磁流体

磁流体（Magnetic   liquid）它是一种新型功能材料，主要由磁性颗粒组成、基液和表面活性剂。与普通溶液不同，磁流体是纳米磁性固体颗粒在特定表面活性剂的作用下均匀分散在基液中并与基液混合形成的固液混合胶体溶液。磁流体在磁场、在重力场和电场的作用下，能长时间保持稳定状态，不沉淀，不分离，不滞后、表现出超顺磁性。

磁流体”这个概念很早就提出来了1778年，英国学者戈万·奈特（地址Gowan Kinght）准备磁流体的尝试不成功。1832年，英国物理学家迈克尔·法拉第（Michael   Faraday）提出了现代磁流体的概念和问题，推动了磁流体研究的发展。20世纪30年代，磁流体的研究取得了长期持续的发展，产生了许多新的理论和技术方法。20世纪60年代，科学家开始研究现代广泛使用的磁流体的制备和应用。自20世纪70年代以来，磁流体已逐渐转入民用并取得了不断的发展。此后，磁流体的理论研究、制备技术和前沿应用取得突破和发展。

磁流体可以有多种分类方式，其中磁性颗粒的磁性直接决定了磁流体的磁性能，根据其性质的不同，磁流体可以分为铁氧体磁流体、金属磁流体、铁磁氮化物流体和掺杂磁性流体。制备磁流体的方法有多种，如制备铁氧体磁流体的化学共沉淀法；真空蒸发制备金属磁流体；等离子体CVD法用于制备氮化铁磁流体等。磁流体既有固体物质的磁性，又有液体物质的流动性，还有光、热、磁性和其他特殊性能，其应用已涉及密封、研磨、传感器、润滑、阻尼减振、矿物筛选、油水分离、药品定位及治疗、固定化酶、扬声器设备等方向。

稳定性

磁流体是磁性纳米粒子与基液混合得到的固液胶体溶液，其稳定性主要包括胶体（悬浮液）稳定性、成分稳定性和界面稳定性：胶体稳定性是指在磁性流体中，微小颗粒可以通过布朗运动保持分散状态，避免因重力而沉淀而较大颗粒的体积与势能成正比，容易发生沉淀因此，在制备磁流体时，通常需要加入表面活性剂，通过它们的振荡来防止颗粒之间的聚集；组合物的稳定性是指基液的蒸发为了保持磁流体结构的稳定性，必须减少基液的蒸发以防止流体成分的不稳定性；前两者主要是磁流体内部结构的稳定性，而界面稳定性包括磁流体与其他液体接触时可能发生的两种液相的混合问题，是指磁流体界面在混合发生时保持稳定的能力。

磁化特性

磁流体的磁化特性是在外磁场的影响下，随着外磁场的增大，磁流体的磁化强度逐渐趋于饱和；但随着外磁场的减弱，磁流体的磁化强度会逐渐降低，不存在磁滞现象外磁场对磁流体中磁性纳米粒子的作用力主要是体积力。

磁流体的磁化特性表现在很多方面。通常磁流体中固体磁性颗粒的尺寸在10纳米左右，均在单磁畴结构的尺寸范围内，处于饱和磁化状态而当没有外加磁场时，粒子的磁矩方向由于热运动而无序，整个磁流体对外界没有磁性。然而，一旦受到外部磁场的影响，磁性颗粒的磁矩就会迅速转向外部磁场的方向，这使得磁流体表现出一定的宏观磁化。

磁流体的磁化特性在于其磁化的动态平衡状态。随着外加磁场的增强，磁性粒子的磁矩取向趋于一致，这使得整个磁流体的磁化强度接近饱和然而，由于热运动的影响，磁性颗粒的磁矩取向很难与施加的磁场方向完全一致，因此即使在强施加磁场下，磁性流体的磁化也很难达到完全饱和。当去除外磁场时，磁性颗粒的磁矩恢复到混沌状态，导致宏观磁性几乎消失，没有磁滞现象，这使得磁流体在磁化和退磁过程中表现出超顺磁性。

磁热效应

温度特性：磁流体的温度特性是其磁化强度随温度成反比变化。当温度逐渐升高到一定温度，即所谓的居里点时，磁流体的磁性逐渐减弱并最终消失；随着温度的逐渐降低，磁流体的磁性逐渐恢复到原始状态。

磁热特性：磁流体还表现出磁热特性，即当外界磁场发生变化时，磁流体的温度也发生变化。当磁场强度增加时，磁流体被加热，但当它离开磁场区域时，磁流体将逐渐冷却。

热磁对流：当磁流体置于温度场和磁场下时，由于温度的差异，磁流体的磁化强度不同，因此力是不平衡的在低温下，磁流体的磁化效果更明显，磁场的作用力也更大因此，磁性流体在磁场力和流体浮力的共同作用下流动，形成热磁对流现象，其作用远大于自然对流。

粘度特性

在没有外部磁场的情况下，磁性流体表现为普通流体（牛顿流体）由于磁性颗粒的存在，磁流体的粘度远大于基液的粘度，并且随着磁性颗粒体积分数和尺寸的增大而增大。当基液不变时，磁流体的粘度随着外磁场强度的增加而增加，最终达到最大值并趋于稳定；当浓度一定时，磁流体的粘度主要受温度影响，随着温度的升高而降低。

流变性

在磁场的作用下，磁性液体具有良好的流变性。例如，在外部磁场的作用下，磁流体液滴沿着磁场方向拉伸，磁流体表面沿着磁场方向产生针状表面；在均匀横向磁场中，磁性液体以无序流动结构运动；在旋转磁场中，磁性液体会出现涡流等现象，磁流体的流变性可控，使用过程中稳定可靠。此外，磁流体中的固体颗粒处于高度精细分散状态，没有明显的结构悬浮特征，即在初始流动时没有明显的屈服应力，剪切变形的可恢复成分较低。

表面特性

表面变形：一定体积的磁流体的平衡形状是由磁力决定的、由重力和毛细力之间的平衡决定。当对磁性流体施加均匀的外部磁场时，当磁场强度增加时，磁性流体的界面形状将发生变化，其体积倾向于在磁场方向上拉伸，磁性流体液滴将从最初的圆形变为椭圆形，再从椭圆形变为厚条状，从而导致表面变形。

法向不稳定：当磁场强度缓慢增加，磁性流体的磁化强度达到临界值时，磁性流体的表面将不再光滑，而是会出现波峰和波谷，这与磁场的强度和分布有关。当垂直于纸张表面的薄磁流体层在法线方向上施加强外部磁场时，水平面变得不稳定，并且沿着液体层形成周期性的梳状表面，这增加了磁场强度和齿的长度。

蒸发特性

磁流体的寿命主要取决于基液和表面分散剂的蒸发速率和饱和蒸汽压。为了获得长寿命的磁流体，必须选择低蒸发率、低蒸汽压的基液和表面分散剂，如聚苯醚基磁流体，蒸发率低，使用寿命长。蒸发率或饱和蒸气压通常用来表示磁流体的蒸发率。压力不变，温度高时，蒸发量大；在相同温度下，饱和蒸汽压高的磁流体蒸发量大。

磁浮效应

磁流体中的磁悬浮效应是指在梯度磁场中，磁流体中的浸没物体除了像普通液体一样受到磁流体的浮力作用外，还受到磁流体在磁场作用下产生的磁悬浮力。其原理是磁流体的表观密度会随着外磁场的变化而变化，因此可以通过施加不同的外磁场来悬浮不同密度的物质。

声学特性

通常磁流体的粘度比较大，当声波在其中传播时，会迅速衰减，即磁流体具有特殊的声学性质。磁流体的声学特性在受到微观结构和外部环境因素的影响时会发生变化，因此可以使用声学方法来测量磁流体的性能。此外，磁流体的声学特性是在电磁能量中-声能转换器和超声波裂纹检测也有一定的应用。在自然状态下，磁性流体具有各向同性的声学性质，但当其受到外部磁场作用时，其声学性质与外部磁场的方向密切相关无论是声波在磁流体中的传播速度还是衰减系数，都明显不同于沿外磁场方向的其他方向，即此时磁流体的声学性质是各向异性的。除此之外，温度、基液粘度、固体磁性颗粒的浓度也会影响声波在磁流体中的传播。

光学特性

磁流体是一种特殊的功能材料，具有液体流动性和磁性物质的特性，因此表现出独特的光学特性。正常情况下，磁流体在没有外部磁场时是不透明的，但当其厚度低于200微米时，光可以通过。当没有外磁场时，磁流体中的磁性粒子均匀分布，表现出各向同性的光学性质。然而，在外磁场的作用下，由于磁流体的团簇现象，其光学性质表现出各向异性，包括热镜效应、二色性和磁光效应等。磁流体的磁光效应是指光在外磁场作用下通过磁流体薄膜时受到的影响，包括双折射效应、旋光效应、磁分离效应和光传输特性等。

磁流体是由磁性粒子组成的（固相）基液（液相，也叫载液、基载液）和表面活性剂（液相）超稳定胶体溶液由三部分组成，它们之间的关系如下图所示。通过使用表面活性剂，固体磁性颗粒可以均匀地分散在基液中，从而形成胶体分散体系，即磁流体，其性质由这三种组分决定。因为不同的磁性流体对应于磁性粒子、不同的基液和表面活性剂有不同的制备工艺，所以磁流体种类繁多，制备方法也不同。

磁性微粒

磁流体中的磁性颗粒也称为分散相，具有铁磁性，其尺寸约为10纳米。磁流体的磁性来自这些铁磁性颗粒，它们的特性和含量在很大程度上决定了磁流体的磁性。固体磁性颗粒在基液中进行布朗运动，因此这些颗粒可以抵消重力的影响，从而悬浮在基液中一般来说，每升磁流体中有超过1020个固体磁性颗粒。用于制备磁流体磁性颗粒的元素和材料通常包括赤铁矿（γ-Fe2O3）MeFe2O4（Me=Co、Mn、Ni等）铁磁矿石 （Fe3O4）Ni、Co、Fe、Fe-Co、Ni-Fe合金等材料。这些材料的饱和磁化强度按此顺序增加，而相应磁性流体的稳定性降低。

基液

基液在磁流体中称为分散介质，使磁流体具有液态物质的流动性。通常，基液占磁流体的70%以上，不容易蒸发、粘度低、稳定性高等特性。磁流体的性质主要取决于基液，所以在选择磁流体时要充分考虑基液的性质。基液有很多种，包括极性和非极性，也可分为有机基、水基和金属基。通常根据磁流体的用途选择基液，可以选择无机溶剂（水）碳氢化合物（合成剂、石油、脂合成剂等）有机溶剂（二甲苯、甲苯、庚烷等），也可以选择聚苯醚、聚二醇、氟聚醚、芳香烃等。

表面活性剂

表面活性剂也称为稳定剂或分散剂，用于包覆单个磁性颗粒以使它们彼此分离，从而使它们均匀分散和悬浮在基础溶液中，吸附在固体磁性颗粒表面的表面活性剂形成一层“弹性层”以避免颗粒的相互聚集并确保磁流体的稳定性。

表面活性剂的分子是长链结构，一端亲水，另一端疏水。亲水端是极性官能团，与基础溶液相容；疏水端为非极性烃链，与基液不相容，但能吸附固体磁性颗粒它能适应基液的某些性质和某些磁性粒子的界面要求。在磁流体中，表面活性剂的存在使固体磁性颗粒因布朗运动而无法碰撞和沉降，成为稳定的胶体溶液，其稳定性通常由表面活性剂的类型及其在磁流体中的含量决定。

为确保在磁场、在磁场梯度或重力场下保持稳定，通常要求磁流体中纳米磁性颗粒的粒径小于10 nm。因为纳米颗粒的粒径、表面活性剂和稳定性有严格的要求，因此磁流体的制备技术尤为关键。有许多方法来制备磁性流体，包括机械球磨、热分解法、共沉淀法、氧化沉淀法、蒸发冷凝法、胶溶法、水溶液吸附-有机相分散法、电解法、真空蒸镀法、等离子体法、气相液相反应法等。虽然制备方法很多，但根据磁流体中所含纳米磁性颗粒的类型，主要可分为铁氧体体系、金属系、氮化铁系三类。

铁氧体磁流体的制备

铁氧体磁流体的磁性颗粒选用Fe3O4、γ-Fe2O3、CoFe2O4等，其常见的制备方法是机械粉碎（球磨法）化学共沉淀法和微乳液法等。

机械粉碎法（球磨法）

机械粉碎法（球磨法）适用于氧化铁（Fe3O4、Fe2O3等）是磁性粒子的磁流体制备其原理是将微米级的磁铁矿粉与基液和表面活性剂混合，放入球磨机中长时间研磨，得到纳米级的磁性颗粒。这种方法耗时长效率低成本高，已逐渐被更快更简单的方法取代然而，通过这种方法获得的粒径分布很广，几乎可以与任何基液和表面活性剂混合以制成流体，并且通过这种方法制备的磁性颗粒的表面氧化程度低于通过化学共沉淀法制备的磁性颗粒。

化学共沉淀法

化学共沉淀法是最广泛使用的方法，其基本反应原理如下：将Fe2和Fe3溶液混合，加入碱性物质进行沉淀反应，制备Fe3O4颗粒然后将粒子和表面活性剂的基液加热吸附表面活性剂，最终得到磁流体。化学共沉淀法制备磁流体简单易行、原料便宜、设备简单、效率高，制备的磁流体颗粒细小、均匀且饱和磁化强度高，但这种方法对操作条件的控制要求非常严格，制备的Fe3O4粒径较宽。

微乳法

微乳液法需要两种微乳液，一种是金属盐溶液或金属盐的混合物，另一种是碱性水溶液将它们按一定比例混合，然后用表面活性剂分散，可以得到粒径小分散性好的磁流体。这种方法的缺点是在制备过程中，所用的表面活性剂可能与特定应用所需的基液不相容，因此需要使用一种与基液相容的表面活性剂或使用两种表面活性剂。

金属磁流体的制备

金属基磁流体的常用制备方法是热分解法、真空蒸镀法等。

热分解法

热分解法是利用羧基金属络合物在加热条件下会生成纳米金属粒子的原理，在高温下表面活性剂吸附在粒子表面后，纳米粒子会均匀稳定地分散在基液中来制备金属磁流体。因此，可以通过在基液中混合表面活性剂和羧基金属络合物并在密闭容器中加热来制备类金属磁流体其稳定性与表面活性剂相似、金属颗粒和基液的比例是相关的。该方法工艺简单、高磁化低能耗，且粒径一般为3~5纳米，但所用原料有毒，产生一氧化碳气体，有一定危险性。

真空蒸镀法

真空蒸发法是在真空条件下将金属加热成气态，迅速冷却形成小颗粒，这些小颗粒被表面活性剂包裹，然后分散在基液中形成磁流体。真空蒸发法制备的磁流体磁饱和强度可达1000Gs以上，远高于铁氧体磁流体，但稳定性差，应用受到限制。

氮化铁磁流体的制备

铁磁性氮化物流体比金属磁性流体具有更高的磁饱和强度、更好的稳定性和耐腐蚀性，它是20世纪90年代问世的一种新型纳米磁流体功能材料，其常用的制备方法是等离子体CVD、气相-液相反应法和等离子体活化法等。

 等离子体CVD方法

等离子体CVD方法的主要原理是将惰性气体混合到等离子体CVD反应器中、氮气、Fe(CO)5蒸汽混合，铁由等离子体激发(CO)5分解为铁原子并与等离子体中的氮反应生成氮化铁颗粒，其粒径一般为2-10纳米。容器底部的液体将在内容器壁上形成一层薄膜，反应产生的氮化铁颗粒将被薄膜捕获并均匀分散在容器底部的载液中，形成氮化铁磁流体。

气相-液相反应法

气相-液相反应法的基本原理是在加入羰基铁和氨基表面活性剂的煤油中通入氨气，通过化学反应得到中间体氨基羰基铁，然后通过高温加热分解制备氮化铁磁流体。该方法制备的氨基磁流体饱和磁化强度很高，达到1700Gs，具有广阔的应用前景。

等离子体活化法

等离子体活化法是在气相中进行的-液相反应法是在制备氮化铁磁流体的基础上改进的，其基本原理是氨分子和铁混合(CO)5分子被完全激活，中性氨分子被电离并激活成氮的离子态，然后迅速与Fe反应(CO)5以产生纳米尺寸的氮化铁颗粒。氮化铁颗粒被表面活性剂包裹并分散在基液中制备氮化铁磁流体这种方法类似于气相-与液相反应法相比，反应时间可大大缩短，制备的磁流体粘度低、良好的流动性等优秀指标。

磁流体的主要性能指标主要包括饱和磁化强度、粘度、磁性颗粒直径和挥发损失等。

饱和磁化强度

磁流体在外磁场作用下的磁化程度，即所能达到的最大磁化强度称为饱和磁化强度，单位为Gs或t 它是磁流体应用技术中最重要的参数由于磁流体中磁性颗粒的质量分数和温度的影响，饱和磁化强度会随着温度的升高而降低。当达到饱和磁化强度时，随着外磁场强度的增加，磁性纳米颗粒在磁流体中形成的链状结构保持相对恒定，不会再发生明显变化。一般来说，饱和磁化强度的范围从500 GS到3000 GS（05~0.3T）这一参数可以通过改进磁流体的制备工艺来提高。

粘度

粘度代表磁流体的流动特性，单位为cP粘度会对磁流体的应用产生很大影响，尤其是将磁流体填充到微小结构中的应用。磁流体的粘度主要取决于用于制备磁流体的基液和磁性颗粒同时，外界的温度和磁场也会影响磁流体的粘度在单因素条件下，粘度会随着外磁感应强度的增加而增加，表现出非牛顿流体的特征。同时，磁流体的粘度随着温度的升高而降低，在单因素条件下，呈粘性-温度关系符合Arrenius公式。

磁性颗粒直径

磁性颗粒的直径表示磁性流体中磁性颗粒的厚度，单位为nm，它影响四大效应（小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧穿效应）基本因素也影响着磁流体的稳定性、磁饱和强度、热力学性能和其他重要因素，颗粒直径通常小于10纳米一般来说，磁性颗粒直径越小，磁流体性能越好，越有利于实际应用。

挥发损失量

磁流体的挥发损失是指磁流体在一定时间内由于挥发而损失的质量或体积，是磁流体挥发性的一个指标，单位为g/cm2·h（通常在80℃下测量）它与磁流体的寿命和蒸汽压密切相关，主要由基液的性能决定。

其他指标

此外，磁流体还有很多性能参数，比如比重、表面张力、导热系数、温度特性、频率特性、超导性能、磁化率、复合磁化率、耐蚀性、各相异性、磁共振性能、磁性驰豫时间、流体动力学性能、流变性能等，在不同的应用中发挥交叉作用。

磁流体是一种新型的液体功能材料，既有固体材料的磁性，又有液体材料的流动性，还有光、热、磁性等特殊性能，具有很高的开发价值，应用领域已涉及航空航天、机械、电子、能源、化工、冶金、医疗保健等，并且还在不断扩大。

工程机械

工程和机械领域是磁流体最早的应用领域、最成熟的领域之一。早在20世纪70年代，美国国家航空航天局工程师Paper首先制备了一种稳定的铁磁流体，然后通过该磁流体成功地解决了航天器和宇航服活动部件的真空密封问题、失重状态下的液体泵输送问题引起了广泛关注，磁流体的后续应用发展迅速，涵盖密封、研磨、传感器、润滑、阻尼减振等方向。

密封：磁流体密封是一种非接触式密封技术通过设置永磁体和铁磁极靴，在转轴周围形成强磁场，并引入磁流体形成“O”o型圈，有效密封气体、水、油、灰尘和烟雾阻止污染物通过，并具有良好的密封性能、低泄漏率、长寿命、低污染、低磨损、低发热、良好的可修复性和不定向密封等。

磁流体

研磨：磁流体研磨是一种光整加工技术，利用磁流体的流动性和磁性以及外磁场的作用，使磨料与工件发生相对运动，从而达到研磨和光整工件表面的目的。该技术具有处理时间短的优点、自动控制、适用于各种材料和曲面、它可以同时进行内外研磨，已广泛应用于机械和电子工业领域。

传感器：基于磁流体的一种或几种特性，可以设计出多种磁流体传感器，最早出现于20世纪60年代在此基础上，开发了多种磁流体传感和测量设备，其中包括磁流体压差传感器、磁流体动力学磁场传感器、磁流体动力振动传感器、磁流体加速度传感器、磁流体液位传感器、磁流体陀螺仪、磁性流体流量传感器等。

润滑：磁流体作为一种新型润滑剂，通过外部磁场降低润滑油的摩擦系数，从而实现无磨损润滑，并防止外部污染，润滑时不会泄漏。这种润滑剂适用于动压润滑的轴颈轴承、推动力轴承、在磁场的作用下，表面相互接触的各种滑动座和复杂运动机构能精确地充满润滑表面，且消耗小而可靠同时可以节省泵等辅助设备，实现连续润滑，避免润滑剂不良的问题。

阻尼减震：磁流体具有强磁性和液体流动粘性的双重特性，可用于被动减振和主动振动控制通过使用磁流体阻尼，许多部件不需要表面抛光，从而减少了加工量。与传统阻尼介质相比，磁流体阻尼具有结构简单紧凑的优点、零磨损、无需外部电源、成本低，安装简单，因此广泛应用于液体阻尼领域。

化工领域

磁流体的密度在磁场的作用下会发生变化当磁流体的密度是两种待分离物质在外磁场作用下密度的平均值时，一种物质下沉，另一种物质上浮，从而达到分离回收的目的。或者利用磁流体在不均匀外磁场下被强磁场吸引的特性，使磁流体中的非磁性物质能浮到低磁场侧，从而进行矿物筛选和物质分离该方法简单可行无噪声、无污染，这对于稀贵金属的分离具有重要意义。

此外，以碳氢化合物为载液的磁流体具有亲油和疏水的特性。通过将这种磁流体喷洒在水面上的浮油上，然后在水面上添加一个具有强磁场的永磁体，油和磁流体的混合物被磁体吸附，从而实现油水分离这种方法可以回收海面上泄漏的油和乳胶，也可以处理含油水体，具有应对和处理大型油轮事故引起的海面污染事件的潜力。

生物医学

在生物医学领域，磁流体可用于药物定位和治疗、固定化酶、免疫检测、基因工程、封闭血管、细胞分离等场景。例如，药物被吸附在涂有颗粒的表面活性剂上，磁流体被用作靶向药物的载体在外磁场的作用下，药物被精确地导向病变部位并持续作用于病变部位在毒品之后s作用完成后，磁流体可以通过透析除去，从而避免了药物的不良反应。

电子设备

通过将少量磁性流体注入普通扬声器音圈的气隙中，可以显著提高扬声器的功效。利用磁流体良好的导热性和减振减摩功能，可以提高扬声器的功率、改善频率特性、降低材料消耗并延长其使用寿命。在外磁场的作用下，磁流体保留在气隙中并向磁路导热。由于磁流体的导热系数远高于空气，因此提高了扬声器的散热效果，功率可以提高近一倍。同时，磁性流体被吸附在磁极上，可以自动使音圈居中，防止音圈与磁极摩擦，使扬声器振膜平稳振动具有一定粘度的磁流体还可以阻尼扬声器的共振，从而改善频率特性。

其他领域

磁流体不仅在这些领域表现出色，在许多其他场景中也有潜在的应用。在工业上，磁流体可用于磁性染色、磁液陀螺、涡轮叶片等的检查；在国防中，它可以应用于液体声波接收器、水下吸声器的可变等级重接装置等；在化学反应中，磁流体可以作为载体携带催化剂参与反应；此外，还可以利用磁流体的磁光效应开发光开关、磁场敏感器、磁控超声波器、衰减器和偏振器等新设备。随着磁流体基础理论的深入研究、随着磁流体制备技术的不断提高，更高效便捷的制备方法以及更多种类磁流体的成功开发，磁流体与其他学科的交叉应用将更加深入，其应用领域将进一步拓宽。