磁性液体的磁性及磁粘性质研究

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利用化学共沉淀法制备了不同体积分数的水基Fe304和COFe2O4磁性液体以及PAO油基Fe304和COFe2O4磁性液体,并进行了表征;利用Ga-Sn和Ga-In合金作为磁性液体载液,探索了合金载液基Fe304和合金载液基非晶Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9磁性液体的磁学性能;利用高温旋转粘度仪,MCR流变仪和振荡杯旋转粘度仪对水基和PAO油基磁性液体的磁粘性质进行了研究,剖析了磁性液体在外加磁场作用下粘度的变化规律,提出一种粘度-磁场滞后效应。分别利用X射线衍射仪、扫描电镜和振动样品磁强计对Fe304和COFe2O4颗粒的结构、微观形貌和磁学性能进行了表征。结果表明两种颗粒均为反尖晶型的结构:两种磁性颗粒均为球形或类球形,颗粒尺寸大小在10-30 nm之间:Fe304纳米磁性颗粒具有较高的饱和磁化强度,且具有超顺磁性,而COFe2O4纳米磁性颗粒饱和磁化强度较低,并具有一些剩磁和矫顽力。利用动态光衍射仪和透射电镜对水基磁性液体和PAO基磁性液体的流体力学直径分布范围、物理直径以及微观形貌进行了表征。结果表明,磁性液体具有窄的流体力学直径分布范围;磁性液体中磁性颗粒的物理尺寸大小均为13-15 nm之间,大多数粒子的形态为球形或近似球形,没有明显的团聚。利用动态磁化率计测量了水基和PAO基磁性液体的动态磁化率曲线,结果表明Fe304的水基磁性液体和PAO基磁性液体的弛豫机制为尼尔弛豫,而COFe2O4的水基和PAO基磁性液体的弛豫机制为布朗弛豫。利用超导量子干涉磁强计测量了水基和PAO基磁性液体的磁滞回线,结果表明磁性液体具有超顺磁性。利用郎之万函数拟合得到的体积分数、磁性液体颗粒的磁性直径与DLS和TEM结果一致。非晶金属磁性颗粒Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9的饱和磁化强度约为125 emu/g,比纳米Fe304磁性颗粒饱和磁化强度高出50%。研究Ga85.8In14.2基Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9非晶磁性液体和Ga91.6Sn8.4基Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9非晶磁性液体的磁学性能发现,合金载液基的非晶磁性液体具有较高的饱和强化强度,且具有低的剩磁和矫顽力。质量分数为2%的Ga-Sn和Ga-In合金载液基磁性液体的饱和磁化强化强度分别为0.4 emu/g和0.6 emu/g,其磁学性能优于同质量分数的合金载液基Fe304磁性液体的磁学性能。研究Ga85.8In 14.2和Ga91.6Sn8.4基Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9非晶磁性液体不同温度下的磁化曲线发现,合金载液基Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9非晶磁性液体的磁学性能表现出温度依赖性,其磁化强度和饱和磁化强度随着温度的升高而降低。在无外加磁场作用下,由于温度升高,悬浮在磁性液体中磁性颗粒的布朗运动加剧,使得磁性液体的基液与磁性颗粒之间的旋转温度差逐渐降低,磁性液体的粘度随着温度的升高而降低;磁性液体的粘度随着剪切速率的增加而降低,磁性液体的剪切速率和剪切应力呈现非线性关系,属于非牛顿流体;外加磁场对磁性液体的粘度具有显著的作用,在外加磁场作用下,磁性液体的粘度随着剪切速率的增加而降低,出现剪切致稀行为。利用振荡杯旋转粘度仪研究磁性液体粘度-磁场滞回曲线发现,不同体积分数的水基和PAO基Fe304磁性液体具有不同的粘度-磁场滞后现象;不同体积分数的水基COFe2O4磁性液体和PAO基COFe2O4磁性液体具有相同的粘度-磁场滞后现象;不同磁性颗粒的水基和PAO基磁性液体具有不同的粘度-磁场滞后现象。我们提出“粘度-磁场滞后效应”,△η*=(ηde-ηin)/ηin。当△η*<0时,我们称负粘度-磁场滞后效应;当△η*>0时,称为正粘度-磁场滞后效应。根据我们提出的粘度-磁场滞后效应,对于水基和PAO基COFe2O4磁性液体△η*>0;对于低浓度1.5%水基和PAO基Fe304磁性液体△η*≥0;而对于6%水基和PAO基Fe304磁性液体,当在外加磁场强度较高的区间△η*>0,表现为正的粘度-磁场滞后效应,而在外加磁场较低的区间△η*<0,表现为负的粘度-磁场滞后效应。磁性液体这种特殊的粘度-磁场滞后效应与磁性液体内链状结构和滴状结构的形成和破裂有关。研究冰冻处理后体积分数6%水基Fe304磁性液体的磁化过程,结果表明水基磁性液体冰冻后的饱和磁化强度大于冰冻前水基磁性液体的饱和磁化强度;研究冰冻后体积分数6%的水基磁性液体的磁粘性质发现,随着磁场强度的增加,磁性液体的粘度增加;随着剪切速率的增加,磁性液体的粘度降低,出现剪切致稀现象;研究冰冻后体积分数6%的水基磁性液体的粘度-磁场滞后效应发现,当在外加磁场强度较高的区间时,磁性液体中磁场作用起主动作用,磁性液体在外加磁场降低的粘度大于外加磁场增加阶段的粘度,△η*>0,表现为正的粘度-磁场滞后效应;而在外加磁场较低的区间,磁性液体的流体动力起主导作用,磁性液体在外加磁场降低的阶段粘度小于外加磁场增加阶段的粘度,△η*<0,表现为负的粘度-磁场滞后效应。这结果与冰冻处理前6%的水基Fe304磁性液体的粘度-磁场滞后效应相似。研究体积分数6%水基Fe304磁性液体,体积分数6%水基CoFe2O4磁性液体和体积分数6%水基Fe基非晶颗粒磁性液体的磁致热效应,结果表明水基Fe304磁性液体比水基CoFe2O4磁性液体具有更好的磁致热效应;由于Fe73.5Nb3Cu1Si13.5B9颗粒具有高的饱和磁化强度,水基Fe基非晶颗粒磁性液体具有最好的磁致热效应。
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