Магнитная жидкость: свойства, получение, применение

Министерство образования  и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Г. ЧЕРНЫШЕВСКОГО»

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Магнитная жидкость. Свойства, получение, применение».

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент 3-го курса

341 группы

Игонин Семён

Проверил:

 

 

 

 

 

 

Саратов, 2011

Содержание

 

 

Введение

 

За последнее время учёные изобрели много магнитных жидкостей (феррофлюиды) – жидкостей, обладающих магнитными свойствами твёрдого тела и жидкости-носителя.  Магнитная жидкость представляет собой устойчивую коллоидную систему стабилизированных высокодисперсных частиц магнитного материала (~10 нм) в жидкой среде. Феррофлюиды были обнаружены в 1960-е гг. в исследовательском центре NASA, занимающимся изучением методов контроля над жидкостью в вакууме. Они применили магнитожидкстный вакуумный герметизатор в шлема скафандра, который обеспечил свободное вращение шлема.

Преимущества магнитной жидкости очевидны – расположением жидкости можно управлять при помощи магнитного поля. Поэтому она нашла широкое применение во многих отраслях науки и техники. Учёные синтезировали жидкости, содержащие такие ферромагнитные материалы, как кобальт и железо, но особое внимание, конечно же, было уделено частицам магнетита Fe₃O_4. [1]

 

1. Структура магнитных жидкостей

 

Магнитные жидкости состоят из трёх компонентов: жидкой основы, магнитных коллоидных частиц и поверхностно-активного вещества (ПАВ). В зависимости от того, из какого магнитного материала образованы коллоидные частицы – из окисного (типа - магнетита) или из металлического (типа - кобальта), - магнитные жидкости носят названия соответственно окисных или металлических.[2]

1.1 Оценка размеров коллоидных частиц

 

Само существование коллоидной суспензии предполагает, очевидно, что взвешенные в жидкости твердые частицы не оседают под действием силы тяжести. Для этого скорость броуновского (теплового) движения частиц должна быть не меньше скорости оседания, определяемой формулой Стокса. Отсюда — верхняя оценка размеров взвешенной частицы

(1)

где Δr = r_s—r_i разность плотностей твердой и жидкой фаз. В зависимости от вязкости жидкости η формула (1) дает d_max ~ 10^-3 — 10^-4 см при комнатных температурах. Практически в устойчивых коллоидах размеры частиц лежат в пределах 10^-7 — 10^-4 см. В состоянии термодинамического равновесия распределение частиц по высоте подчиняется барометрическому закону

(2)

V — объем частицы.

 

 Следовательно, чтобы не иметь дела с градиентами концентрации гравитационного происхождения, высота контейнера h должна быть достаточно мала:

(3)

Для Δρ = 10 г/см³, Τ = 300 °К и d = 200 А должно быть h < 1 см.

Если в обычных суспензиях градиенты концентрации частиц обусловлены одними лишь архимедовыми силами, то для магнитных суспензий, помещенных в неоднородное поле Н, роль, аналогичную полю тяжести, играют градиенты магнитного поля. В неоднородном поле на частицу с магнитным моментом m действует сила mÑ H. Оценивая величину этой силы, следует иметь в виду, что при тех размерах частиц (d ~ 100 А), какие используются в устойчивых магнитных коллоидах, каждая взвешенная частица представляет собой отдельный магнитный домен. Расчет критических размеров, ниже которых частица становится абсолютно однодоменной, приводит к значениям d от нескольких сотен ангстрем (330 и 760 А для железа и никеля соответственно) до нескольких тысяч ангстрем для материалов с сильной магнитной анизотропией (4 10³ и 13 10³ А для марганцево-висмутового сплава и феррита бария)[3].

1.2 Характеристики ПАВ

Для стабилизации коллоидных частиц применяют поверхностно-активные вещества ПАВ, которые хорошо адсорбируются  на поверхности частиц и имеют  химическое сродство к жидкой основе. Защитный слой не должен разрушаться под действием электролитов, температуры, механических вибраций. Но главная цель – создать адсорбционный слой определённой толщины, который ограничивает силы взаимного притяжения между частицами. Для этого подходят вещества, состоящие из короткой реакционно-способной группы атомов (функциональная группа) и длинной углеводородной цепочки. Функциональные группы располагаются в головной части (её длина должна быть не менее 1-2 нм) длинноцепочечной молекулы или по всей длине молекулы полимера. Тепловое движение хвостовой части молекулы препятствует объединению молекул ПАВ между собой (полимеризации), которое снижает защитные свойства адсорбционного слоя. Поэтому для каждой основы специально подбирается ПАВ. Кроме того, хвостовая часть молекулы этого вещества не должна обладать химическим сродством к материалу частицы, иначе она локализуется на поверхности частицы. Что касается связи функциональной группы и поверхности твёрдой частицы, то наиболее предпочтительна слабая химическая связь (хемосорбция), которая прочнее, чем адсорбционная. Олеиновая кислота, молекула которой содержит 18 атомов углерода, является наиболее распространенным стабилизатором магнетитовых частиц в углеводородных основах (рис. 1).

рис. 1

Кроме олеиновой кислоты для  стабилизации магнитных жидкостей  на углеводородных основах используется полиизобутиловый эфир янтарной кислоты. Стабилизацию магнитных жидкостей  на основе воды можно осуществить  с помощью алкилгуанидинового комплекса (рис. 2).[4]

Рис. 2

2. Способы получения магнитных жидкостей

 

Технологический процесс  приготовления МЖ можно разделить  на две стадии:

• Сверхтонкое измельчение вещества, обладающего магнитными свойствами (получение ультрамикроскопических частиц)
• Нанесение на эти частицы слоя ПАВ и диспергирование стабилизированных частиц в жидкой основе.

В зависимости от методики получения  ультрамикроскопических частиц классифицируют способы приготовления магнитных  жидкостей.

2.1 Измельчение

 

МЖ впервые была получена Пейпеллом в 1965 г. По его методу порошок магнетита вместе с керосином или другой органической жидкостью загружают в шаровую мельницу и подвергают механическому измельчению; продолжительность обработки около двух недель. В процессе измельчения в массу вводят олеиновую кислоту, которая используется в качестве ПАВ. Таким способом можно получить стабильную магнитную жидкость с высокой намагниченностью. Сфера применения способа Пепелла ограничивается лишь измельчением крупнодисперсных магнетиков. Существенным недостатком является высокая стоимость конечного продукта.

2.2 Способы конденсации

 

Известно, что при взаимодействии растворов солей двух и трехвалентного железа в воде происходит образование магнетита в виде высокодисперсных частиц:

Например, при реакции хлористого и хлорного железа в водном растворе гидроокиси натрия образуются коллоидные частицы магнетита:

Кроме того, можно использовать сернокислое  и сернокислотное железо. Ультрамикроскопические магнетитовые частицы, полученные таким образом, стабилизируют олеиновой кислотой, затем гидратируют, промывая водой, и пептизируют в ксилоле или другой основе.

2.3 Способ искрового разряда

 

В жидкую среду погружают металлический  электрод и осуществляют разряды, в  результате которых металл электрода распределяется в среде в форме коллоидных частиц. Иными словами, посредством электроискровых разрядов металл электрода подвергают испарению с последующим охлаждением жидкой средой, причем охлаждение происходит достаточно быстро с образованием ультрамикроскопических частиц, т.е. в конечном счете, получается магнитная жидкость.

Например, Способ Берковица и Уолтера. Используется в качестве материала электрода некристаллический сплав FeO_0.75Si_0.75B_0.1. Образующиеся в результате электроискровых разрядов коллоидные частицы диспергируют в растворителе, в частности используют додекан C₁₂H₂₆. На рис. 3 показана схема устройства для реализации электроискрового способа приготовления магнитных жидкостей. Кроме того, этот способ применим для приготовления магнитной жидкости с коллоидными частицами железа.  

Рис. 3.

1 – электроды; 2 – экранирующая сетка; 3 – коллоидные  частицы

2.4. Термические  способы

 

Металлорганические соединения (химически не стабильные) подвергают термическому разложению, выделяя чистый металл в виде ультрамикроскопических частиц, которые, будучи диспергированы в соответствующем растворителе, образуют магнитную жидкость.

Например, Способ Кильнера. Приготовление  магнитной жидкости с коллоидными  частицам железа. Fe₂(CO)₅ вместе с ПАВ (Duomrn-TDO) пептизируют в толуоле и нагревают при 130^oС в атмосфере азота, в результате чего Fe₂(CO)₅ разлагается с выделением ультрамикроскопических частиц железа, которые сразу же покрываются присутствующим в толуоле ПАВ. Таком образом, создаётся стабильная суспензия коллоидных частиц в толуоле.

Вместо термического разложения карбонилов металлов можно осуществлять их разложение воздействием УФ облучения.[2]

 

3. Свойства магнитных жидкостей

3.1 Статические магнитные свойства

 

Коллоидные частицы ферромагнетика обладают постоянным по величине магнитным моментом. Внешнее магнитное поле упорядочивает направление магнитных моментов, что ведёт к появлению макроскопической намагниченности. В средних по величине магнитных полях тепловое движение препятствует выстраиванию магнитных моментов вдоль поля. В очень сильном магнитном поле все магнитные моменты ориентированы полем, и намагниченность достигает состояния насыщения. В равновесном состоянии намагниченность жидкости зависит от объёмной концентрации магнитного материала, величины магнитного момента частицы, приложенного поля и энергии разупорядочивающего теплового движения. При отсутствии магнитного дипольного момента взаимодействия между монодисперсными коллоидными частицами равновесное магнитное состояние можно описать классическим законом, выведенным П. Ланжевеном

, (4)

где j_M  - объёмная концентрация магнитного материала;

 (5) – ланжевеновский аргумент

для сферических частиц: 

3.2 Зависимость магнитных свойств от температуры.

 

Магнитные свойства жидкостей определяются однодоменными частицами ферромагнетика, спонтанная намагниченность которого исчезает при определённой температуре – точки Кюри.

Однако точка Кюри у магнитных материалов, образующих твёрдую фазу магнитных жидкостей, намного превышает температуру термической стабильности жидкости. Так, у магнетита точка Кюри находится в интервале 550-600 ^oC. Поэтому зависимость магнитного момента магнетитовых частиц от температуры можно не учитывать. Другой механизм воздействия температуры на намагниченность – тепловое дезориентирующее движение магнитного момента (см. 5). Более того, жидкая основа с повышением температуры расширяется, что ведёт к уменьшению числа частиц в единичном объёме, и, следовательно, к снижению намагниченности.

В случае сильного поля все  частицы ориентированы по нему, и вклад теплового движения в размагничивание жидкости можно не учитывать.

3.3 Магнитодиэлектрический  эффект

 

Известно, что влияние  электромагнитных полей на электрическую поляризацию молекул ничтожно мало.

В магнитных жидкостях  носителями магнитного момента являются малые частицы, анизотропия которых  может быть обусловлена рядом  причин: предпочтительным направлением магнитного момента m в частице, её электрическим дипольным моментом p и стерическим дипольным моментом s. При отсутствии внешних воздействий в ансамбле таких частиц не наблюдается какого-либо взаимного дипольного упорядочения, так как тепловые флуктуации обеспечивают равновероятность всех направлений векторов m, s, p. Налагая на жидкость внешнее магнитное поле, можно индуцировать электрическую поляризацию магнитной жидкости: магнитное поле выстраивает магнитные моменты в одном направлении, что приводит также к упорядочению направлений электрических диполей. Если постоянное магнитное поле приложить параллельно переменному электрическому полю, то электрическая восприимчивость магнитной жидкости, будет монотонно расти с увеличением напряжённости магнитного поля. А если магнитное поле направить перпендикулярно, то уменьшаться.  Электрическая поляризация магнитной жидкости представляется, как векторная сумма электрической поляризации основы и деспергированных частиц. Было выявлено влияние соотношения между диэлектрическими проницаемостями частиц и основы на характер изменения электрической поляризации жидкости в магнитном поле. В частности, если e₂>e₁ (e₁ - диэлектрическая проницаемость основы, e₂  - частиц), то магнитное поле, параллельное электрическому, увеличивает диэлектрическую проницаемость.[4]