Fe3O4鐵磁流體的制備與粘度特性分析

顧 涵，顧賽燕，勞裔豪，范凱梅，顧惠敏，劉 暢

常熟理工學院物理與電子工程學院， 江蘇常熟 215500

0 引言

磁流體，又稱磁性液體、鐵磁流體或磁液，是一種新型的功能材料，它既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性，是由直徑為納米量級的磁性固體顆粒、基液（也叫媒體）以及表面活性劑三者混合而成的一種膠狀[1]液體。該流體在靜態時無磁性吸引力，當外加磁場作用時，才表現出磁性，在實際中有著廣泛的應用，在理論上具有很高的學術價值，可廣泛應用于磁流體密封、醫療器械、頻率調節、減震[2]、磁流體探測等領域。本文采用化學共沉淀法[3-4]制備了穩定的Fe3O4 鐵磁流體，對它的粘度特性進行了分析。

1 實驗

實驗原理

Fe3O4顆粒是磁流體制備的重要組成部分，采用化學共沉淀法在鐵鹽和亞鐵鹽溶液中加入氨水，可以制備出符合要求的Fe3O4顆粒，化學方程式為：

FeCl2·4H20 + 2FeCl3·6H20 + 8NH3H20 = 24H20+ 8NH4C1+ Fe304

1.2 實驗方法

第 一 步： 按3∶5 的 質 量 比 稱 量8g FeCl2·4H2OFeCl3·6H2O 混合物，溶解在60ml 水中，用玻璃棒反復攪拌，得到棕色溶液；

第二步：用堿式滴定管將氨水以3ml/min 的速度加入溶液中，觀察形成Fe3O4顆粒，待其沉淀后放置于永磁鐵上，以避免大顆粒的團聚[5]；

第三步：按體積比1∶19 配制成氨水-去離子水混合液，反復對Fe3O4顆粒進行洗滌，重復第二步，直到混合溶液的pH 值在9.2～9.8，沉淀分離后得到Fe3O4顆粒沉淀物及溶液共約30ml；

第四步：加入表面活性劑2.6g，超聲波振蕩約18min，取出未溶解的顆粒，重復幾次后，將混合溶液靜置冷卻至室溫，用超聲波振蕩5-8 次后得到穩定的Fe3O4鐵磁流體。

2 實驗結果及討論

2.1 固體磁性粒子體積份額對粘度的影響

環境溫度25 攝氏度，固體磁性粒子體積份額 Sφ 選取0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%，測量后整理數據如圖1 所示。從變化曲線我們分析得知固體磁性粒子體積份額的增大會帶來粘度的增大，且增大的趨勢隨著外加磁場的增大而變快。

圖1 Fe3O4 鐵磁流體粘度隨 Sφ 的變化曲線

圖2 Fe3O4 鐵磁流體粘度隨表面活性劑質量份額的變化曲線

2.2 表面活性劑質量份額對粘度的影響

環境溫度25 攝氏度，固體磁性粒子體積份額 Sφ 為1.0%，表面活性劑質量份額σφ 選取3%、4%和6%，外加磁場為0，測量后整理數據如圖2 所示。從變化曲線我們分析得知表面活性劑份額的增大會帶來粘度的增大，且在一定范圍里呈現線性變化。

同時我們還發現，穩定后的粘度比也與表面活性劑質量份額有關，表面活性劑質量份額的減小會增大最終的粘度比，實驗數據如圖3 所示。

圖3 Fe3O4 鐵磁流體粘度比隨表面活性劑質量份額的變化曲線

圖4 Fe3O4 鐵磁流體粘度隨溫度的變化曲線

2.3 溫度對鐵磁流體粘度的影響

固體磁性粒子體積份額 Sφ 為0.5%，表面活性劑質量份額σφ 為3%，環境溫度選取10、20、30 和40 攝氏度，測量后整理數據如圖4 所示。結合安德雷德粘度與溫度關系式我們發現，無論外界有無磁場作用，溫度的升高都會帶來粘度的下降，對比0Gs 和147Gs 情況，有磁場時粘度下降更快。

3 結論

本文介紹了Fe3O4鐵磁流體的制備方法，分析了鐵磁流體粘度與固體磁性粒子體積份額、表面活性劑質量份額和溫度之間的關系，得到的相關結論可為企業應用提供參考，具有實際的應用價值。

[1]張立德.超微粉體制各與應用技術[M].北京：中國石化出版社，2011：223-230.

[2]鄒繼斌，陸永平.磁性流體密封原理與設計[M].北京：國防工業出版社，2011.

[3]陳惠釗.粘度測量[M].修訂版，北京：中國計量出版社，2012.

[4]章梓雄，董曾南.粘性流體力學[M].北京：清華大學出版社，2010.

[5]溫利等.磁流體密封技術的發展及應用綜述[J].潤滑與密封，2011(6)：86-89.