Fe3O4水基磁性液體的制備及性能研究

閆 東，李占賢

（1.華北理工大學機械工程學院，河北 唐山 063210；2.河北省工業機器人產業研究院，河北 唐山 063210）

0 引言

磁性液體通常情況下有以下三部分構成：磁性顆粒、表面活性劑和基載液[1]。在沒有外界磁場的情況下，磁性顆粒處于無序運動狀態，此時磁性液體的特性同基載液的特性類似，表現為流動性；而當存在外界磁場時，磁性顆粒被磁化，磁性液體表現為磁性。用于制備磁性液體的磁性顆粒主要分為以下三類：第一類是金屬顆粒及其合金顆粒，例如Fe、Ni、Co等，這種磁性顆粒的穩定性較好，飽和磁化強度較高，但是當長時間和空氣進行接觸后，很容易發生氧化反應，影響磁性液體的性能[2]；第二類是金屬氧化物及鐵氧體，例如Fe3O4，這種磁性顆粒的穩定性最好，雖然飽和磁化程度一般，但是制備較為簡單，適合實驗室制備和使用；第三類是氮化鐵顆粒，此類磁性顆粒在制備磁性液體的過程中很容易產生不穩定反應，影響最終的穩定性。磁性液體在密封、磁懸浮、拋光、生物醫學等方面有著廣泛的應用[3-6]。

本實驗采用Fe3O4作為磁性顆粒，水作為基載液制備磁性液體，制備方式為高速機械攪拌法，通過改變磁性顆粒制備出沉淀率較低、性能穩定的Fe3O4水基磁性液體。

1 實驗

1.1 實驗材料

磁性顆粒在很大程度上影響了磁性液體的磁學性能。通常情況下要求磁性顆粒具備很好的導磁率，飽和磁化強度較高的特點，因此選擇微米級別的羰基鐵和納米級別Fe3O4顆粒制備磁性液體。磁性液體的流動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。選擇鈉基膨潤土作為添加劑。

1.2 實驗步驟

將水倒入水浴鍋中并放置好裝有純凈水的燒杯，進行恒溫加熱，當溫度穩定為30℃后，將燒杯中加入2%鈉基膨潤土，在加入鈉基膨潤土的過程中，少量、緩慢的進行添加，同時，使用玻璃棒不斷進行攪拌，在添加完成后進行攪拌機的攪拌，攪拌時間為1h。鈉基膨潤土攪拌完成后再加入磁性顆粒，與加入膨潤土的方法一樣，少量、緩慢的進行添加，添加過程中使用玻璃棒進行攪拌，之后使用攪拌機進行攪拌，攪拌時間為2h。時間完成后，將燒杯取出，并進行冷卻，待冷卻至室溫時即可。在制備過程中需要嚴格控制加入顆粒的含量和攪拌時間等，確保實驗的科學性和嚴謹性。

實驗制備得到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，分別標號為1號、2號、3號。

1.3 Fe3O4水基磁性液體的性能測試

實驗的測試設備為振動樣品磁強計，型號為LS7307-9309，可以對制備出的磁性液體進行磁化強度的分析和測試。

振動樣品磁強計的基礎原理為電磁感應定律，VSM通過將樣品的表面進行磁化，產生磁荷，在測試的過程中，樣品的內部產生退磁場，通過對樣品進行微小振動從而產生電動勢的方法來進行磁化強度的測量和記錄。

2 實驗結果與討論

2.1 沉降穩定性

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16%。表明其均具備較好的沉降穩定性。1號樣品無分層現象，但磁性較弱，飽和磁化程度較低；2號樣品的磁性較強，但分層現象較為明顯，穩定性不高；3號樣品無分層現象，同時磁性較強，性能優良。因此對3號樣品進行磁化強度的測試與分析。

表1 樣品沉降率表

2.2 VSM測試及分析

圖1為所制得磁性液體的磁滯回線，由圖1可知，當H=0時，B=0，此時說明磁性液體不存在殘留磁感應強度的現象，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。從曲線中可以得知，曲線穩定后，其飽和磁化強度為11.75emu/g。

圖1 磁性液體磁滯回線

圖2 磁性液體磁滯回線計算值

圖2 為所制得磁性液體的磁化曲線的計算值，圖3為磁性液體磁化曲線的測量值與計算值的比較，可以看出計算值和測量值大致相同，當磁場強度無限進行增大時，可以認為兩條曲線接近重合關系，通過計算得到飽和磁化強度為11.41emu/g，與測量值相差2.8%。可以認為磁學性能良好。

圖3 磁性液體磁滯回線測量值與計算值的比較

3 結論

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，并對其性能進行了測試分析，得出如下結論：

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

2）3號磁性液體樣品表現超順磁性，飽和磁化強度為11.75emu/g。

3）制備得到磁性液體的磁化性能曲線與計算值相差2.8%，磁學性能良好。