一 理论知识
1.磁流体的组成
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磁流体指的是吸附有表面活性剂的磁性微粒在基载液中高度弥散分布而形成的稳定胶体体系，它是由纳米级的固体磁性粒子、表面活性剂和基液三部分组成，如图1所示。 图1 磁流体组成
(1)固体磁性粒子
磁性粒子一般有铁氧体粒子如Fe3O4、MeFe往复式喷漆机2O4(Me=Co，Mn，Ni等)、金属及其合金(Co, Fe, Ni及其合金)粒子、氮化铁粒子等。其中氮化铁粒子的饱和磁化强度最高，而铁氧体粒子的化学稳定性较好。目前常用的是Fe3O4粉。对磁流体来说，要求磁性粒子要足够小，因为磁流体是通过粒子的布朗运动来阻止颗粒的团聚和沉淀的，从而维护整个体系的稳定性，一般而言，所用粒子的粒度约为10nm左右。
(2)基液
基液又叫载液，是磁流体的主要组成部分。基液应该满足这样一些条件：低蒸发率、低粘度和高度化学稳定性，以及具有抗高温和抗辐射特性等。基液的性质在很大程度上决定了磁流体的基本物理化学性质，所以要根据特定的条件和要求选择合适的基液。基液大致可以分为:水基、有机基和金属基三类。通常所选用的基液名称及制得的相应铁磁流体的应用范围见表1。
(3)表面活性剂
表面活性剂是一种具有亲水亲油结构并具有降低表面张力、减小表面能，能对溶液进行乳化、湿润、成膜等功能的有机化合物。它是一种极性官能团结构的长链分子，如图2，非极性的疏水碳氢链部分和极性的亲水基团分别处于官能团的两端，一端能通过氢键、离子对或者Van Der Waals力等作用与固体磁性粒子表面形成牢固结合，另一端悬浮于基液中，相互溶解。
表1 各种基液种类和制得磁流体的用途
图2 表面活性剂分子示意图
包覆了表面活性剂后，当磁性粒子彼此接近时，外部的官能团因极性相同而相互排斥，使磁性粒子彼此分开，同时固体磁性粒子由于热运动能的原因带动表面活性剂悬浮的一端在基液中自由摆动，运动轨迹理想状态下是一个球面，从而形成了一个保持距离的能垒，使固体磁性粒子很难越过这个能垒发生团聚。表面活性剂要根据磁流体中固体磁性粒子和基液的种类及它们之间的相互作用来选择，并且要注意与基液的相容性。常用的表面活性剂种类见表2所示。
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2.磁流体的分类
磁流体的分类方法较多，但是目前还没有比较系统的方法。下面几种是比较常用的分法。
（1）按磁性粒子种类分
铁氧体类：磁性粒子是Fe3O4、MeFe2O4(Me=Co，Mn，Ni)等。
金属类：磁性粒子是Co, Fe, Ni及其合金。
氮化铁类：磁性粒子是氮化铁。
（2）按载液种类分
磁流体按载液不同可以分为：水基、烷基、煤油基、柴油基、汞基、酯基、合金基和有机化合物基磁流体。
（3）按应用领域分
磁流体根据各种用途可以分为：密封用磁流体、润滑用磁流体、医用磁流体、扬声器磁流体、印刷打印用磁流体、能量转换用磁流体等。
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（4）按性能指标分
磁流体按不同的性能可以分为：低粘度和高粘度磁流体、低挥发损失和高挥发损失磁流体、高饱和磁化强度和低饱和磁化强度磁流体、重磁流体和轻磁流体等。
表2 常用的表面活性剂种类
磁流体制备的常见方法是化学共沉淀法。其原理是铁盐和亚铁盐在水溶液中反应，会生成Fe3O4粒子。化学方程式为：
Fe2++2Fe3++8OH-= Fe3O4+4H2金刚石悬浮抛光液O
Fe2+和Fe3+通常以过量的比例混合，与碱液在一定的温度和ph值下反应，制得适合胶体大小（10~8nm）的Fe3O4微粒，然后将Fe3O4微粒加入到沸腾的含油酸煤油中煮沸，这时Fe3O4微粒表面吸附油酸，从水相向煤油相转移，生成煤油基纳米磁性流体。为了确保表面活性剂和Fe3O自熟粉丝机4粒子的作用，必须用水多次清洗反应物，以去掉杂质离子，才能获得高度分散的共沉液。这种方法提供了较之其它制备Fe3O4粒子的方法生产效率高，反应迅速，可以自动化、机械化批量生产，是目前工业生产中最普遍使用的方法。
其它制备各类磁流体的方法还有：粉碎法、阴离子交换树脂法、氢还原法、火花电蚀法、等离子体CVD法、气相液相反应法等。
4.磁流体的性质
磁流体的特殊组成使磁流体既具有固体粒子的磁性，又具有液体的流动性，这种胶态悬浮液体表现出了一些不同于普通液体的特性。
(1)稳定性
磁流体稳定性包括两个方面的含义：一个是胶体稳定性，另一个是组成成分的稳定性。所
谓胶体状态的稳定性就是指固相磁性颗粒的沉淀和集聚问题，保持固相颗粒悬浮的弥散状态的驱动力是颗粒的Brown运动。由于周围的基液的分子的随机碰撞，颗粒才会产生Brown运动。所以颗粒尺寸要很小才能对分子的碰撞力作出响应。其次，无论在重力场或在磁场中，颗粒的位能与其体积成正比，体积大位能就高，而稳定性就差。当颗粒相互接近到一定程度后会相互吸引，这会使众多颗粒集聚成团，最终导致Brown运动消失而发生沉淀。克服这一问题的方法就是加入表面活性剂。 至于组成成分的稳定性，主要指的是基液的蒸发、磁流体与其它液体介质在接触时的掺混。磁流体可能在低压、真空或者高温时应用，而基液在这些环境条件下的蒸发就决定了磁流体的使用寿命。与其它液体介质接触时，除了相互渗透外，垂直于界面的磁场分量可能使界面破坏，这称为界面不稳定性。这是目前磁流体不能做液体介质密封的主要原因。此外还有磁性颗粒的氧化变质等。
(2)磁性能
磁流体的磁性源于它包含的磁性粒子。磁性粒子是由众多的分子组成的颗粒，其内部存在各种各样的能量，如交换作用能、各向异性能、应力能、磁场能等等，诸能量作用的结果使颗粒内部形成了许多自发磁化区域。在自发磁化区域内，各原子磁矩排列方向相同，处
于饱和磁化状态，我们称这样的区域为磁畴。对宏观物体，各个磁畴磁矩的排列杂乱无章，结果相互抵消，总磁矩为零，也就不对外显示磁性。对磁流体内的固体粒子，其尺寸一般在10nm左右，是单畴颗粒。
磁流体的磁化机理和一般固体磁性物质不同。固体磁性物质的磁化作用是物质内作轨道运动的电子（相当于分子电流环）受到外磁场的作用，其轨道平面在某种程度上按外磁场方向作有序排列的结果，表现在磁畴上一般是磁畴的扩大或缩小。而磁流体内磁性颗粒的磁化是磁畴旋转造成的。旋转平衡方位取决于磁场能量和热运动能量之间的平衡。颗粒的旋转速度取决于磁场对固体颗粒产生的力矩与流体粘性阻力矩之间的平衡。，在没有外加磁场的情况下，磁性颗粒在基液中作无规则热运动，磁矩方向矢量和为零，整个铁磁流体对外并不显磁性。当受到外加磁场作用时，磁性颗粒磁矩迅速转向外加磁场方向，并使得铁磁流体显示出一定的宏观磁化强度。当外加磁场撤去时，由于热运动的影响，磁性颗粒磁矩的空间取向又变得无序，宏观磁性消失，几乎没有磁滞现象。磁流体的这种特性称为超顺磁性。
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