追踪神奇的“生物导弹”——北京交通大学教授李德才谈磁性液体研究

磁性液体稳定性测试方法研究苏树强;李德才【摘要】磁性液体的稳定性是其一项重要性质,而现有的稳定性测试方法需要专用仪器,测试过程复杂,成本高.利用磁性液体的磁化特性,提出了一种基于并联谐振电路检测在重力场作用下磁性液体稳定性的新方法.采用磁性液体作为电感线圈的芯体,利用磁液中磁性微粒浓度决定线圈电感值的特性,通过测量不同位置线圈电感的变化即可推测出磁性微粒浓度分布和稳定性,并采用调频式并联谐振的集成电路测量电感的变化值.新方法具有成本低、测试方便快捷等优点,为磁性液体稳定性判定提供了新的途径.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2016(040)001【总页数】5页(P67-71)【关键词】磁性液体;稳定性;电感;并联谐振【作者】苏树强;李德才【作者单位】北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044【正文语种】中文【中图分类】TP212;TH82磁性液体(magnetic fluid),又叫铁磁流体(ferrofluid),是由直径约为10 nm的磁性固体微粒在特定表面活性剂的作用下,均匀分散到载液中与其混合而成的一种固液相混的胶体溶液.在磁流体中,存在粒子间的力(磁引力、范德瓦耳斯力),外场力(重力场、梯度磁场对磁性粒子的磁力)等作用力,这些力会导致磁性粒子存在永久聚集作用,磁性粒子因发生聚结而产生沉降,实际上很难制备出长期稳定的磁性流体.目前,尚未找到对聚集体进行定量分析的好方法和消除聚集体的有效措施.而实际使用的磁液应是在一定的运用条件下相对稳定的(即其沉降速度在可接受范围内).因此,测试磁性液体的稳定性是磁性液体应用[1-5]的一个关键环节.传统磁流体磁性和稳定性的检测方法多采用振动样品磁强计、BH仪、热磁分析仪、分光光度计或古埃磁天平等仪器[2,6-8]进行研究.这不仅需要专业设备,测试过程也较为复杂.本文作者提出利用最新并联谐振集成电路,采用电感线圈测量磁液稳定性的新方法.通过测定线圈内部电感的变化反映出磁液中的粒子浓度分布情况,由粒子浓度分布在外场作用下的变化情况可判断磁液的稳定性.其基本原理是磁液中的磁性微粒具有磁性,在外磁场的作用下可被磁化,采用磁液作为螺线管电感的芯体材料时比空心时线圈的电感值更高,而电感的增量与磁液中磁性微粒的浓度相关.因此,通过测量磁液样品不同位置的电感相对增量值即可确定磁性微粒的浓度分布,由粒子浓度分布在外场作用下的随时间的变化情况可判断磁液的稳定性.磁性液体稳定性指在外磁场、重力场作用下,磁性液体中的磁性颗粒可稳定分散于磁性液体中而不发生聚集沉淀的性质.在外磁场的作用下,磁液稳定需满足:①磁性液体中的磁性颗粒自身的磁势能应大于其热动能;②磁性颗粒(视作偶极子)间的磁势能应大于颗粒间的热动能.颗粒的尺寸越小热运动越激烈,从而其热动能越大.理论研究表明[9-10],满足上述条件要求磁性颗粒小于10 nm量级.由于磁性颗粒的尺度小至分子量级,磁性液体中粒子间还存在范德瓦耳斯力.重力场对磁性颗粒的影响比外磁场小,即在外磁场下稳定,在重力场下亦稳定.因此,在磁性液体中粒子间相互趋近的势能是磁吸引势能和范德瓦耳斯力的吸引势能.抵抗这两种吸引势能的是分散剂长链分子在颗粒表面构成的保护层的排斥势能,达到此目的取决于分散剂的性质和链分子长度[11].稳定的磁性液体在外磁场或重力场作用下会有一定的浓度分布[12-14].制备稳定的磁性液体的关键是获得足够小的磁性颗粒及选择合适的分散剂.实际制备的磁性液体其稳定性最终需要用实验方法验证.磁性液体稳定性检测就是要检测出磁性颗粒在磁性液体中的分布情况(分布均匀性),以及在外场作用下能否长时间保持稳定均匀分布.其测量原理基于磁性液体特有的磁性和光学性质.本文的测试方法利用磁性液体的磁化性质,且其磁性与其内部的磁性颗粒浓度相关的原理实现的. 磁液中磁性微粒尺寸小于单畴临界尺寸,会自发磁化达到饱和.由于颗粒尺寸小,粒子磁矩受到热扰动的影响而混乱分布.当无外磁场时,磁性液体总磁矩为零,而当存在外磁场时,颗粒磁矩立刻定向排列,对外显示出磁性.通常磁性粒子在10 nm左右,属于超顺磁性,超顺磁性粒子的磁化规律服从郎之万函数关系[10]式中:n为单位体积内的粒子数;m为粒子磁矩;Ms为磁化强度;L(ξ)为郎之万函数;ξ=μ0m H/(k0T),μ0是真空磁导率,H是磁场强度,k0是波尔兹曼常数,T为绝对温度.随着磁场的增加(ξ→∞),系统的磁化强度达到饱和值Ms=mn,所有粒子的磁矩都沿着磁场取向,此时,M≈Ms,cotξ→1,式(1)变为对于弱磁场,即ξ≪1时,L(ξ/3)-(ξ3/45)+…,只考虑第1项ξ/3,则有其中,比例系数χ称为磁性液体的磁化率.若对应单位体积的粒子数为n～1023m-3(实际磁液的浓度),对磁矩m≈10-19JT-1室温下,磁化率为χ～1,此时,饱和磁化强度是Ms～104Am-1.实际磁液的磁化率约为0～1,由式(3)可见,χ∝n,即磁性液体的磁化率和磁性液体的浓度成正比.而磁性液体的相对磁导率为其值介于1～2之间.本研究采用的磁液样品的实测磁化曲线如图1所示.假定电感线圈中磁场是均匀场,按静磁学计算其电感为式中:N为电感线圈单位长度匝数(线圈密度);l为线圈长度;r为线圈半径;V为线圈包围体积.充满磁液后,线圈总电感变为式中:rf为电感线圈中置容器半径;Vf为线圈中置容器体积.采用磁液作为电感线圈的芯体材料,当电感线圈结构确定后,线圈的电感值与磁性液体的相对磁导率成正比.式(3)、式(4)表明磁液的相对磁导率与磁液的浓度成正比,因此,线圈电感值与磁性液体磁性颗粒浓度成正比.磁性液体中的磁性颗粒浓度越大,则线圈具有更大的电感值.若磁性液体中的磁性颗粒发生聚集沉降,会导致容器磁性液体中的磁性粒子浓度发生变化,测量磁液容器不同的部位的电感值即反映了磁性液体内部不同部位磁性颗粒的浓度分布.由此可见,根据在一定时间间隔测量的磁性颗粒浓度分布的变化情况可以测出磁液的稳定性.为了获得较高的测量精度,磁液电感的检测电路测量采用调频式并联谐振电路,电路原理图如图2所示.其中L为测量电感线圈,C为固定电容,二者并联作为谐振电路的振荡元件连接至振荡器.电感线圈作为振荡器的一个振荡元件,其电感量的变化可使振荡器的振荡频率发生变化,从而鉴频器的输出频率的变化可反映检测线圈的变化. 图2电路中检测线圈内部的磁性液体工作于交变磁场中,会产生能量损耗,其值为式中:W为材料单位体积总的磁损耗;Wh为磁滞损耗;We为涡流损耗;Wc为残留损耗.磁性液体为超顺磁性,无磁滞损耗,在低频弱场情况下,残留损耗可认为不依赖频率的常数,而交变磁场1个周期内材料的涡流损耗We可表示为[15]式中:α为常数;f为交变频率;d为材料厚度;Bm为磁感应强度最大值;ρ为电阻率.式(8)表明,涡流损耗与交变磁场频率和材料厚度成正比,与电阻率成反比.而磁性液体内的磁性颗粒直径很小,载液的电阻率很高,涡流损耗很小.由于存在磁损耗,线圈中磁感应强度B落后于激励磁场H的变化,即B与H存在相位差δ,用复数表示为线圈中磁性液体实际磁导率用复数表示为式中:实部μ'f(f)代表单位体积磁液的磁能存储,会引起电感线圈电感的变化;虚部μ″f(f)代表单位体积铁磁材料在交变磁场中每磁化一周的磁能损耗,δ为磁感应强度B落后于H的相位角,称为损耗角.当C固定时,图2电路谐振频率取决于检测线圈的电感,当ωL≫R时,L-C振荡器的谐振频率为测试时,调整检测线圈电感值或电容值,使在无磁液样品时的谐振频率为f0.由于谐振电路只有在较高频率的情况下才能达到较高的精度.但由式(8)可知,频率升高会使磁损耗变大,综合考虑确定f0为1 MHz.当磁性液体样品插入检测线圈时,L发生变化,L-C振荡器的谐振频率变为f.对于L的微小变化,由下式计算频率变化量为考虑到磁化损耗,将式(11)中的μ'f带入式(6),结合式(5),式(13)计算频率相对变化率为式中:k为与线圈结构有关的系数,表明Δf/f0与μ'f成正比,而μf反映了线圈中磁液磁性微粒的浓度变化.因此,若磁性液体中磁性粒子浓度不同,L-C振荡器的谐振频率会存在Δf,而Δf/f0代表了磁性粒子的浓度.测出磁液样品的Δf/f0随位置变化值,可知磁性粒子随位置的分布情况以进一步判定磁性液体的稳定性.测量装置由高150 mm,内径8 mm圆柱形带刻度玻璃管(其内部注满磁液),高度为5 mm电感线圈,振荡器及检测电路和一台计算机组成.电感线圈固定于高度尺滑臂,依据刻度上下移动.装置结构示意图如图3所示.测试磁液样品为本单位制备的采用Fe3O4磁性微粒的机油基磁性液体,其磁化曲线见图1.将实验装置玻璃管直立放于重力场及梯度磁场中,经过一段时间后测量玻璃管内各个位置磁液的磁性颗粒浓度的变化,了解其稳定性.如各个位置的值相等,或测试前后某一位置无相对变化,则表明此磁液的浓度无偏析,磁液是稳定的[12].本文采用了两种测试方法:①比重法:从装置玻璃管内自上而下不同位置吸取磁液,采用比重瓶测量其比重,从不同位置测得的磁液比重情况可知试管内磁液的浓度分布;②本文提出的电感线圈测试法,谐振电路选用LDC1000电感数字转换器,其内部集成了激励源信号,并联谐振电路(谐振频率范围5 k Hz～5 MHz),谐振频率检测电路(24位数模转换器,精度和重复性优于2× 10-5)及SPI数接口等.采集电路中的MCU通过SPI与LDC1000交互,执行LDC1000的设置和控制,输出的频率值经MCU的USB 转送至计算机.实际测量电路图如图4所示.实验前,将磁液样品充分搅拌,在玻璃管底部放置永磁体,这样磁液受到重力场和永磁体产生的梯度磁场作用.之后24 h(1 d)、48 h(2 d)及1周后分别对磁液进行测试(测试时移去永磁体),以获知外场作用下磁液在测试期间的稳定性.两种方法测试结果如图5和图6所示.实验完毕,吸出磁液,底部无固体沉淀.由图5(a)可见,检测磁液样品的密度(反映粒子浓度)在1.057 7～1.058 9 kg/m3之间,且3次测试结果基本重合,由图6(a)可见,检测的磁液样品的Δf/f0(反映粒子浓度)在0.065～0.070之间,且3次测试结果基本重合.说明磁液在试验阶段磁液样品是稳定的.由图5(b)和图6(b)可见,随着线圈高度(取液位置)增加,粒子浓度(比重)呈下降趋势,这主要由沉降作用和粒子直径的不均匀等原因导致,需进一步研究.采用比重法测试过程中,由于取液过程不可避免对测试样品有扰动,实验结果的一致性和重复性不如本文提出的方法.1)新型磁性液体稳定性测量方法能方便、准确地反映磁性液体在重力场作用下内部磁性颗粒的浓度分布,是完全可行的.2)对于同种磁液,由于聚集沉降作用,容器内磁性液体的浓度存在差异.新方法通过一定时间的测试不仅可以推算粒子的沉降速度,进而验证磁性液体的稳定性,还可用来检测不同磁液的浓度差异.3)新的测试方法具有非接触、测试方便及测试结果一致性、重复性好的优点.【相关文献】[1]STANCI A,IUSAN V,BUIOCA C D.Magnetofluidic sensor for volumemeasurement[J].Sensors and Actuators,2000,84:246-249.[2]SHIMADA K,SHUCHI S,KANNO H,et al.Magnetic cluster and its applications[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2005,289:9-12.[3]ODENBACH S.Colloidal magnetic fluids:basics,development,and application of ferrofluids[M].Berlin:Springer Verlag,2009.[4]何新智,李德才,孙明礼.磁性液体倾角传感器的实验研究[J].计量学报,2009,30(5):464-467.HE Xinzhi,LI Decai,SUN Mingli.Experimental study of ferrofluid inclination sensor[J].Journal of Measurement,2009,30(5):464-467.(in Chinese)[5]郝瑞参,李德才,崔海蓉,等.磁性液体压差传感器的研究[J].计量学报,2009,30(1):78-79.HAO Ruican,LI Decai,CUI Hairong,et al.Study on pressure difference sensor with magnetic fluids[J].Journal of Measurement,2009,30(1):78-79.(in Chinese)[6]罗新,方裕勋.古埃磁天平法研究磁流体的磁性及稳定性[J].华东地质学院学报,1997,20(2):120-125.LUO Xin,FANG Yuxun.Gouy magnetic balance measuring ferro fluid’s magnetism and stability[J].Journal of East China Geological Institute,1997,20(2):120-125.(in Chinese) [7]张银燕,尹衍升.纳米Fe3O4磁性液体稳定性的研究[J].化学物理学报,2004,17(1):78-80.ZHANG Yinyan,YIN Yansheng.Study on the stability of nanosized Fe3O4magnetic fluids[J].Chinese Journal of Chemical Physics,2004,17(1):78-80.(in Chinese)[8]谭锁奎,郭红燕,吴敏,等.磁流体的稳定性研究[J].兵器材料科学与工程,2009,32(5):84-87.TAN Suikui,GUO Hongyan,WU Min,et al.Stability of magnetorheologic fluid[J].Ordnance Material Science and Engineering,2009,32(5):84-87.(in Chinese)[9]ROSENSWIEG R E.Ferrohydrodynamics[M].Cambridge:Cambridge University Press,1985.[10]池长青,王之珊,赵丕智.铁磁流体力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993.CHI Changqing,WANG Zhishan,ZHAO pizhi.Ferromagnetic fluid mechanics[M].Beijing:Beihang University Press,1993.(in Chinese)[11]洪若瑜.磁性纳米粒和磁性流体制备与应用[M].北京:化学工业出版社,2009.HONGRuoyu.Preparation and application of magnetic nanoparticles and magneticfluids[M].Beijing:Chemical Industry Press,2009.(in Chinese)[12]李德才.磁性液体的理论及应用[M].北京:科学出版社,2003.LI Decai.Theory and application of magnetic fluid[M].Beijing:Science Press,2003.(in Chinese)[13]蒋秉植,杨健美.磁性流体的制备、应用及其稳定性的解析[J].化学进展,1997,9(1):69-78.JIANG Bingzhi,YANG Jianmei.The preparation,application and analysis of stability for magnetic fluid[J].Process in Chemistry,1997,9(1):69-78.(in Chinese)[14]李剑玲,李德才.纳米磁性液体的制备技术[J].机械工程师,2009(1):113-115.LI Jianling,LI Decai.Preparation technology of nanosized magnetic fluids[J].MechanicalEngineer,2009(1):113-115.(in Chinese)[15]严密,彭晓领.磁学基础与磁性材料[M].杭州:浙江大学出版社,2006.YAN Mi,PENG Xiaoling.Magnetic foundation and magnetic materials[M].Hangzhou:Zhejiang University Press,2006.(in Chinese)。

磁性液体水平传感器的实验研究
崔海蓉;李德才;孙明礼;郝瑞参
【期刊名称】《北京交通大学学报》
【年(卷),期】2008(032)004
【摘要】制备满足磁性液体水平传感器应用要求的磁性液体,以及设计合理可行的实验模型是进行磁性液体水平传感器研究的实验基础.通过自行制备煤油基磁性液体,用于自行设计的磁性液体水平传感器实验模型,分析并探讨磁性液体水平传感器用煤油基磁性液体的制备工艺,及磁性液体水平传感器实验模型设计参数的可行性.实验证明磁性液体的制备工艺完全适用于磁性液体水平传感器的研究,实验模型的参数设计是可行的,实验结果验证了建模的理论依据.
【总页数】3页(P33-35)
【作者】崔海蓉;李德才;孙明礼;郝瑞参
【作者单位】北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京,100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京,100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京,100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京,100044
【正文语种】中文
【中图分类】THL36
【相关文献】
1.磁性液体倾角传感器的实验研究 [J], 何新智;李德才;孙明礼
2.磁性液体惯性传感器仿真分析及实验研究 [J], 喻志森;杨晓锐;张瑞雪;杨文荣
3.基于磁性液体粘度的水平磁性液体微压差传感器动态响应特性研究 [J], 谢君;李德才;张志力
4.新型磁性液体惯性传感器的理论与实验研究 [J], 钱乐平;李德才
5.磁性液体在倾角传感器中的应用实验研究 [J], 韩琪;张志力;谢君;李德才
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

专利名称：磁性液体及其制备方法专利类型：发明专利
发明人：李德才,崔红超,陈思宇
申请号：CN201710743951.1申请日：20170825
公开号：CN107424716A
公开日：
20171201
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了磁性液体及其制备方法。

所述磁性液体包括：磁性纳米颗粒和K‑Na合金基载液，其中，所述磁性纳米颗粒具有内芯和外壳，所述外壳包覆在所述内芯的至少一部分外表面上，形成所述内芯的材料为FeO磁性纳米颗粒，形成所述外壳的材料为选自Au、Ag、Pt和SiO中的至少一种。

由此该K‑Na合金磁性液体，使用温度范围宽，热传导系数高，饱和磁化强度高，耐腐蚀，并同时起到密封、冷却和润滑的作用。

申请人：清华大学
地址：100084 北京市海淀区清华园
国籍：CN
代理机构：北京清亦华知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：赵天月
更多信息请下载全文后查看。

磁性液体二阶浮力的理论与实验研究喻峻;何新智;李德才;戴荣坤【摘要】摘要:基于永磁体在磁性液体中受到的二阶浮力的仿真与计算问题,建立了重力场和磁场共同作用下的磁性液体平衡微分方程,推导了二阶浮力的计算公式,提出了一种高精度的二阶浮力的计算方法;将圆柱永磁体等效为同形状的无限薄电流线圈,计算了圆柱永磁体产生的磁场,并根据磁场计算得到二阶浮力;用实验测量了二阶浮力的大小,计算结果和实验结果具有很好的一致性.计算和实验结果表明:不断减小永磁体距离容器壁的距离,二阶浮力不断增大,且距离越小增大得越快.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2018(042)004【总页数】7页(P126-132)【关键词】磁性液体;二阶浮力;磁悬浮力;磁场计算;圆柱磁铁【作者】喻峻;何新智;李德才;戴荣坤【作者单位】北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院,北京100044【正文语种】中文【中图分类】O361.3在无磁场时，磁性液体具有和一般液体相同的悬浮特性.当一个物体密度大于磁性液体时，其在磁性液体中将会下沉；当物体密度小于磁性液体时，物体将会稳定悬浮于磁性液体中.但是在磁场的作用下，磁性液体具有与众不同的悬浮能力，它能把密度大于磁性液体的物质悬浮在磁性液体中.根据悬浮物体的材料，磁性液体的浮力可以分为一阶浮力(第1类浮力悬浮)和二阶浮力(第2类浮力悬浮)，一阶浮力指的是磁性液体在非均匀磁场的作用下，能把浸没于其中密度大于磁性液体的非磁性物质悬浮起来；二阶浮力是指磁性液体能把浸没于其中的密度大于磁性液体的永磁体悬浮起来.根据此原理可以用来设计磁性液体传感器和动力执行器[1-4]、阻尼减振器[5]、轴承[6-7]和微机械系统[8-9]等.文献[10-11]于1966年最早发现二阶浮力现象，并且根据一般情况下磁性液体内部应力张量推导出由磁场变量表达的二阶浮力的面积分表达式[12].由于磁场分布的复杂性，对于不规则的永磁体的二阶浮力的计算十分复杂，研究成果主要集中于形状高度对称的永磁体，如圆柱形永磁体.文献[13]利用镜像电荷法、镜像磁荷法、有限元法仿真计算了磁性液体阻尼减震器中，圆柱形永磁体受到的二阶浮力，并对仿真误差进行了比较；文献[14]利用表面积分法、磁力法、等效磁力法对二阶浮力进行了仿真计算，并对实验测量误差进行了理论分析.对于二阶浮力的测量方法，文献[15]利用柔性细绳捆绑圆柱永磁体，测量了其浸没于磁性液体中受到的二阶浮力，并对二阶浮力的影响因素进行了实验分析；文献[14]和文献[16]用非导磁性刚性棒连接永磁体，测量了二阶浮力；文献[17]利用新型的等效方法测量了二阶浮力，并对实验误差进行了理论分析.在二阶浮力的计算方法中，文献[13]所用的模型假设容器的径向尺寸无限大，与实际情形相差较大，因此实验结果与计算结果的差异比较大；文献[14]得到的仿真结果和实验结果具有很好的一致性，但缺少有效的数学计算方法.在二阶浮力的测量方法中，文献[13]和文献[15]利用细绳捆绑永磁体，由于细绳不能承受压力，当二阶浮力大于永磁体的重力时，此方法将不再适用；文献[17]所利用的等效方法，由磁屏蔽和磁性液体在非均匀磁场下的运动造成的误差不可避免.本文作者利用非导磁刚性棒连接永磁体测量二阶浮力的大小，提出了一种高精度的二阶浮力的数学计算方法.利用等效面电流法计算了圆柱永磁体产生的磁场，并根据磁场计算得到二阶浮力.在容器不变的情况下，实验研究了永磁体偏离平衡位置的距离和磁性液体的用量对二阶浮力的影响.1 理论分析1.1 二阶浮力计算公式的推导讨论一般情况下的二阶浮力，假设一块永磁体浸没于装有磁性液体的容器内.在静止的状况下，磁性液体内不存在切向应力，只有体积力和垂直表面的静压力.若用f 表示单位体积的磁性液体受到的体积力，则f=fxi+fyj+fzk(1)式中：i、j和k分别为直角坐标系中x，y和z轴的单位向量；fx，fy和fz分别为f在x，y和z轴方向的3个分力.(a)微元平行六面体及y方向受力(b)一般情况磁性液体受力分析图1 磁性液体受力平衡图Fig. 1 Equilibrium diagram of magnetic fluid图1为磁性液体受力平衡图.如图1(a)所示，在磁性液体内取边长分别为dx，dy 和dz的微元平行六面体，其中心点为A(x0,y0,z0)，该点的压强为p.由于磁性液体的静压强是坐标的连续函数，故距A点距离为dy/2的左右两个面上的压强，按泰勒级数展开，并略去二阶及以上的无穷小量后，分别为pl和pr，并将它们视为左右两个端面的平均压强.其中(2)(3)在y方向建立微元平行六面体的平衡方程为fydxdydz+pldxdz-prdxdz=0(4)化简为(5)同理，可以写出x和z方向的平衡方程，并将3个方向的平衡方程写成矢量形式为f-p=0(6)永磁体浸没于装有磁性液体的容器内的情况，如图1(b)所示.对于磁性液体，建立牛顿第二定律，有(7)式中: Vm 为磁性液体的体积；S为包围磁性液体的封闭曲面，由容器的内表面S1和永磁体的外表面S2两部分组成；n为垂直磁性液体表面面积微元da的单位向量，其方向指向磁性液体；dvm为磁性液体的体积微元.磁性液体的压强p可表述为[12]p=pg+ps+pm(8)重力压强为pg=ρgh磁致伸缩压强为(10)磁化压强为(11)式中：ρ为磁性液体的密度, ν=1/ρ；g为重力加速度； T为绝对温度； H为磁场强度；M为磁性液体的磁化强度；μ0为真空磁导率；h为相对于磁性液体上表面的垂直距离.压强p的梯度p为p=μ0MMdH+ρgh=μ0MH+ρg(12)则由式(6)和式(12)可知f=μ0MH+ρg(13)单位体积的磁性液体受到的重力为fg=ρg(14)单位体积的磁性液体受到的磁力为fm=μ0MH(15)结合式(13)～式(15)，式(7)变为(16)又因为磁场和重力场是两个互不影响的场，则有(17)(18)以永磁体为研究对象，其处于平衡状态，所受合力为0，即(19)其中 G为永磁体的重力.永磁体在重力、阿基米德浮力和二阶浮力的作用下处于平衡状态,即G+Fg+Fm=0(20)其中Fg和Fm分别为永磁体受到的阿基米德浮力和二阶浮力，且有(21)其中V2为永磁体的体积.由式(19)～式(21)可知，永磁体受到的二阶浮力Fm为(22)由式(22)可知，浸没于磁性液体中的永磁体受到的二阶浮力可分为两部分：1)磁性液体对永磁体的磁吸引力，可表述为2)磁性液体因磁场作用而对永磁体表面产生的接触压力，可表示为由式(22)和式(17)可知(23)由式(23)可知，永磁体受到的二阶浮力等于磁化压强在容器内表面的面积分，且与容器和永磁体的大小及形状无关.当永磁体和容器内表面之间的距离减小时，容器内表面的磁场强度增大，磁化压强增大，二阶浮力也增大.为了验证上述理论分析且简化计算和实验，考虑圆柱形永磁体浸没于圆柱形容器内的情形，假定永磁体的轴线和容器轴线重合，如图2所示.图2 自悬浮于充满磁性液体的圆柱容器内的圆柱永磁体Fig. 2 Self-suspension of a cylindrical magnetic immersed in a cylindrical container filled with magnetic fluid此时容器内表面可写为S1=S1b+S1s+S1t(24)其中S1b、S1s和S1t分别是圆柱形容器的下底面、侧面和上底面.根据式(23)，此时圆柱永磁体受到的二阶浮力为(25)由磁场的对称性可知，磁化压力在容器侧面S1s的积分为0.若磁性液体的磁化系数χ为常数，则式(25)可进一步简化为(26)由式(26)可知，只需求得圆柱容器上下两个底面的磁场强度H，即可求得永磁体受到的二阶浮力.1.2 圆柱永磁体磁场计算假设图2所示的圆柱永磁体沿轴向均匀磁化，其产生的磁场可通过图3(a)所示的物理模型求得，即一段沿轴向均匀磁化的圆柱永磁体产生的磁场等价于同形状的无限薄电流线圈产生的磁场[18].电流的流向与永磁体剩磁向量J0成右手螺旋关系，电流沿轴线的线密度im=J0/μ0.以线圈一个端面的中心为原点，同时建立圆柱坐标系和直角坐标系,如图3(b)所示.圆柱坐标系的z轴和直角坐标系的z轴相同且与圆柱永磁体的轴线重合，圆柱坐标系的平面极坐标在直角坐标系的xy平面上.rm 为圆柱永磁体的半径，lm为圆柱永磁体的轴向长度,θ为电流元的圆柱坐标系中的方位角.(a)永磁体等效物理模型(b)坐标系示意图图3 圆柱永磁体的磁场计算Fig.3 Magnetic field calculation of the cylindrical permanent magnet若P(C,α,D)为用圆柱坐标系表示的空间内一点，电流元Idl在圆柱坐标系内的坐标为(rm,θ,z0)，P点距离电流元Idl的位移矢量在直角坐标系中可表示为R=(Ccos α-rmcos θ)i+(Csin α-rmsin θ)j+(D-z0)k(27)位移矢量R的长度可表示为R=|R|=(C2-2rmC(cos θcos α+sin θsin α)+(D-z0)2+rm2)1/2(28)电流元的方向矢量可表示为dl=-rmsin θdθi+rmcos θdθj(29)电流的大小为(30)根据Biot-Savart 定律，无限薄电流线圈产生的磁场可表示为(31)根据Biot-Savart 定律和电流线圈产生磁场的对称性可知，在空间内以z轴上任意一点为圆心、并与圆电流平面平行的圆周上的磁感应强度大小必定相同，取α=0时的点的磁场强度大小来代替整个圆周上点的磁感应强度大小.因此点P(C,0,D)处的磁感应强度为(32)B在直角坐标系中x，y和z轴上分量大小分别为(33)(34)(35)则B的大小为(36)根据磁感应强度的大小B，可求得磁场强度H为(37)2 二阶浮力的数学计算和实验测量2.1 二阶浮力的数学计算由于圆柱永磁体及圆柱容器的轴线重合，且圆柱永磁体产生的磁场关于永磁体轴线对称，只需进行二维磁场计算，并将所得结果绕永磁体轴线旋转360°可得到三维空间的磁场分布.即当α=0时，图3(b)可简化得到如图4(a)所示的二维直角坐标系，坐标原点设置在圆柱永磁体底面中心，z轴与永磁体和容器的轴线重合.永磁体半径rm=5 mm，长度lm=20 mm；容器半径即磁性液体区域半径rf=10 mm，长度lf=40 mm，容器下底面距离原点的垂直距离为D,C为容器下底面一点距离永磁体轴线(z轴)的距离.(a)数学模型当容器底面距离永磁体底面距离为D时，把D看作常数，C在(0,rf)内变化，根据式(32)～式(37),并利用MATLAB进行计算即可求得容器底面的磁场强度H，其结果如图4(b)所示.(b) 计算结果图4 磁场计算Fig. 4 Magnetic field calculation当D=10 mm时，永磁体处于容器中心位置，当永磁体向下移动时，永磁体上底面和容器上底面的间距由10 mm 开始慢慢增大.由图4(b)可知，容器上底面的磁场强度很小，其对二阶浮力的影响可以忽略.因此式(26)可以进一步简化为(38)2.2 二阶浮力的实验测量二阶浮力测量实验装置如图5所示，转动手摇杆可以使得测力计和数字游标卡尺垂直上下移动，测力计下端连接铝棒，铝棒下端连接圆柱形永磁体.圆柱形永磁体材料为NdFeB，牌号为N35.永磁体插入装有磁性液体的圆柱容器内，磁性液体为机油基磁性液体，密度为1 224.2 Kg/m3，25 ℃时的黏度为20 Pa·s，饱和磁化强度为27.4 emu/g.当铝棒带动永磁体上下移动时，永磁体受到不同的二阶浮力，测力计可以测出永磁体受到的二阶浮力.测力计为HANDPI-10数字显示测力计，其精度为0.01 N.数字游标卡尺能够记录永磁体的位移，即能够测量永磁体下底面和圆柱容器下底面的距离D，从而得到Fm-D曲线.注：1-手摇杆，2-升降台，3-测力计，4-数字游标卡尺，5-铝棒，6-圆柱形容器图5 实验装置Fig. 5 Experimental device2.3 二阶浮力计算结果和实验结果对比图6所示为永磁体受到的二阶浮力计算和实验结果，图中D=10 mm表示永磁体处于容器的中心位置，此时永磁体受到的二阶浮力为0.由图可知仿真和实验结果重合度很好，表明二阶浮力的计算方法的正确性.计算和实验结果均表明：二阶浮力的大小和永磁体距离容器下底面的距离D有关，D越小，二阶浮力越大，且二阶浮力的增大的速率也越大.图6 二阶浮力实验和计算结果对比Fig. 6 Experimental and calculation results of second-order buoyancy图6所示的结果可由图4(b)和式(38)来解释.由图4(b)可知：在其他条件相同的情况下，随着D的减小，容器底面的磁场强度H不断增大，且增加的速度越来越快；又根据式(38)可知，二阶浮力正比于容器下底面磁场强度H2，因此，随着D的减小，二阶浮力不断增大且增大的速度越来越快.3 结果和讨论从永磁体和磁性液体之间的相互吸引力角度来理解二阶浮力，如图7所示.当永磁体向下移动偏离中心位置距离为e时，永磁体上部的磁性液体体积Vmt大于底部的体积Vmb，磁性液体对永磁体向上的吸引磁力大于向下的吸引磁力；同时由于圆柱永磁体产生磁场的对称性，永磁体下底面S2b的磁化压强pm约等于永磁体上底面S2t的磁化压强，此部分对二阶浮力的大小几乎没有影响.综合上述可知二阶浮力的方向向上.随着偏心距离e的不断增大，永磁体受到磁性液体向上的磁吸引力不断增大，向下的磁吸引力不断减小.从磁性液体挤压的观点来阐述二阶浮力，当永磁体向下移动偏离中心位置距离为e 时， S1b的磁场强度大于S1t的磁场强度，即S1b的磁化压强pm大于S1t的磁化压强.因此磁性液体在S1b的挤压程度大于S1t，二阶浮力的方向向上.随着偏心距离e的不断增大，S1b的磁化压强pm不断增大， S1t处的磁化压强pm不断减小.因此可知永磁体受到的二阶浮力与永磁体偏离容器中心的距离e有关，e越大，二阶浮力越大，增大单位偏心距离e时，二阶浮力的增量也越大.图7 二阶浮力的原理Fig.7 Schematic diagram of the second-order buoyancy 4 结论1)永磁体受到的二阶浮力等于磁化压强在永磁体表面的积分加上磁性液体对永磁体的吸引力，并且等于磁化压强在容器内表面的积分.2)计算磁化压强在容器内表面的积分是一种高精度的二阶浮力的计算方法.3)浸入磁性液体的永磁体受到的二阶浮力与永磁体距离容器内表面的距离(永磁体偏离容器中心位置的偏心距)有关，距离越小(偏心距越大)，容器内表面的磁化压强越大，二阶浮力越大，减小单位距离时，二阶浮力的增量也越大.参考文献(References)：【相关文献】[1] VOLKOVA T I, BOHM V, NALETOVA V A, et al. A ferrofluid based artificial tactile sensor with magnetic field control[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, 431:277-280.[2] LAGUTKINAD Y, SAIKIN M S. The research and development of inclination angle magnetic fluid detector with a movable sensing element based on permanent magnets[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, 431: 149-151.[3] OLARU R, ARCIRE A, PETRESCU C, et al. Study of the magnetic force delivered by an actuator with nonlinear ferrofluid and permanent magnets[J]. IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, 2017, 12(1): 24-30.[4] WU S, LI C F, ZHAO X Y, et al. High accuracy position adjustment and vibration isolation actuator with the controlled ferrofluid [J]. Applied Physics Letters, 2017, 111(21): 1-5.[5] ZHANG W, PENG J H, LI S J. Damping force modeling and suppression of self-excited vibration due to magnetic fluids applied in the torque motor of a hydraulic servovalve[J]. Energies, 2017, 10(6): 749-759.[6] LAMPAERT S G E, SPRONCK J W, VAN OSTAYEN R A J. Load and stiffness of a planar ferrofluid pocket bearing[J]. Journal of Engineering Tribology, 2018, 232(1):14-25.[7] LIN J R. Dynamic characteristics of magnetic fluid based sliding bearings[J]. Mechanika, 2013,19(5): 554-558.[8] ASSADSANGABI B, TEE M H, TAKAHATA K. Electromagnetic microactuator realized by ferrofluid-assisted levitation mechanism[J]. Journal of Microelectromechanical Systems, 2014, 23(5): 1112-1120.[9] JAYHOONI S M H, ASSADSANGABI B, TAKAHATA K. A stepping micromotor based on ferrofluid bearing for side-viewing microendoscope applications[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2018, 269: 258-268.[10] ROSENSWEIG R E. Buoyancy and stable levitation of a magnetic body immersed in a magnetizable fluid[J]. Nature, 1966, 210 (5036): 613-614.[11] ROSENSWEIG R E. Fluidmagnetic buoyancy [J]. AIAA Journal, 1966, 4 (10):1751-1758.[12] ROSENSWEIG R E. Ferrohydrodynamics[M]. New York：Dover Publications, 1997: 176-186.[13] YANG W M, LI D C, HE X Z, et al. Calculation of magnetic levitation force exerted on the cylindrical magnets immersed in ferrofluid[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 2012, 40(1): 37-49.[14] YU J, HE X Z, LI D C, et al. Effective and practical methods to calculate the second-order buoyancy in magnetic fluid acceleration sensor[J]. IEEE Sensors Journal, 2018,18(6):2278-2284.[15] 何新智,毕树生,李德才,等.磁性液体二阶浮力原理的实验研究[J].功能材料, 2012, 43(21): 3023-3027.HE Xinzhi, BI Shusheng, LI Decai, et al.Experimental study on the second-order buoyancy of magnetic fluid [J]. Journal of Functional Materials, 2012, 43(21):3023-3027. (in Chinese) [16] YANG W M, WANG P K, HAO R C, et al. Experimental verification of radial magnetic levitation force on the cylindrical magnets in ferrofluid dampers[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, 426: 334-339.[17] YU J, DU H, LI D C. A novel method for calculating and measuring the second-order buoyancy experienced by a magnet immersed in magnetic fluid[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2017, 51(1):1-7.[18] 夏平畴.永磁机构[M].北京：北京工业大学出版社，2000:40-44.XIA Pingchou.Permanent magnetic mechanism [M]. Beijing: Beijing University of Technology Press, 2000: 40-44. (in Chinese)。

科技成果——磁性液体密封装置技术开发单位北京交通大学成果简介磁性液体密封是磁性液体最重要的应用之一，它是一种非接触式的液体密封，同传统的机械密封相比，具有密封性能好、泄漏率低、摩擦力矩小、寿命长等特点，在许多场合具有不可替代的作用。

本项目系统研究了磁性液体的制备技术，建立了磁性液体密封设计理论与方法，不仅成功的解决了一般工况下的磁性液体密封问题，而且在特殊工况下的磁性液体密封方面取得了许多创新性成果，具体如下：（1）发现了影响复杂工况下磁性液体密封启动力矩的主要因素，建立了复杂工况下磁性液体旋转密封启动力矩的表达式，解决了磁性液体旋转密封低温启动力矩大的难题，该项技术成功的应用于我国先进雷达等现代军事装备上。

（2）揭示了磁性液体静密封中磁性颗粒的凝聚规律；发现了磁性液体静密封的破坏机理；建立了大直径磁性液体静密封设计方法和密封结构；解决了大直径（指密封直径大于 1.5m）的静密封问题。

该成果应用于核爆炸关键设备上。

（3）揭示了磁性液体往复密封的失效机理；建立了往复轴磁性液体被携带量公式及往复轴磁性液体密封耐压公式；发明了往复轴磁性液体密封的设计方法和新结构，解决了真空镀膜机等设备的往复密封难题。

（4）制得了多种不同基载液的磁性液体，特别是制得了高性能耐酸耐碱的氟碳化合物基磁性液体，拓宽了磁性液体的应用领域。

至今为止，国内外二百多家单位使用研制的氟碳基磁性液体。

磁性液体密封件北京交通大学磁性液体研究所设计的磁性液体密封装置，密封介质为气体或部分液体，泄漏率小于10-12Pa•m3•s-1，单级耐压能力一般为0.2个大气压，温度适用范围-40℃到200℃，寿命可达10年。

在国内首次解决了罗茨真空泵CJ-150、CJ-300、CJ-600和单晶硅炉TDR-62、TDR-70、TDR-80及美国8600型等型号的磁性液体密封问题；多次修复美国、德国等国家生产的设备上的磁性液体密封装置；为总装和国防科工委设计了数十种具有特殊要求的磁性液体密封结构。

磁流体对气体和液体耐压能力的对比研究王虎军;李德才;甄少波;何新智;王四棋【期刊名称】《食品与机械》【年(卷),期】2016(032)011【摘要】对比研究磁流体用于密封气体和密封液体的耐压性能。

从理论上推导磁流体密封耐压公式，分析磁流体与被密封介质速度差对密封性能的影响，设计出可用于密封水的磁流体密封结构，并搭建直立式磁流体密封试验台。

结果表明：磁流体用于静密封水时的耐压值接近用于静密封气体时的耐压值，且耐压值均随密封间隙的增大而降低。

磁流体密封气体时的耐压能力一般不受转轴转速影响。

磁流体用于密封水时，转轴转速高于临界值情况下耐压值明显下降。

【总页数】4页(P68-70,101)【作者】王虎军;李德才;甄少波;何新智;王四棋【作者单位】北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044; 中国劳动关系学院，北京 100048;北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044;中国劳动关系学院，北京 100048;北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044【正文语种】中文【相关文献】1.往复轴磁性液体密封耐压能力及密封间隙内磁性液体运动状态的分析与研究. [J], 李德才;洪建平;杨庆新;王秀庭2.相对速度对磁流体液体动密封中界面稳定性的影响 [J], 王媛;樊玉光3.两种磁性液体密封结构耐压能力的比较 [J], 何新智;李德才;兰惠清;许海平4.可燃气体(液体蒸气)的爆炸极限与最大允许氧含量的对比研究 [J], 张增亮;蔡康旭5.气体膨胀液体的纳米尺度的表征——气体膨胀液体的理论模拟-实验协同研究新进展 [J], 李宏平;丁利;许群;魏柳荷因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

人物传记命题素材：一生成一事心有莲花开一生成一事心有莲花开袁芳【“凡是伟大的，必定简单。

”列夫·托尔斯泰如是说。

对于李德才而言，爱上磁性液体，理由很简单，但是把磁性液体研究明白，并且站到这一研究领域的世界前沿，使其应用到国家最需要的地方，这应该是伟大的。

】——题记1965年，美国宇航局在实施登月计划时遇到一个难题：在失重条件下，宇航服如何才能像人的关节那样，密封且活动自如？对此，有科学家大胆设想：可以发明一种既有液体的流动性又有永磁体特性的材料。

自此引发了各国对这种新型材料的研究开发和应用。

20世纪80年代的一天，一位美籍华人学者来京讲学，随身带着一小瓶被列为高度机密的磁性液体。

在这名学者演示磁性液体时，当时还是研究生的李德才被眼前的景象深深吸引：静止时平凡无奇的液体，在磁铁的作用下，竟变成一朵朵形状各异的莲花，似柔实刚，能伸能屈。

这种充满神秘力量的材料让李德才着迷：“从那时起，我就知道我永远不会放弃它，我必须研究它。

”2013年，李德才站在人民大会堂国家科技奖励大会的领奖台上，以第一获奖人身份荣获国家技术发明二等奖。

他花费20年时间，成功打破了国外技术封锁，研制出了具有我国自主知识产权的磁性液体。

李德才创立的磁性液体研究中心，为我国国防事业的发展作出了突出贡献，成功地将磁性液体应用到国防科工的诸多领域，节约经费和创造产值达数百亿元。

如今，他也已从当初那个惊诧的学生成长为一名北京交通大学教授，并被聘为长江学者。

突起从1992年入校攻读博士学位起，李德才一直在北京交通大学深居简出、潜心研究，直到获得2012年度国际技术发明二等奖的消息在校内传开，他才仿佛孙悟空一般横空出世，石破天惊。

要知道，在以交通信息为优势学科的北交大，磁性液体的研究基础薄弱，在学校可谓是冷门领域。

然而，对于李德才来说，这冷板凳一坐就是十年。

导师袁祖贻教授说：“德才憨厚朴实，待得住，很刻苦，很好学，能干成大事！”袁祖贻很看好李德才，最初给他定了一个方向，研究青岛铁路局的火车轴承密封件。