纳米磁性液体简介
摘要磁性液体是由纳米级的强磁性微粒高度弥散于某种液体中所形成的稳定的胶体体系。

介绍了磁性液体的典型特性，在诸多领域的应用及其制备方法。

关键词纳米磁性液体特性应用制备
人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下辨别方向，具有回归的本领。

小尺寸超微颗粒的磁性与大块材料显著不同，大块的纯铁矫顽力约为80 A/m，而当颗粒尺寸减小到2×10-2μm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6×10-3μm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。

利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已制成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。

利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。

1 什么是磁性液体
磁性液体又称磁流体或铁磁流体，具有液态载体的流动性、润滑性以及密封性。

它是由纳米级（10 nm以下）的强磁性微粒高度弥散于某种液体中所形成的稳定的胶体体系。

磁性液体中的磁性微粒必须非常小，以致在基液中呈现混乱的布朗运动。

这种热运动足以抵消重力的沉降作用以及削弱粒子间电、磁相互凝聚作用，不产生沉淀和凝聚。

磁性液体是由强磁性微粒、基液以及表面活性剂3部分组成。

通常强磁性微粒选用的是Fe3O4，除此之外还可以是铁或氮化铁。

其中氮化铁磁性液体的制备及应用研究是国家863高技术项目。

本文主要介绍Fe3O4磁性液体。

2 磁性液体的特性
磁性液体同时具有磁性和流动性，因此具有许多独特的力学、磁学、光学和声学特性。

2.1力学特性
磁性液体能克服重力、压力、离心力等作用，当把磁性物体放置于磁性液体中时，磁性物体能稳定地依附于适当的位置。

当把磁性液体的某一部分加热或冷却时，能产生磁热循环，不需要机械驱动就能引起液体的运动；在磁性液体附近施加旋转磁场，就能在液体中产生涡流，出现在其他流体中看不到的特殊现象。

若在一个塑料或玻璃等非磁性材料做的容器中，先放一块永久磁铁，再倒入磁性液体时，就会看到示意性液体沿着磁力线的方向向上拱起，通过磁力、重力、表面张力的综合作用，可以看到磁性液体呈现六角形的美丽花纹。

用一块直角三角形的永久磁铁靠近磁性液体时，磁性液体就会顺着斜面向上“爬坡”（如图1），这是它在向磁场大的方向运动的结果。

当磁性液体从一个非铁性的管中流过时，如果在管外加以图2所示的磁场，那么流体的流速就会随着磁感应强度的增大而减小。

大家知道，如果流体是水，它在磁场中的速度不会显著减小。

2.2磁学特性
磁性液体表现为超顺磁性，本征矫顽力为零，没有剩磁，不存在磁滞回线，在外磁场下，磁性液体被磁化，满足修正的伯努利方程。

与常规伯努利方程相比，添加了一项磁性能，使磁性液体具有其他流体所没有的、与磁性相关联的新性质，例如磁性液体的表观密度随外磁场强度的增加而增大。

当把非磁性物体放置于磁性液体中时，磁性液体的表观密度可以用外加磁性强度的大小来控制，使非磁性物体自由地漂浮于预定的位置。

2.3光学特性
当光通过稀释的磁性液体时，会产生光的双折射效应与双向色性现象。

当磁性液体被磁化时，使相对于磁场方向具有光的各向异性，偏振光的电矢量平行于外磁场方向比垂直于外磁场方向吸收更多，具有更高的折射率。

2.4声学特性
超声波在磁性液体中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向异性。

3磁性液体的应用
随着对磁性液体研究的深入，它的许多特性开拓了许多新的应用领域，在电子、化工、能源、冶金、仪表、环保、医疗等领域都起着不可小视的作用。

3.1密封
利用磁性液体既是流体又是磁性材料的特点，可以把它吸附在永久磁铁或电磁铁的缝隙中，使两个相对运动的物体得到密封。

利用多级密封就能达到很高的耐压或真空度，真空度可达到10-8Torr（1Toor＝133.322 Pa）。

这种密封的润滑性很好，适用于高速旋转部件的密封，而且发热少、寿命长、维护简便。

这种磁性液体最早是由美国宇航局研制成功的，1965年曾用于航天设备和宇航服的密封，后来用途渐广。

现广泛用于X-射线转靶衍射仪、单晶炉、大功率激光器、计算机等精密仪器的转轴密封。

磁性液体在非均匀磁场中将聚集于磁场梯度最大处，因此利用外磁场可将磁性液体约束在密封部位形成磁性液体“O”
型环，具有无泄露、无磨损、自润滑、寿命长等特点。

3.2计量阀和光通阀
在一个非磁性材料制成的导管外面安放一电磁铁，管内放一些磁性液体，通过改变磁力大小，从而控制磁性液体开口的大小，这样就可以改变液体流量或光通量。

3.3信息处理
利用磁场或电场对磁性液体的吸附作用可使磁潜像和静电潜像显像，所得文字或图像十分清晰。

磁性液体颜色浓黑，在纸上有很好的吸附性，从喷嘴中喷出的流速受磁场控制，可喷印文字或各种图像，其信息可进行光学或磁电读出。

此外，采用铁磁流体制作的磁性薄膜是一种高信号输出、高记录密度的媒质。

3.4扬声器
将磁性液体注入扬声器的音圈气隙对音圈的运动起一定的阻尼作用，并能使音圈自动定位，同时音圈所产生的热量可以通过磁性液体耗散。

因此加入磁性液体可以提高扬声器的承受功率，在同样结构条件下可使输入功率提高2倍，同时改善频率响应，提高保真度。

磁性液体用于金属膜扬声器性能更佳。

目前国内许多厂家生产磁性液体扬声器，生产线和磁性液体均从国外进口，若能将磁性液体国产化，必将带来非常可观的收益。

3.5选矿分离
利用磁性液体的表观密度随外磁场的变化而改变的特点，可用来筛选密度不同的非磁性矿物。

密度差别在10%左右的矿物可用此技术较好地分离，一般采用水基磁性液体，可重复使用。

3.6磁流体发电
我国目前采用的燃煤发电方式要向大气排放大量SO2、NO x 和黑烟，对
大气环境造成严重污染。

因此，发展洁净煤发电技术，减少污染物排放，提高燃煤发电效率是一项重要的战略任务。

磁流体发电是一种新型的高效发电方式，其定义为当带有磁流体的等离子体横切穿过磁场时，按电磁感应定律，由磁力线切割产生电，在磁流体流经的通道上安装电极和外部负荷连接时，则可发电。

燃煤磁流体发电技术亦称为等离子体发电，就是磁流体发电的典型应用。

燃烧煤而得到的高温等离子气体以高速流过强磁场时，气体中的电子受磁力作用，沿着与磁力线垂直的方向流向电极，发出直流电，经直流逆变为交流送入交流电网。

磁流体发电本身的效率仅20%左右，但组成高效的联合循环发电，总的热效率可达50%～60%，是目前正在开发中的高效发电技术中最高的，也是一种低污染的煤气化联合循环发电技术。

3.7医学上的应用
磁性液体可以发挥固体磁性材料所不能发挥的作用。

磁性液体中的微粒是单畴或近单畴的，故具有自发磁化的特性。

在癌症治疗中，有研究者将磁液经由导管注射到模拟瘤组织中，并用外磁场使磁液产生凝聚特性，在模拟毛细管网中形成栓塞，其阻断效果得到了满意的印证。

此外磁性液体良好的磁致热对流特性，使其成为了目前发展迅速的癌症局部热疗技术用材料的上佳选择。