納米四氧化三鐵磁粉在無損檢測領域的應用

【摘 要】 本文介紹了零維、一維、二維、三維納米材料的制備方法、無損檢測領域的磁粉粒徑要求及其原因分析，展望了納米四氧化三鐵磁粉在無損檢測領域的應用前景。

【關鍵詞】 納米 無損檢測 磁粉

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.09.002

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或者由它們作為基本單元構成的材料，包括零維納米材料、一維納米材料、二維納米材料、三維納米材料等。近年來，納米材料在節能、環保、化工、機械、電子、航空航天等領域發揮著不可替代的作用。納米四氧化三鐵材料有顆粒粒徑小、比表面積很高等特性，在磁性液體、生物醫學、微波吸附材料、催化劑載體、無損檢測領域具有廣闊的應用前景。磁粉檢測屬于無損檢測的常規方法，將納米材料與磁粉檢測方法相結合，充分發揮納米材料的優點，對促進磁粉檢測技術的進步有著重要的意義。

1 納米材料的制備方法

1.1 零維納米材料的制備方法

零維納米材料的制備方法主要有物理法和化學法。物理法制備零維納米材料一般采用機械磨球法、真空冷凝法、物理粉碎法等。物理法制備的產品純度低、粒徑分布不均勻?；瘜W法主要有共沉淀法、微乳液法、溶膠-凝膠法、水解法、水熱法等?；瘜W法獲得的零維納米材料粒子質量較好，顆粒直徑較小。

1.2 一維納米材料的制備方法

一維納米材料的制備方法主要包括碳納米管制備法、靜電紡絲技術制備法、海島模型制備法、催化擠出聚合法、原纖化法、分子噴絲板紡絲法等。碳納米管制備法是利用外徑為1nm～50nm、長度為幾微米至幾十微米的碳納米管制備一維納米材料的方法。靜電紡絲技術制備法是將聚合物溶液或熔體在幾千至幾萬伏的高壓靜電場下克服表面張力并產生帶靜電噴射流，使溶液和熔體在噴射過程中干燥、固化并落在接收裝置上形成一維納米材料的方法。海島模型制備法是日本東麗公司發明的一種生產超細一維納米材料的方法。催化擠出聚合法是日本東京大學發明的一種生產聚乙烯一維納米材料的方法。原纖化法是一種把長鏈多孔結構的纖維分裂為納米尺寸的原纖或微原纖的方法。分子噴絲板紡絲法是在大環構型分子發展的基礎上，采用理論、試驗和計算機等手段來研究用于紡織纖維的一維納米材料制備方法。

1.3 二維納米材料的制備方法

二維納米材料的制備方法，主要分為物理法和化學法。其中物理法包括低能團簇束沉積法、真空蒸發法、濺射沉積法、分子束與原子束外延技術、分子原子束自組裝技術等；化學法包括溶膠-凝膠法、LB膜法、電沉積法、化學氣相沉積法等。低能團簇束沉積法是采用電子束使團簇離子化，利用質譜儀分離，控制一定質量、能量的團簇沉積形成二維納米材料的方法。真空蒸發法是將待鍍膜的物質蒸發氣化，并使氣化的分子、原子在蒸發源與基體之間運動，凝聚、成核、生長，形成二維納米材料的方法。濺射沉積法是通過高能粒子轟擊靶面，使靶面上的原子、分子濺射出靶面，在基體上沉積形成二維納米材料的方法。分子與原子束外延生長法是一種在高真空環境下的制備二維納米材料的技術。分子自組裝法是依賴分子間非共價鍵作用力自發結合成穩定聚集體的方法。溶膠-凝膠法是利用化學試劑制備所需的均勻穩定水溶膠，經烘烤干燥后形成二維納米材料的方法。LB膜法是將雙親性分子置于水面，使在氣-液界面形成緊密定向排列的單分子二維納米材料的方法。電化學沉積法是在含有金屬離子和非金屬離子氧化物或非金屬水溶液中，通過恒電壓，在不同電極表面合成金屬或化合物二維納米材料的方法。化學氣相沉積法主要被用來制備納米顆粒薄膜材料。

1.4 三維納米材料的制備方法

常用的三維納米材料制備方法有：靜電紡絲技術，水熱法，射頻濺射、直流濺射、電化學沉積綜合法，去合金化法等。

2 無損檢測領域的磁粉粒徑要求及原因

2.1 磁粉粒徑要求

磁粉檢測是無損檢測五大常規方法之一，是鐵磁性材料表面無損檢測的首選檢測方法，應用比較廣泛。磁粉的種類很多，按照磁痕觀察的方式，磁粉分為熒光磁粉和非熒光磁粉；按照適用的施加方式，磁粉分為濕法用磁粉和干法用磁粉。熒光磁粉是以磁性氧化鐵粉、工業純鐵粉和羥基鐵粉為核心，在鐵粉外面用環氧樹脂黏附一層熒光染料或將熒光染料化學處理在鐵粉表面制成的。非熒光磁粉常見的有四種，分別為：四氧化三鐵黑磁粉、三氧化二鐵紅褐色磁粉、藍磁粉、白磁粉。

JB/T 6063-1992規定磁粉顆粒尺寸：將一定量的干磁粉用孔徑為0.18mm（80目）標準檢驗篩過篩，然后測定未能通過篩子的殘留粉重量，以示出殘留粉與原始磁粉重量間的關系，并以百分數表示。通過篩子的磁粉重量不應低于98%。JB/T 6063-2006對前一版標準有所改進，要求磁粉尺寸的范圍滿足以下3個方面：①下限直徑d1：小于d1的磁粉不應多余10%；②平均直徑da：50%的磁粉應大于da，50%的磁粉小于da；③上限直徑du：大于du的磁粉不應多余10%。對于磁懸液應在d1≥1.5μm和du≤40μm范圍內。干磁粉通常為d1≥40μm。

2.2 規定粒度范圍的原因分析

磁粉粒度的大小對磁粉的懸浮性有較大的影響，漏磁場對不同顆粒的磁粉吸附能力有很大差別。檢測工件表面微小缺陷時，宜選用粒度細小的濕法用磁粉，因為細磁粉的懸浮性好，容易被小缺陷產生的微弱漏磁場所磁化和吸附，形成磁痕顯示才會線條清晰，定位準確。但是在表面粗糙的工件進行磁粉檢測時，磁粉顆粒過小時容易聚集，并且受到灰塵的干擾，造成過渡背景或出現過多的偽缺陷。干法用黑磁粉一般選擇粒度較粗的磁粉，容易在空氣中分散開，而且磁導率較細磁粉高，減少粉塵的影響。

JB/T 6063-1992只是規定了磁粉粒度的上限值，這主要是受到當時的粒度檢測技術的限制以及磁粉檢測材料制備技術的限制；JB/T 6063-2006規定了磁粉粒度的上限值、下限值以及平均值，不僅反映了磁粉材料的制造技術已經從毫米級別達到了微米級別，也反映了粒度檢測技術也達到了微米級別甚至納米級。納米磁性材料有著諸多的特性，可以解決小顆粒團聚問題、流動性問題等。

3 納米四氧化三鐵磁粉在無損檢測的應用

當物質的顆粒尺寸進入納米數量級時，便具有了不尋常的小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等，讓納米材料具有獨特的光、電、熱、磁、力學和化學性質。納米四氧化三鐵磁粉經過改性，具有高磁導率、低矯頑力和低剩磁的磁特性，在無損檢測領域有著重要的應用價值。

3.1 用于高端精密設備檢測

納米四氧化三鐵磁粉在航空航天領域、高端精密制造業、特種設備行業有著廣闊的應用范圍。通過物理法、化學法等制造的零維、一維、二維、三維納米材料混合體，根據不同檢測的需要進行混合配比，可以適用于不同的檢測領域。特別是退磁后，納米磁粉不粘結，清洗方便，不影響被檢工作的使用。

3.2 方便磁粉檢測圖像智能辨識

隨著各行業的發展和技術的進步，各檢測行業都在向著智能自動化方向轉型升級，磁粉檢測作為無損檢測的五大常規檢測之一，也迫切需要進行全自動檢測的改進和升級。利用納米四氧化三鐵磁粉材料具有的獨特光、電、熱、磁、力學和化學性質，結合自動或半自動磁粉探傷設備、設計圖像識別和采集系統，對磁粉檢測裂紋圖像進行自動記錄和分類，將促進我國磁粉檢測自動化的發展。

3.3 用于特殊部件的檢測

一些特殊部件的檢測不僅對檢測方法、檢測設備有較高的要求，而且對檢測用的材料也有較高要求，例如彈簧、彈珠表面的無損檢測。通過化學法制備的納米磁粉顆粒具有顆粒小、尺寸一致等特點，用于彈簧、彈珠等表面的無損檢測既可以檢出微小裂紋，又可以提升檢測效率。

3.4 用于精密試塊的校準

磁粉的性能試驗，一般要求應能檢出I型試塊上的磨削和應力腐蝕所產生的細裂紋和粗裂紋。納米磁粉對微小裂紋非常實用，因此，一些機械加工企業，需要檢測不同流程中的磨削細裂紋，可以利用納米四氧化三鐵磁粉進行試塊的檢測和校準，有利于提高缺陷檢出率。

3.5 提升探傷—橡膠鑄型法靈敏度

一些部件內表面的磁粉檢測一直比較困難，目前國內采用較多的是探傷-橡膠鑄型法，是將磁粉檢測和橡膠鑄型結合使用的一種方法，材料需要膠料、硫化劑、磁粉、磁懸液等。由于納米四氧化三鐵磁特性優良，磁粉顆粒小，在膠料中流動性更好，可以與之匹配的膠料種類和范圍更廣，能大幅提升探傷-橡膠鑄型法的靈敏度。

3.6 促進新型磁懸液的研制

納米四氧化三鐵因質量小，在載液中的懸浮性好，不易沉淀，可以與一些密度較低、容易揮發的新型載液配制新型磁懸液，制成磁懸液噴罐，用于檢測部位不佳、檢測精度要求高的場合。

3.7 促進磁粉介質標準的變更

目前，GB/T 15822.2-2005《無損檢測 磁粉檢測 第2部分：檢測介質》規定：用于無損檢測的磁粉粒徑小于下限直徑d1的磁粉不應多余10%，其中，磁懸液d1≥1.5μm，干磁粉d1≥40μm。隨著納米磁粉的研究和應用，其優越性不斷體現，將促進磁粉檢測介質國家標準的變更，增加特殊領域磁粉檢測，可以取消磁粉粒徑下限直徑的限制。

作者簡介

戚政武，本科，院長，高級工程師，國家質檢總局科技項目《基于膜技術的納米磁性無損檢測材料的制備及其性能研究》（項目編號：2015QK293）負責人。

楊寧祥，碩士，主任，高級工程師，國家質檢總局科技項目《基于膜技術的納米磁性無損檢測材料的制備及其性能研究》（項目編號：2015QK293）主要參與人。

王磊，博士，主任，副教授，國家質檢總局科技項目《基于膜技術的納米磁性無損檢測材料的制備及其性能研究》（項目編號：2015QK293）主要參與人。