核壳微粒型磁性液体的制备及其流变性能顾瑞1,龚兴龙1,江万权2,郝凌云3,张忠4(1.中国科学技术大学近代力学系,中国科学院材料力学行为和设计重点实验室,安徽合肥 230027;2.中国科学技术大学化学系,安徽合肥 230026;3.阜阳师范学院,安徽阜阳 236032;4.国家纳米科学中心,北京 100080)摘要:使用单分散Fe/SiO2椭球型微纳复合胶粒作为磁性微粒,将其用吐温20做表面修饰并分散于油性基液中制备得到磁性液体;使用流变仪对这种新型磁流体的流变性能进行了研究。
结果表明,这种磁流体在承受垂直磁场方向的小剪切载荷时,其粘度会随磁感应强度的增加而变大;而当剪切率大于25s-1,其粘度又将减小并趋近于一个恒定值约0.5Pa·s;另外,其在承受小幅振荡剪切载荷时会表现出与典型磁流体不同的粘弹性特征。
关键词:磁性液体;核壳颗粒;流变性能中图分类号: 文章编号:Preparation and Mechanical Characterization of Magnetic Fluid withCore-Shell Particles,ZHANG Zhong GU Rui 112,GONG Xing-long ,JIANG Wan-quan , HAO Ling-yun 34(1. CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials, Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 230027, China;2. Department of Chemistry, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China; 3. Fuyang Normal College, Fuyang 236032, China; 4.National Center for Nanoscience and Technology, Beijing 100080, China)Abstract: Magnetic fluids were prepared by using monodispersed iron/silica (Fe/SiO2) ellipsoidal composite nanospheres as the magnetic materials,which were modified by Tween-20 and dispersed in an oily medium. The rheological properties of the magnetic fluids were studied in detail by rheometer. The Experimental investigation showed that increasing the magnetic field strength yielded an increase of the viscosity, while increasing shear rate leaded to a decrease of the viscosity and the value became a constant about 0.5 Pa·s when shear rate was larger than 25s-1; it was also indicated that the viscoelastic behavior of the magnetic fluids was different with that of the normal ones.Key words: Magnetic fluid; Core-shell particle; Rheological property0 引言磁性液体(又称磁流体),是一种胶体溶液,它兼具液体的流动性和固体的磁性,拥有十分独特的物理性能,且在重力场和磁场下不易沉淀和凝聚,因而在航空﹑电子﹑机械﹑冶金﹑石油化工﹑仪表等领域中得了广泛的应用。
同他胶体体系一样,磁性液体在热力学上是不稳定体系,并具有凝结不稳定性和动力学不稳定性[1]。
为使磁性颗粒能长期稳定地处于胶体状态,研究者对磁性颗粒、表面活性剂和基液作了很多研究,研究表明超微磁性颗粒的稳定性是磁流体研究的关键[2]。
磁性微粒既需要有较高的饱和磁化强度,又要有很强的抗氧化能力,因而可供选择的种类非常有限[3]。
而Fe O作为传统磁流体的34—————————————————————收稿日期:2007-08-30 修订日期:2008-2-29基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2007CB936803);中国科学院“百人计划”项目。
基本粒子,其较低的饱和磁化强度和较差的抗氧化能力限制了磁流体进一步的应用。
此外,选用铁氧体颗粒配制磁性液体通常还存在易沉降,在使用过程中出现凝聚等问题。
为解决这个问题,设计合成具有特殊结构和功能的核壳结构的磁性粒子来配制磁性液体是种选择。
核壳结构复合材料兼有核﹑壳组分的优异性能,并因微纳尺度上特定的核壳型复合,呈现出特殊的物理、化学性质[4],因而在光、电、磁、力等领域有着广泛的应用。
软磁性颗粒表层包裹上二氧化硅,可降低颗粒的表观密度,有效阻止颗粒的团聚、明显改善铁磁性材料在空气及后续加工过程中的稳定性[5]。
此外,非球形的颗粒若被应用到磁性液体中,则有可能表现出不同于传统磁性液体的流变性能。
基于这个思想,作者使用单分散二组分Fe/SiO2椭球型复合颗粒作为磁性颗粒制备得到一种新型的磁性液体,并对其流变性能进行了测试研究。
1 试样制备和试验方法1.1 试样制备从单分散橄榄型的α-Fe2O3粒子出发,采用“硬模板”合成单分散二组分α-Fe2O3/SiO2椭球型复合胶粒,再在高温环境中使用氢气将其还原为磁性的Fe/SiO2。
其制备过程在我们先前研究工作中已有所报道[6]。
通过改变反应试剂的加入量可满足在还原后不同厚度二氧化硅壳层的需求。
将制备得到的α-Fe2O3/SiO2置于石英舟内,通入纯氢气,在500℃下恒温6h反应。
待还原反应完成后继续保持氢气气氛直到装置自然冷却至室温,得到Fe/SiO2粒子,用其作为以下试验原料。
同时选用二甲基硅油和吐温(聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯)20分别作为基础油和表面活性剂来配制磁流体。
具体方法是:先在一定量的二甲基硅油中加入质量比占其13%的Fe/SiO2磁性微粒,搅拌均匀后再加入微粒质量5%的吐温20于混合液中,轻微加热油液并搅拌均匀一段时间,让磁性微粒充分分散均匀,即得到磁性液体。
1.2 试验方法Fe/SiO2磁性微粒的结构和表面形貌采用JEOL2000型高分辨电镜(HRTEM)和Sirion 200型扫描电子显微镜(SEM)分别观察得到。
微粒的磁性采用MPMSXL5型超导量子干涉仪(SQUID)测量。
Fe/SiO2磁性液体微粒在磁场下形成的链状结构采用日本Keyence公司的型号为VHX-100的高景深三维数码显微镜观察得到。
为了研究所得磁性液体的流变性能,使用奥地利Anton Paar公司的MCR301型平板式流变测试仪对其流变性能进行测试,具体包括磁粘性﹑屈服应力及其粘弹性行为等的测试研究。
测试是在25℃的恒温环境下进行的。
2 试验结果与讨论2.1 复合微粒的表征图1 (a-b)展示了Fe/SiO2的微观图像。
从扫描电镜(SEM)照片上能看到SiO2壳层表面很光滑,颗粒的单分散性良好。
由(b)图上看,核壳复合粒子有着相对明亮的壳层SiO2和颜色较暗的Fe内核。
内核卵形空腔的长短轴平均值分别为450和100nm,壳层厚度平均大小约为35nm。
内核由氧化铁转变为铁后,结构发生坍缩变形成短棒状,仍可基本保持在一维尺度。
这种产物的磁学特性由胶囊中的Fe内核决定。
如图3所示,Fe/SiO2颗粒在磁场强度为1200KA/m下的饱和磁导强度测得为77.98KA/m。
其矫顽力与剩余磁化强度值分别为23.10KA/m和9.41KA/m。
磁各向异性会强烈影响到磁滞回线的形状和矫顽力的大小。
非球形纳米短棒磁微粒中的较大磁各向异性会导致产生较大的矫顽力。
给出各图片(a ) SEM 形貌 (b )TEM 形貌图1. Fe/SiO 核壳复合微粒的形貌2Fig.1 SEM (a) and TEM (b) images of Fe/SiO core-shell composite particles22.2磁性液体的流变性能图2. Fe/SiO 2在室温下的磁滞回线Fig. 2 Magnetic hysteresis loops of Fe/SiO 2at room temperature磁场强度 /KA ⋅m-1[7]实验研究表明磁流体的流变性能与其微观结构有着重要关联。
磁流体中的磁性微粒会沿外磁场方向生成链状或团簇状的等大尺度的凝聚结构,它们强烈地影响了磁流体的流变性能。
图3是用 光学显微镜观察到的在外加磁场下,Fe/SiO 磁性液体中磁性微粒形成的链状聚集结构。
2•γ图4是在不同剪切率情况下,磁流体粘度η与磁感应强度的变化关系,图中可以观察到明显的磁粘性效应。
当较低时,粘度η随磁感应强度增加而变大;而当•γ•γ较高时, η会变得很小且基本给出各图片(a) 500 倍 (b) 1000倍图3. 在磁场作用下磁性液体内部形成的链状聚集结构形貌Fig. 3 Optical microscope images of the chain-like aggregates in the magnetic fluids while exposed to an externalmagnetic field , (a) 500 times, and (b) 1000 times.粘度 /P a ·s磁感应强度 /T图4. Fe/SiO 2磁流体粘度随磁感应强度的变化情况Fig. 4 The viscosity of the Fe/SiO 2 magnetic fluids as a function of magnetic fluxdensity for different shear rates.不随磁感应强度的增加而改变。
这是因为[8],磁性液体内部的磁微粒沿外磁场方向排布形成的链状结构,会受不与磁场方向平行的剪切流的影响,使链的方向与磁场方向有所偏离,与此同时,外磁场将作用产生一个磁扭矩来抵抗这个效应;当剪切率增大到一定程度时,磁液内的链状结构遭到破坏,因而磁液的粘度受外磁场的影响就变得很小。