng)定律，VSM通過(guò)將樣品的表面進(jìn)行磁化，產(chǎn)生磁荷，在測(cè)試的過(guò)程中，樣品的內(nèi)部產(chǎn)生退磁場(chǎng)，通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行微小振動(dòng)從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的方法來(lái)進(jìn)行磁化強(qiáng)度的測(cè)量和記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 沉降穩(wěn)定性

三種磁性液體的沉降性如表1所示。由表可知，三種樣品的沉降率均不高，未超過(guò)16%。表明其均具備較好的沉降穩(wěn)定性。1號(hào)樣品無(wú)分層現(xiàn)象，但磁性較弱，飽和磁化程度較低；2號(hào)樣品的磁性較強(qiáng)，但分層現(xiàn)象較為明顯，穩(wěn)定性不高；3號(hào)樣品無(wú)分層現(xiàn)象，同時(shí)磁性較強(qiáng)，性能優(yōu)良。因此對(duì)3號(hào)樣品進(jìn)行磁化強(qiáng)度的測(cè)試與分析。

表1 樣品沉降率表

2.2 VSM測(cè)試及分析

圖1為所制得磁性液體的磁滯回線(xiàn)，由圖1可知，當(dāng)H=0時(shí)，B=0，此時(shí)說(shuō)明磁性液體不存在殘留磁感應(yīng)強(qiáng)度的現(xiàn)象，即磁性液體的矯頑力為0，磁性液體具有良好的超順磁性，這表明，所制備的磁性液體中磁性液體顆粒主要為單磁疇小顆粒，多磁疇大顆粒含量較少。從曲線(xiàn)中可以得知，曲線(xiàn)穩(wěn)定后，其飽和磁化強(qiáng)度為11.75emu/g。

圖1 磁性液體磁滯回線(xiàn)

圖2 磁性液體磁滯回線(xiàn)計(jì)算值

圖2 為所制得磁性液體的磁化曲線(xiàn)的計(jì)算值，圖3為磁性液體磁化曲線(xiàn)的測(cè)量值與計(jì)算值的比較，可以看出計(jì)算值和測(cè)量值大致相同，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)限進(jìn)行增大時(shí)，可以認(rèn)為兩條曲線(xiàn)接近重合關(guān)系，通過(guò)計(jì)算得到飽和磁化強(qiáng)度為11.41emu/g，與測(cè)量值相差2.8%?？梢哉J(rèn)為磁學(xué)性能良好。

圖3 磁性液體磁滯回線(xiàn)測(cè)量值與計(jì)算值的比較

3 結(jié)論

選用10nm~20nm鐵粉、100μm~200μm鐵粉、10nm~20nm鐵粉和10nm~20nm羰基鐵粉作為磁性顆粒分別制備了三組磁性液體樣品，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試分析，得出如下結(jié)論：

1）三種樣品的沉降率均小于16%，沉降率不高，1號(hào)和2號(hào)樣品分別具備磁性弱和分層明顯等缺點(diǎn)，3號(hào)樣品的沉淀穩(wěn)定性最好。

2）3號(hào)磁性液體樣品表現(xiàn)超順磁性，飽和磁化強(qiáng)度為11.75emu/g。

3）制備得到磁性液體的磁化性能曲線(xiàn)與計(jì)算值相差2.8%，磁學(xué)性能良好。