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磁流体的特性与应用前景展望引言磁流体是一种具有特殊磁性和流动性质的复合材料，其内部结构由微米级的粒子组成。
由于其独特的物理特性，磁流体广泛应用于工业、科研和医疗领域。
本文将介绍磁流体的特性、制备方法以及目前已经实现的应用，并展望磁流体在未来的发展前景。
磁流体的特性磁流体具有以下几个独特的特性：1. 磁性磁流体是一种具有磁性的材料。
在磁场的作用下，磁流体内的微米级粒子会发生磁偶极矩的取向，并形成一个整体的磁性。
这种特性使得磁流体在很多领域都具有重要的应用。
2. 流动性磁流体具有流动性，可以流动到任意形状的容器中，填充空隙并覆盖表面。
这种流动性使得磁流体可以在一定程度上改变材料的形状和性质，同时也使得磁流体在一些特殊的应用场景中起到了重要的作用。
3. 稳定性磁流体具有较好的稳定性，可以长时间保持其特性不变。
这种稳定性使得磁流体成为一种理想的材料，在一些需要长期使用、不易受外界干扰的场合中得到了广泛的应用。
磁流体的制备方法磁流体的制备方法多种多样，常见的方法包括：1. 化学合成法化学合成法是一种常见的制备磁流体的方法。
通过在溶液中加入适当的化学试剂，控制反应条件和时间，可以在溶液中得到纳米级的磁颗粒。
随后，通过离心、洗涤等步骤，可以得到所需的磁流体。
2. 碰撞共聚法碰撞共聚法是一种通过高速碰撞来制备磁流体的方法。
通过将两种或多种微米级的粒子以一定的速度和角度相撞，可以使粒子表面发生化学反应，形成磁性的复合材料。
这种方法通常需要借助高速离心机和冷冻技术来实现。
3. 生物合成法生物合成法是一种新兴的制备磁流体的方法。
通过利用特定的生物体或生物分子的生物合成能力，可以在其体内合成磁性的颗粒。
这种方法具有环保、高效和可控性等优点，是一种有潜力的磁流体制备方法。
磁流体的应用磁流体在工业、科研和医疗领域有着广泛的应用。
下面将介绍磁流体在这些领域中的一些具体应用案例：1. 工业领域磁流体在工业领域中的应用主要包括磁流变液体阻尼器、磁流体密封、磁流体润滑剂等。
磁流体动力热管原理介绍磁流体动力热管（Magnetic Fluid Dynamic Heat Pipe，简称磁流体热管）是一种基于磁流体技术的热传导设备，它具有高效、灵活、可控性强等特点。
本文将对磁流体热管的原理进行介绍，深入探讨其工作原理、结构特点以及应用领域等方面。
通过本文的阅读，读者将能够全面、深刻地理解磁流体热管的原理及其在热传导领域中的重要作用。
磁流体热管是一种利用磁场驱动磁流体流动以实现热传输的热传导装置。
其主要由磁驱动系统、磁流体介质、热源和热汇等组成。
在磁流体热管中，磁场通过磁驱动系统作用于磁流体介质，使其形成一个封闭的磁流体环路。
当热源加热磁流体热管的某一部分时，该部分的磁流体受热膨胀，从而在磁场的作用下被迫流动到热汇的部分，完成热能传输。
磁流体热管的工作原理基于液体的传热能力和磁场的操控性。
磁流体具有磁性和流动性，能够在外加磁场的作用下发生流动。
当磁流体受热膨胀时，其热传导性能也得到提高，从而实现了热传输。
通过调节磁场的强度和方向，可以控制磁流体在热管内的流动情况，从而实现对热能传输的调控。
这种灵活可控的特性使得磁流体热管在热管理领域具有广泛的应用前景。
磁流体热管的结构特点主要包括管道、磁驱动系统和磁流体介质三个方面。
磁流体热管的管道通常采用高导热材料制成，以保证热能的有效传输。
磁驱动系统由电磁线圈和磁铁组成，通过调节电流和磁铁位置实现磁场的控制。
磁流体介质是磁流体热管的核心部分，它是由磁性微粒悬浮在载体液体中形成的混合物。
这种磁性微粒可以在外加磁场的作用下形成流动，从而实现热传输。
磁流体介质的选择和制备对磁流体热管的性能和应用起到至关重要的作用。
磁流体热管的应用领域广泛，主要包括电子散热、航空航天、能源利用和热管理等。
在电子散热领域，磁流体热管可以有效提高散热效率，保证电子设备的稳定工作。
在航空航天领域，磁流体热管可以用于热控制和热保护，提高航天器的可靠性和安全性。
在能源利用领域，磁流体热管可以应用于核能、太阳能等能源的开发和利用，提高能源转化效率。
第5期2018年10月No.5 October，20181 纳米磁流体概述纳米流体作为一种新型工质，在强化传热领域（航天器热控制、发动机冷却、核能系统和制冷系统等）和可再生能源利用领域（太阳能光催化制氢、太阳能集热器和太阳能直接蒸发器等）[1]，减阻润滑[2]和生物医学[3]以及储能[4]等领域得到了广泛应用。
纳米磁流体是一类特殊的纳米流体，它既具有固体物质的磁性，又具有液体的流动特性。
当有外加磁场作用时，它可以被控制、定位、定向和移动，也起到强化传热作用，同时，纳米粒子的分布结构特征会发生变化，使得纳米磁流体的光学性质会发生变化[5]。
近年来，纳米磁流体在现代工业中的一些高新技术领域，如可再生能源[5]、生物医学[6]、光电信息[7]等领域得到了广泛的应用。
以上提到的领域均涉及高温，因此，纳米磁流体也逐渐成了辐射磁流体力学的研究热点。
纳米磁流体在以上新技术和前沿技术领域的应用，普遍都涉及纳米磁流体的动力学特性、热力学特性和光学特性等。
开展热辐射和磁场对纳米磁流体流动与传热影响的基础理论研究具有重要的应用价值和科学意义。
2 研究内容现状目前，国内外关于热辐射和磁场对纳米磁流体流动与传热影响的研究中主要围绕两类问题进行：第一类是边界层流动问题，根据与纳米磁流体相接触的物体壁面形状，流动又可分为绕流平板边界层流动[8-11]、绕流楔型物体边界层流动[12]和绕曲面物体边界层流动；第二类是有限区域内的纳米磁流体流动问题。
不论是上述哪一类问题，呈现以下特点：研究内容不断深入与扩大，不仅包括流动、传热、表面辐射、介质辐射、传质，甚至还包括布朗运动、热迁移、热泳、欧姆热等多种物理现象的耦合。
3 研究方法现状由于热辐射和磁场对纳米磁流体流动与传热影响的问题涉及热辐射场、磁场、温度场和流场等多种物理场及其耦合，实验方法很难同时精确描述影响纳米磁流体流动与传热的诸多因素，而数值方法就很直观通过流场、温度场，采用图和表的形式，表达出辐射对纳米磁流体流动与传热影响的机理。
《磁场作用下电渗流的流动及传热研究》篇一一、引言在微纳流体学领域，磁场与电渗流之间的相互作用已经成为一个重要的研究方向。
电渗流（Electroosmotic Flow, EOF）在微流体系统中扮演着关键角色，其流动特性及传热机制的研究对于生物医学、微电子制造、环境监测等领域具有深远意义。
本文旨在探讨磁场作用下电渗流的流动特性及其传热机制，为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、电渗流的基本原理电渗流是指在外加电场作用下，由溶液中带电粒子在固体表面形成的双电层（Electric Double Layer, EDL）产生的流动现象。
在微通道或微纳结构中，由于表面电荷的存在，形成了电势梯度，从而驱动了溶液的流动。
这种流动具有低剪切力、低能耗等优点，因此被广泛应用于微流体系统中。
三、磁场对电渗流的影响当外加磁场作用于电渗流时，磁场会对流体的流动产生显著影响。
首先，磁场可以改变双电层的分布和结构，从而影响电渗流的流动速度和方向。
其次，磁场还可能影响溶液中带电粒子的运动轨迹，进一步影响电渗流的特性。
此外，磁场与电渗流的相互作用还可能产生一些新的物理现象，如磁流体动力学效应等。
四、磁场作用下电渗流的流动特性研究在磁场作用下，电渗流的流动特性发生了显著变化。
通过实验和数值模拟的方法，可以研究不同磁场强度、方向和频率对电渗流流动特性的影响。
例如，可以观察磁场对电渗流速度、流向、稳定性等方面的变化。
此外，还可以研究磁场对电渗流在微通道或微纳结构中的分布和传输特性的影响。
这些研究有助于深入了解磁场与电渗流之间的相互作用机制。
五、磁场作用下电渗流的传热机制研究在微流体系统中，传热是一个重要的物理过程。
当外加磁场作用于电渗流时，传热机制也会发生变化。
通过实验和数值模拟的方法，可以研究磁场对电渗流传热特性的影响。
例如，可以观察磁场对传热速率、温度分布、热稳定性等方面的影响。
此外，还可以研究磁场与电渗流传热过程中的耦合效应，如磁热效应等。
［综述·专论］ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５ ２８９５．２０２０．０６．００１收稿日期：２０２０ ０６ ０８；修回日期：２０２０ ０９ ２５基金项目：上海市地方能力建设基金项目（１９０３０５０１１００）。
第一作者简介：李玉青（１９９３），男，安徽宿州人，硕士，主要进行磁流变液相关研究。
通信作者：罗一平（１９６６），男，上海人，教授，硕士生导师，主要研究方向为智能材料与汽车悬架。
Ｅｍａｉｌ：ｌｙｐ７７７＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ磁流变液沉降稳定性研究综述李玉青，罗一平 ，王 莹，骆 佼，仇 俊（上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 ２０１６２０）摘 要：磁流变液（ＭａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＦｌｕｉｄ，ＭＲＦ）的沉降稳定性是磁流变领域的一个重要研究方面，同时也是反映磁流变液品质的一个重要指标，优良的稳定性对于磁流变液的保存和应用具有重要意义。
笔者基于重力沉降理论导出了磁性颗粒的匀速沉降速度，结合基于斯托克斯公式的颗粒沉降速度公式，分析讨论了沉降稳定性的影响因素，包括颗粒直径和颗粒与基础液密度差等，并阐述了前人为提高其稳定性在颗粒、基础液及添加剂等方面所做的的工作；对目前磁流变液沉降稳定性常用的表征方法进行了系统论述。
最后，笔者提出：探索更具代表性的表征方法并弄清楚其作用机理，以及探究更为有效的改善稳定性并以不牺牲其他性能为代价的方法将会成为日后研究工作的重点。
关 键 词：磁流变液；沉降稳定性；重力沉降理论；斯托克斯公式中图分类号：ＴＨ１４０；ＴＭ２７１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５ ２８９５（２０２０）０６ ０００１ ０４ＲｅｓｅａｒｃｈｉｎＳｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＭａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌＦｌｕｉｄｓＬＩＹｕｑｉｎｇ，ＬＵＯＹｉｐｉｎｇ，ＷＡＮＧＹｉｎｇ，ＬＵＯＪｉａｏ，ＱＩＵＪｕｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｆｌｕｉｄ（ＭＲＦ）ｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈａｓｐｅｃｔｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅａｎｄａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｄｉｃａｔｏｒｏｆｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆＭＲＦ．ＥｘｃｅｌｌｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｉｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭＲＦ．Ｔｈｅｕｎｉｆｏｒｍｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｓｄｅｒｉｖｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｇｒａｖｉｔｙｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙ．ＩｎｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅＳｔｏｋｅｓｆｏｒｍｕｌａ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｄｉａｍｅｔｅｒ，ｔｈｅｄｅｎｓｉｔｙｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄｔｈｅｂａｓｉｃｆｌｕｉｄ，ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｐｒｅｖｉｏｕｓｗｏｒｋｔｏｉｍｐｒｏｖｅｉｔｓｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｈｅａｓｐｅｃｔｏｆｐａｒｔｉｃｌｅ，ｂａｓｅｌｉｑｕｉｄａｎｄａｄｄｉｔｉｖｅｗｅｒｅｅｘｐｏｕｎｄｅｄａｎｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｆｏｒｔｈｅｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＭＲＦｗｅｒｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｏｅｘｐｌｏｒｅｍｏｒｅｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｉｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆａｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｏｅｘｐｌｏｒｅｍｏｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｔｔｈｅｃｏｓｔｏｆｎｏｏｔｈｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｓｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｍｐｈａｓｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＲＦ（ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｆｌｕｉｄ）；ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｇｒａｖｉｔｙｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙ；Ｓｔｏｋｅｓｆｏｒｍｕｌａ 在智能材料中，磁流变材料是非常重要的一个分支，当有磁场激励时，该材料会作出毫秒级灵敏响应，其力学特性表现出连续的、无级的可逆变化，即磁流变效应。
磁流体热疗联合 IL-2对小鼠Lewis肺癌治疗作用的实验研究胡润磊;柯贤福;李浒;马胜林;王国卿;魏东山【摘要】目的通过观察磁流体热疗（MFH）联合IL-2对小鼠Lewis肺癌的生长、凋亡及小鼠免疫系统的影响，探讨MFH联合免疫治疗肺癌的可行性。
方法建立小鼠浅表Lewis肺癌皮下移植瘤模型，瘤体直径增至0.8cm左右时，将其分为IL-2组、MFH组、MFH+IL-2组及对照组。
MFH组瘤体内部注射0.2ml水平约75mg/ml的磁流体，24h后在交变磁场下加温1次，通过控制磁场的强度，加温温度稳定在43.0℃左右30min。
IL-2组瘤体内部注射0.2ml（5×104U）的IL-2。
MFH+IL-2组热疗后24h，按上述方法向肿瘤内部注射0.2ml（5×104U）的IL-2。
对照组瘤体内部注射0.2ml的0.9%氯化钠溶液。
采用流式细胞术检测MFH法、MFH+IL-2后小鼠外周血T淋巴细胞亚群的变化。
采用免疫组化法检测治疗后肿瘤组织HSP70、CD4+、CD8+等免疫因子的表达，比较MFH组、MFH+IL-2组对肿瘤的治疗效果。
结果 MFH组和MFH+IL-2组注射磁流体后肿瘤内部温度迅速升高至43℃，肿瘤细胞呈凋亡和坏死样改变，小鼠外周血T淋巴细胞水平明显升高（P＜0.05），HSP70、CD4+、CD8+水平也均明显升高，小鼠瘤体生长均受到抑制，MFH+IL-2组小鼠瘤体生长抑制更明显。
结论43℃、30min条件下的MFH能抑制Lewis肺癌的生长，诱导荷瘤小鼠机体产生抗肿瘤免疫。
IL-2单独对荷瘤小鼠肿瘤生长无明显抑制作用，但可以提高外周血CD4+、CD8+水平，从而增强MFH对Lewis肺癌抑瘤效果。
%Objective To investigated the combination of magnetic fluid hyperthermia (MFH) with immunotherapyfor treatment of Lewis lung carcinoma in mice. Methods The mouse Lewis lung cancer model was induced by subcutaneous infec-tion of tumor cells, the tumor- bearing mice were divided into 4 groups: control group, IL- 2group, MFH group and MFH+IL- 2 group when the tumor diameter reached 0.8cm. Magnetic fluids were prepared in vitro and directly injected into tumors. Twen-ty- four hours later, the mice were subjected to an alternating magnetic field. The temperature in the tumor was increased to 43.0℃, which was mainta ined for 30 min with a stable strength of magnetic field. At 24h after MFH, IL- 2 was injected directly into the tumor in MFH+IL- 2 group. Peripheral CD4+ and CD8+ T- lymphocytes were analyzed by flow cytometry, CD4+, CD8+ and HSP70 in tumors were detected by immunohistochemistry staining. Results Combined magnetic fluid hyperthermia and im-munotherapy significantly inhibited the growth of the tumors(P<0.05). Histological analysis demonstrated that the tumor cells un-derwent apoptosis and necrosis, HSP 70, CD4+and CD8+cells were significant increased after treatment (P<0.05). Conclusion Combined magnetic fluid hyperthermia and immunotherapy can improve the therapeutic efficacy for Lewis lung cancer in mice.【期刊名称】《浙江医学》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】4页(P178-181)【关键词】磁流体;热疗;肺癌;免疫【作者】胡润磊;柯贤福;李浒;马胜林;王国卿;魏东山【作者单位】310006 杭州市第一人民医院胸外科;浙江省医学科学院实验动物中心;310006 杭州市第一人民医院胸外科;310006 杭州市第一人民医院放疗科;310006 杭州市第一人民医院胸外科;310006 杭州市第一人民医院胸外科【正文语种】中文磁流体热疗（magnetic fluid hyperthermia，MFH）是近年肿瘤治疗的研究热点，系将磁流体通过直接注射或动静脉注射的方式到达肿瘤区域，外加交变磁场，使电场的能量集中到磁流体聚集的特定部位并升温至一定程度，从而杀死肿瘤细胞。
磁性流体的流变学行为研究磁性流体是一种特殊的材料，具有流体的性质，同时又具有磁性材料的特性。
近年来，磁性流体引起了许多科学家和工程师的关注，他们致力于研究磁性流体的流变学行为。
磁性流体的流变学研究对于提高材料的性能和应用领域的开发具有重要意义。
磁性流体的磁性来源于其成分中的磁性粒子，这些磁性粒子在磁场中具有自发磁化的倾向。
当外加磁场作用于磁性流体时，磁性粒子会受到磁力的约束，从而改变其流动行为。
这种磁力约束对磁性流体的流变学行为产生了显著影响。
在实际应用中，磁性流体的流变学行为是一个重要的考虑因素。
例如，在润滑领域，磁性流体可以用作高速轴承的润滑剂，其流变特性的稳定性对于轴承的运转效果起到关键作用。
此外，在医学领域，磁性流体可以用来制备磁性薄膜，其流变学行为对于薄膜的导电性和导磁性能有着直接的影响。
为了研究磁性流体的流变学行为，科学家们采用了多种研究方法。
一种常用的方法是利用旋转流变仪测量磁性流体的黏度。
旋转流变仪通过施加一定的剪切应力，使磁性流体发生流动，然后测量力矩和转速之间的关系，从而得到黏度数据。
在这个过程中，磁场的作用也被考虑在内，因为磁性流体的流变学行为与磁场强度和方向有关。
另一种研究磁性流体流变学行为的方法是利用磁流体可视化技术。
这种技术利用磁性粒子在磁场中的行为来观察磁性流体的流动情况。
通过对磁性粒子的追踪和分析，可以得到磁性流体在不同磁场条件下的流动形态和流变特性。
磁性流体的流变学行为的研究发现，磁场的强度和方向对于材料的流变特性有着显著影响。
特别是在高磁场条件下，磁性流体中的磁性粒子会发生排列，导致材料的流变特性发生突变。
这些发现为磁性流体的应用提供了重要的理论基础，也为相关技术的改进和发展提供了新的思路。
尽管磁性流体的流变学行为研究取得了一些进展，但仍存在许多挑战和未知。
例如，目前对于磁性流体的流动模型和流变参数的计算仍存在争议，需要进一步的研究来解决。
此外，磁性流体的动力学行为和流动稳定性等问题也需要加以探索。
第17卷 第1期化学物理学报V ol.17,N o.12004年2月CHI NESE JOURNA L OF CHE MIC A L PHY SICSFeb.2004100327713/2004/01208324 3Project supported by the National Natural Science F oundation of China (50242008). 33C orresponding author ,E 2mail :girlyanzzi @ Received 23April 2003;in final form 29August 2003.纳米Fe 3O 4磁性液体稳定性的研究3张银燕33, 尹衍升, 张金升, 马来鹏(山东大学教育部液态结构及遗传性重点实验室,工程陶瓷山东省重点实验室,济南 250061)摘 要: 从理论上解析了磁性颗粒之间的相互作用对纳米磁性液体稳定性的影响,指出磁粒半径和浓度,表面活性剂的包覆是影响磁液稳定性的重要因素.采用湿化学共沉淀法制备了纳米Fe 3O 4磁性液体,经过TE M 等手段的表征,证明平均粒径为10nm ,稳定性良好.实验研究了加料方式、搅拌速度、分散作用、表面活性剂包覆时机、包覆时间和加入量以及pH 值诸多工艺因素对磁液稳定性的影响,并分析了这些因素的影响机制.关键词: 纳米;磁性液体;表面活性剂;稳定性;TE M 中图分类号:T Q584.1 文献标识码:AStudy on the Stability of N anosized Fe 3O 4Magnetic Fluids 3Zhang Y inyan 33, Y in Y ansheng , Zhang Jinsheng , Ma Laipeng(Shandong Univer sity ,K ey Laboratory o f Liquid Structure and H eredity o f Materials ,Ministry o f Education ,Engineering Ceramics K ey Laboratory o f Shandong Province ,Ji ′nan 250061)Abstract The effect of interaction (attraction effect and repulsion effect )between magnetic particles on the stability of nanometer magnetic fluids was analyzed theoretically.It was pointed that the size and concentration of magnetic particles and the coating of surfactant were im portant factors affecting the stability of magnetic fluids.Nanosized Fe 3O 4magnetic fluids were prepared by the chemical co 2precipitation method.Characterized by means of TE M ,zeta potential and s o on ,the magnetic fluids had the mean size of 10nm and exellent stability.The stability of magnetic fluids was researched ex 2perimentally as to the factors such as the method of adding starting materials ,the speed of stirring ,dispersion effect ,sur 2factants coating occasion ,coating time and adding am ount ,and pH.The affecting mechanism of these factors was ana 2lyzed further.K eyw ords Nanosized Fe 3O 4,Magnetic fluids ,Surfactant ,TE M1 引 言磁性液体又称磁流体,是纳米磁性颗粒表面包覆表面活性剂,并均匀地分散于基液中形成的一种稳定的磁性胶体溶液.它具有流动性,在外磁场的作用下,能呈现磁性,是一种新型的功能材料,目前已广泛应用于润滑、密封、研磨、分选、换能、印刷、医药等许多领域〔1〕.由于纳米级的磁粒巨大的比表面能以及磁粒之间的相吸力,使得磁粒存在永久性的聚集作用.因此,防止磁粒团聚,并保持其长期稳定分散,成为磁性液体研究中的一项重要课题,稳定性也自然成为评价磁性液体的重要性能指标之一,它将直接影响磁性液体的使用性能和寿命.影响磁性液体稳定性的因素纷繁复杂,归纳起来主要有外部因4 工艺条件对磁液稳定性的影响4.1 加料方式和搅拌速度的影响在实验中,我们将氨水溶液以0.01m L 的小液滴方式均匀地滴入FeCl 3和FeCl 2混合溶液中,并同时磁力搅拌.在反应的不同阶段适当调整NH 4OH 的滴加速度和搅拌速度:在开始阶段,由于磁粒较少,滴加速度可快些,搅拌速度慢些;随着反应的进行,磁粒浓度变大,要减慢滴加速度,增大搅拌速度.透射电镜照片(图1)证明,这种同时滴加方式再配合控制搅拌速度的工艺措施,有利于磁粒粒径减小,得到的磁粒平均粒径不超过10nm.由于反应阶段是最终获得细小磁粒最关键的阶段,以小液滴加入,在反应微区中与Fe 3+和Fe 2+作用的NH 4OH 量少,生成的磁粒小;在磁力搅拌下,生成物被快速旋转的液流带走,又防止了磁粒在反应微区的聚集.图1 制备磁液的TE M 照片Fig.1 TE M microphotograph of prepared magnetic fluids4.2 分散作用的影响机械搅拌分散和超声分散是两种常用而重要的分散作用[5].机械搅拌适于均匀混合和打开较大团聚体,超声分散是依靠超声波的高频振动和空化效应,产生强烈射流和局部冲击波,瓦解、细化颗粒,对小的团聚体有较好的分散作用.实验中根据两种分散作用的特点,在制备磁液的不同阶段,采用不同的分散方式(实验方法见3.1表面活性剂同时加入法).反应阶段采用机械搅拌,使反应物混合均匀,防止反应产物在反应微区的聚集;氨水滴加结束后,要继续搅拌一段时间以保证反应完全.滴定结束后的混合液有较高的离子强度和pH 值(大于9),若不搅拌,磁粒会自发沉淀,不利于反应进行,磁粒也可能团聚长大.因此滴定后的搅拌是重要的.反应结束后,要进行超声分散和长时间的机械搅拌.超声分散的目的是使离子更好地分散开以利表面活性剂包覆完全;后续进行的长时间搅拌是为了给予充足的包覆时间.洗涤后也要进行机械搅拌和超声分散,以打开洗涤过程中形成的团聚体,并促进包覆.实验证明,这两种分散方式的适时穿插进行,取得了良好的效果,得到的磁液稳定性优良.4.3 表面活性剂包覆时机的影响实验表明,在化学反应阶段同时滴加表面活性剂,有利于得到细小的磁粒.这是因为及时包覆的表面活性剂阻碍了反应生成物在颗粒表面的进一步沉积,因而,对Fe 3O 4粒子的长大有明显的阻碍作用.此外,表面活性剂的包覆还能显著地降低超细颗粒的比表面能,防止小颗粒的相互聚集.4.4 表面活性剂包覆时间的影响实验证明表面活性剂的包覆需要一定时间.本实验采用PM AA 2NH 4作表面活性剂,反应前加入.在其它条件相同的情况下,仅改变包覆时间做两组实验:按3.1方法制备两份中间溶液,第一份在反应完全后立即洗涤,第二份在反应完全后,超声分散1h ,搅拌8h ,再洗涤.结果第一份磁液12h 后就发生沉降;而第二份磁液数月后仍能保持稳定分散.这是由于粒子生成后立即形成溶剂化膜并吸附其它粒子,延缓了表面活性剂分子在表面上的吸附;此外,反应完成后所得反应混合液中有过量的氨水,使液相呈强碱性,不利于表面活性剂包覆;同时液相中的离子强度过高,也不利于包覆.即使包覆,与磁粒表面结合也很弱,立即洗涤会洗去表面活性剂;未包覆的磁粒在洗涤沉淀过程中还可能发生团聚.这些因素均对磁粒的稳定悬浮产生不利影响.而长时间的搅拌过程,一方面使NH 4OH 挥发,磁液pH 值下降,离子强度有所降低;另一方面,表面活性剂有足够时间与磁粒结合(物理吸附和化学吸附),从而提高了磁液的稳定性.4.5 表面活性剂加入量的影响以油酸钠作表面活性剂,在工艺条件不变、基液量一定的情况下,仅改变油酸钠的加入量,得到磁液的稳定性见表1.由表1可知,在本实验条件下,油酸钠加入过少(<0.2m L )或过多(≥0.6m L ),都得不到稳定悬浮的磁液.这是由于在酸性条件下Fe 3O 4是正溶胶,油酸钠为阴离子型表面活性剂,在油酸钠浓度很低时,一方面颗粒表面吸附的阴离子中和了表面正电荷,静电斥力减弱;另一方面,由于吸附的表面活性剂太少,不能形成有效的空间位阻,而且会造成颗粒上大量的未吸附空位,相邻颗粒上吸附的表面活性剂的非极性端易吸附于其上,导致粒子团58第1期张银燕等:纳米Fe 3O 4磁性液体稳定性的研究表1 制备磁性液体(水基,油酸钠作表面活性剂)的性能T able 1 Properties of prepared magnetic fluids (water 2based ,s odium oleate as surfactant )N o.of sam plesS odium oleate/m LSuspension stabilityA fter 12h A fter 5daysA fter 15days S10.2G ood G ood Deposit slightlyS20.4G ood G ood G oodS30.6Deposit slightly Deposit com pletely S41.0Deposit slightlyDeposit com pletely聚(如图2a ).随着油酸钠的浓度增大,其在颗粒表面的吸附量也增加,更多的表面电荷被中和,静电斥力下降,但空间位阻效应同时增强,当吸附量达到一定时,空间位阻效应足以使磁粒稳定悬浮.我们对制备的稳定磁液做电泳实验,测得Z eta 电位=+0.04669V ,这个值很小,表明颗粒带的正电荷很少,静电斥力的作用很小,主要是空间位阻的稳定机制起作用(如图2b ).油酸钠的吸附量随加入量增加继续增大,直至达到饱和吸附量,这时再加入油酸钠,过量的这一部分将会溶解在溶液中,达到一定浓度时便会与吸附于磁粒表面的油酸钠发生缠结,将磁粒连接成大块而发生絮凝(如图2c ).a.A little am ount of surfactantb.A proper am ount ofsurfactantc.A excessive am ount of surfactant greatly图2 磁性颗粒和表面活性剂相互作用示意图Fig.2 Schematics of interaction between magneticparticles and surfactant 4.6 pH 值的影响对于水基磁液,pH 值对磁液稳定性的影响是显著的.我们已经谈到,pH 值过高(>12)会造成离子强度太高,不利于表面活性剂的包覆.pH 值调整为何值最理想,与使用的表面活性剂种类有关.实验表明,对于Fe 3O 4体系,使用油酸、油酸钠作表面活性剂,在pH 为酸性的条件下,可以获得稳定性好的磁液,而对于S D 203表面活性剂,在pH =9时稳定性较好,在酸性条件下,稳定性差.这可能由于前三种均为阴离子型表面活性剂,它们与荷正电的颗粒表面形成静电引力,酸性越强,颗粒表面荷正电越多,增大了Z eta 电位,静电斥力增加.而对于S D 203,在酸性条件下会发生脱附,在pH =9时,吸附很好.S D 203的电泳实验测得Z eta 电位为-0.1259V ,这个值较大,说明颗粒表面带较多负电荷,S D 203与表面的结合可能存在较强的化学键合或极性吸附.5 结 论1.Fe 3O 4磁粒的粒径、含量、分散方式和时机,表面活性剂的种类、加入量和加入时机等因素对Fe 3O 4磁性液体的稳定性有重要影响.2.反应物(FeCl 3和FeCl 2溶液)为0.2m ol/L ,NH 4OH 以小液滴滴入反应液,并加入适量表面活性剂,可制备平均粒径为10nm 的磁液.3.制备Fe 3O 4磁性液体时,以油酸、油酸钠作表面活性剂,在酸性条件下稳定性好;以S D 203作表面活性剂,pH =9时稳定性好.参 考 文 献[1]Y ao Rujie (姚如杰),T ranslation ,Lubrication and Seals (润滑与密封),1994,3:64[2]Jiang Bingzhi (蒋秉植),Y ang Jianmei (杨健美).Lubrica 2tion and Seals (润滑与密封),1995,3:61[3]Zhang Maorun (张茂润).Journal o f Ningbo Univer sity (宁波大学学报),1998,6:28[4]Xu Y anli (徐燕莉).The Function of Surfactants (表面活性剂的功能),Beijing (北京):Chemistry Publishing Press(化学工业出版社),2000.6[5]Zhang Jinsheng (张金升),Y in Y ansheng (尹衍升),et al.Science in China E (中国科学E ),2003,33:6168化 学 物 理 学 报第17卷。
第6章磁流体力学不稳定性§6.1概论等离子体能够被磁场约束并处于力学平衡状态。
一个处于力学平衡状态的等离子体位形，当它受到某种扰动，偏离平衡态时，等离子体将如何反应？是越来越偏离平衡态，最后导致平衡态被破坏呢，还是很快将扰动抑制住回到平衡态．前者是不稳定平衡，后者是稳定平衡．但当磁流体处在非热力学平衡态，其内部存在着可以转换成扰动能量的自由能时，在合适的条件下有些扰动就可能发展成为在大范围、长时间、能量超过热噪声水平的大幅度集体运动．这种集体运动就称为不稳定的模式，相应现象就称为磁流体的不稳定性．研究等离子体的各种不稳定性，阐明其物理机制，探索抑制不稳定性的方法，一直是受控核聚变研究的重要课题．磁约束等离子体可以处于力学平衡状态，但它不是完全的热力学平衡态．等离子体处于非热力学平衡状态意味着等离子体具有较高的自由能，因而必然会产生从较高能量状态过渡到较低能量状态的宏观或微观运动．等离子体偏离热力学平衡态大体有两类方式．一类是等离子体宏观参数如密度、温度、压强或其它热力学量的空间局域性和不均匀性；另一类是等离子体的速度空间分布函数偏离麦克斯韦分布．由于前一种原因产生不稳定性时，等离子体通常以整体形式在空间改变其形状，因而称为宏观不稳定性。
由后一种原因产生的不稳定性称为微观不稳定性．宏观不稳定性通常用磁流体力学方程进行分析，因而也称为磁流体力学不稳定性，而微观不稳定性则用动力论方程进行分析，因而也叫动力学不稳定性．由于磁流体力学不稳定性在磁约束核聚变等离子体中具有更重要的地位，处理方法也相对地比较容易，因此本节仅讨论磁流体力学不稳定性．下面我们将首先从分析流体的瑞利一泰勒不稳定性（Rayleigh－Taylor instability）入手，这样做物理图像清晰，易于理解．然后讨论在分析磁流体力学不稳定性中得到广泛应用的能量原理．在这基础上分析几种主要的宏观不稳定性，最后讨论等离子体电阻对不稳定性的影响．下面是几种典型的磁流体不稳定模式．例1．瑞利一泰勒（Rayleigh-Taylor）不稳定性（图4．1）；例2．开尔文一亥姆霍兹（Kelvin－Helmholtz）不稳定性（图4．2）；例3．腊肠型不稳定性（图4．3）；例4．弯曲型不稳定性（图4.4）；例5. 磁岛（图4.5）；例6. 磁重联（图4．6）．每种不稳定的扰动在其演化过程中都会依次经历下面三个阶段：线性阶段、非线性阶段及饱和阶段．在线性阶段，扰动的幅度较小，不同类型的扰动彼此之间并不相互作用，扰动对它所处的平衡态也无影响，这时扰动的幅度是随时间指数增长的．在非线性阶段，扰动幅度增大到会反过来使原有的平衡量作一定调整（因此改变了自己得以不稳定增长的初始条件，使馈入的自由能量减少），并达到开始和其他扰动模式相互作用（从而彼此间交换能量）的程度，从而使增长率木断下降．这时扰动幅度是依次随时间的不同幂次（一般是从高幂到低幂次）而增长的．当时间的幂次最后降低到零时，就达到了演化的终点——扰动的幅度不再随时间增加，而一直保持极大值，这就是饱和．本章只讨论磁流体的线性不稳定性．线性不稳定性的基本描述方法（1）简正模法先将描述所研究对象的状态量写成平衡量（零级量）和扰动量（一级小量）之和，然后把它们代入所用的磁流体方程组，从中减去平衡方程并略去二级小量就得到了线性化的方程组．对这些方程作（时间）拉氏变换和（空间）傅氏变换,(,)exp()k A t A i i t ωω=⋅-r k r 后可能出现下列几种情况：（i ）全部空间坐标都能进行傅氏变换．这样线性微分方程组就变成了线性的齐次代数方程组，它的有非平凡解的条件（系数行列式为零）就给出了关于()k ωω=的色散关系．例如上一章中平板几何位形下的阿尔文波的色散关系正是由这种方式得到的．（ii ）只有部分空间坐标能进行傅氏变换，剩余的坐标构成了约化的微分方程组．这时要设法先得到它的通解，然后利用边条件或连接条件也可以得到()k ωω=的色散关系．例如上一章中，柱坐标下阿尔文波的色散关系就是这样求得的．（iii ）所得出的约化微分方程如果是奇异的，如上一章中连续谱阿尔文波所满足的方程(2)能量原理（仅对理想磁流体适用）§6.2瑞利一泰勒不稳定性这是一种经典的流体不稳定性．因为这种不稳定性是由重力驱动的，故又称重力不稳定性．让我们来研究图3.25所示的一个容器．该容器内盛有两种不同质量密度的液体，上面的液体质量密度大，下面的质量密度小．两种流体之间有明显的分界线．显然，质量密度梯度ρ∇由下向上，受到的重力由上向下，用G -∇来表示．液体的平衡方程是()0tρρ∂+∇⋅=∂u (1) d G dtρρ=-∇u (2) 式中u 是流体元的速度．流体达到平衡0=u ．现在假定在交界面上出现了一个微扰动，其形式为1111(),()i t i t x e u u x e ωωρρ--== (3)这样，密度和流体速度便可写成：01011,ρρρ=+=+=u u u u (4)从这里开始，参数下标为0表示平衡量，参数下标为1表示扰动量．将（4）式代入平衡方程（3），我们得到质量守恒方程10110()0tρρρ∂+∇⋅=⋅∇=∂u u （5） 在整理上式时，已考虑到流体是不可压缩的，10∇⋅=u ．将（3））式代人（5）式便得到1ρ表达式：101i ρρω⋅∇=u （6） 同样可以得到扰动后的动量方程和1u 的表达式：101d G dtρρ=-∇u （7） 110G i ρωρ=∇u （8） 将（6）式和（8）相结合使得到如下的方程：200G ρωρ∇=-∇⋅． （9）（9）式说明，当流体的密度梯度方向跟受到的重力方向相反时就会产生不稳定性，此时20ω<，这就是说重流体在上面轻流体在下面的这种平衡是不稳定的．只要有微扰（轻轻晃动），就会破坏原来的平衡状态，直到达到另一种新的平衡态为止．这时重流体在下，轻流体在上，正好跟原来交换了位置，所以这种不稳定性也叫做交换不稳定性．现在我们采用类比的方法来研究约束在磁场中的等离子体．假定磁场与等离子体之间达到了平衡，中间有明显的分界面．就是说在等离子体中没有磁场，在磁场中没有等离子体．这时，等离子体除了受到重力之外，还受到磁场的作用力，包括磁场梯度引起的力B μ∇和磁场的弯曲引起的力2||()mv ⋅∇b b ．当然这是指单个粒子受到的力，我们把它们当作等效重力（跟流体情况作类比），记作eff G ∇，2||()eff G B mv μ∇⇒∇+⋅∇b b (10)将2,2mv W B B μ⊥⊥== ()B Bκ⊥∇⋅∇≡≈b b 以及粒子能量W W W ⊥=+代入上式并对整个麦克斯韦速度分布函数积分，我们可以得到作为流体元的等效重力：0eff B B G P B B ρ⊥∇∇⎛⎫∇→+ ⎪⎝⎭ （11）对干各向同性等离子体，||,B B P P ⊥⊥∇≈∇≈，因此 02eff B G PBρ⊥∇∇≈ 因为在低β情况下 2c c B B R κ⊥∇==-R 所以 202e eff eP G R ρ∇=-R （12） 将（12）式代入（9）式便得到描述瑞利一泰勒不稳定性的方程202002e e P R ρωρρ∇=⋅R （13） 上式说明，当磁场曲率e R 与等离子体密度梯度0ρ∇方向相反，即00e ρ⋅∇<R ，就会产生不稳定性．这种不稳定性条件也可以表示为磁场梯度与等离子体密度梯度同向，即00B ρ∇⋅∇>．如图3.26（a ）所示．从图中可以看出，这时的磁力线是凹向等离子体的．这种曲率被称为“坏曲率”．图3．26（b ）画出了稳定的磁场位形．此时，磁场曲率c R 与等离子体压强梯度P ∇（或密度梯度0ρ∇）同向．磁力线凸向等离子体，这种磁场位形的曲率被称为“好曲率”．在实际的磁场位形中，曲率矢量ˆκ往往不断改变方向．也就是说，在某个地方是“好曲率”，在另一个地方则变成“坏曲率”．如在简单磁镜场中，在中心部位是“坏曲率”，而在“咽喉”部位则是“好曲率”．因此，有必要引入“平均曲率”的概念．定义： 磁力线管的比容U ，它是磁力线管的几何体积V δ与管内的磁通量δΦ的比值：V Sdl δδ=⎰，B S const δδΦ==，S dl V Sdl Bdl B B δδδδ⎛⎫===Φ ⎪⎝⎭⎰⎰⎰ V dl U Bδδ==Φ⎰ 平均曲率的定义为211R l l c c d d B dl BB R B B B B dl B B B dl B ψψψψψψ∇∂-⋅=⋅=∇∂∂⎛⎫=-∇ ⎪∂⎝⎭∂=-∇∂⎰⎰⎰⎰⎰ 因此，平均曲率半径为 1c dl B dl R Bψψ∂∇∂=⎰⎰ 前面得到的稳定条件（好曲率）是曲率与P ∇同向，即0c P ∇⋅>R ，在聚变等离子体中，一般都是中心密度大，即/0P P r ∇∂∂<；因此稳定条件要求0c R <．这就相当于要求220dl U V B ψψψ∂∂∂==<∂∂∂⎰ 其中()V ψ为磁面包围的体积．因此，即()V ψ有极大值，其中必有磁场极小值，这相当于平均磁阱．这说明位于磁阱的等离子体是稳定的．与之相反，位于磁山“磁山”的等离子体是不稳定的，§6.2 等离子体的能量原理不考虑离子和电子的效应，可将等离子体作为单流体来处理。
行星际介质中的磁流体不稳定性研究行星际空间中存在着丰富的介质，其中包括气体、尘埃、等离子体等。
这些介质之间存在着复杂的相互作用，而其中的磁流体不稳定性是研究者们经常关注的重要问题之一。
磁流体不稳定性是指磁场和流体之间相互作用引发的不稳定现象。
在行星际介质中，由于磁场和流体的存在，磁场力和流体流动力之间会相互影响，从而导致系统的不稳定性。
磁流体不稳定性的研究对于理解宇宙中的磁场演化、星际物质的运动和能量传递等过程具有重要的意义。
一种常见的磁流体不稳定性是磁鞘不稳定性。
当磁场嵌入在流体中时，如果流体中存在密度、温度或速度的不均匀分布，就会引发磁鞘不稳定性。
这种不稳定性在行星际介质中广泛存在，如太阳风中的磁气流体不稳定性就是一种常见的磁鞘不稳定性。
磁鞘不稳定性的产生涉及到磁流体力学的基本原理。
在磁流体中，磁场和流体的相互作用可以通过磁力和流体动量守恒方程来描述。
当系统中存在压力梯度、密度梯度或速度梯度时，磁力和流体动量之间的相互作用会引发不稳定性，导致磁场和流体的变化。
磁鞘不稳定性的研究可以通过观测实验和数值模拟来进行。
在实验室中，研究者可以利用磁体和流体装置来模拟磁流体不稳定性的发展过程。
通过观测实验可以获得有关磁鞘不稳定性的物理量，如不稳定性的发展速度和磁场与流体的变化。
同时，数值模拟也是研究磁鞘不稳定性的常用手段。
通过数值计算可以模拟磁流体在不同条件下的演化过程，进而研究不稳定性的发展规律。
磁鞘不稳定性的研究不仅可以帮助理解行星际磁场的演化过程，还对于太阳活动等天文现象的解释具有重要意义。
在太阳系中，磁鞘不稳定性是产生太阳耀斑和日冕物质抛射等现象的重要原因之一。
这些现象对于地球的磁层和空间天气产生重要影响，因此磁鞘不稳定性的研究对于我们理解和预测太阳系统中的天气变化具有重要的意义。
此外，磁鞘不稳定性还与宇宙射线的加速过程密切相关。
宇宙射线是宇宙中高能粒子的流动，其产生机制一直是科学家们关注的热点问题之一。
