納米磁性流體應(yīng)用的研究現(xiàn)狀及發(fā)展＊

封士彩

（常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215500）

納米磁性流體應(yīng)用的研究現(xiàn)狀及發(fā)展＊

封士彩

（常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215500）

納米磁性流體是一種新型的、重要的智能化液體功能材料，它在外磁場(chǎng)作用下可以被控制、定位、定向和移動(dòng)，是唯一一種真正具有工業(yè)實(shí)用價(jià)值的液體磁性材料。簡(jiǎn)要論述了納米磁性流體的應(yīng)用情況，著重闡述了納米磁性流體在密封、潤(rùn)滑、阻尼、傳感、研磨、拋光、礦物分選、生物醫(yī)學(xué)、油水分離和廢物處理等領(lǐng)域的應(yīng)用狀況、發(fā)展方向，指出納米磁性流體的應(yīng)用理論以及工程實(shí)際應(yīng)用等許多方面有待開(kāi)發(fā)和深入研究，其具有廣闊的應(yīng)用前景，值得應(yīng)用和推廣。

納米磁性流體；磁性流體密封；磁性流體潤(rùn)滑；磁性流體傳感器

1960年出現(xiàn)了軟物質(zhì)，這一不同于固態(tài)物質(zhì)，又具有特殊性能的新型材料被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，并在一定程度上推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展。1992年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者De Gennes受獎(jiǎng)時(shí)的講演題目是“Soft Matter”（軟物質(zhì)）；1994年，英國(guó)工程物理學(xué)會(huì)將“Soft solid”（軟固體）列為研究專題[1]。納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末發(fā)展起來(lái)的交叉前沿學(xué)科領(lǐng)域，它將對(duì)未來(lái)的科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。它是在納米尺度（1～100 nm）上研究物質(zhì)的特性和相互作用以及利用這些特性的多學(xué)科交叉科學(xué)和技術(shù)，當(dāng)物質(zhì)小到1～100 nm時(shí)，由于量子效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、界面效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)，使物質(zhì)的許多性能發(fā)生質(zhì)變，呈現(xiàn)出許多既不同于宏觀物質(zhì)也不同于單個(gè)孤立原子的奇異現(xiàn)象。納米磁性流體屬于軟物質(zhì)的一種，兼有固體磁性材料的磁性和液體材料的流動(dòng)性[5]，既非普通的牛頓流體，也不同于常用的非牛頓流體，因而它是有許多特殊功能的尖端納米技術(shù)之一，屬于固液相混的二相流體，是一種人工合成的膠體體系，是一種新型的、重要的智能化液體功能材料，在外磁場(chǎng)作用下可以被控制、定位、定向和移動(dòng)，也是唯一一種真正具有工業(yè)實(shí)用價(jià)值的液體磁性材料[2]。本文就其應(yīng)用方面進(jìn)行綜述，以期為相關(guān)工作的順利進(jìn)行提供參考。

1 納米磁性流體的主要用途

磁性流體是一種新型的磁性材料，自20世紀(jì)60年代美國(guó)首先在實(shí)驗(yàn)室研制成功以來(lái)，50年來(lái)發(fā)展迅速。由于磁性流體具有獨(dú)特而奇妙的特性，不僅被廣泛應(yīng)用于密封、潤(rùn)滑、研磨、傳感元件、揚(yáng)聲器、油墨、減振器、浮選、拋光和阻尼器等機(jī)械開(kāi)發(fā)方面，同時(shí)，它在熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、醫(yī)學(xué)上也有廣闊的應(yīng)用前景，現(xiàn)已將其推廣到航空、航天、機(jī)械、電子、遙測(cè)、能源、化工、冶金、儀表、環(huán)保、醫(yī)療、衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域[3]。它的具體應(yīng)用體現(xiàn)在半導(dǎo)體生產(chǎn)、纖維光學(xué)、激光技術(shù)、質(zhì)普儀、Χ射線儀、真空熱處理爐的動(dòng)態(tài)密封和精密機(jī)械、儀器儀表的隔絕密封等[4]。從磁性流體利用原理來(lái)看，磁性流體的主要用途如表1所示；從磁性流體應(yīng)用目的來(lái)看，磁性流體的主要用途如表2所示[5]。該材料現(xiàn)主要應(yīng)用于工程和生物醫(yī)學(xué)方面，而迄今為止應(yīng)用最成功和最廣泛的是氣體密封。

2 在密封方面的應(yīng)用及發(fā)展

納米磁性流體密封經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到較高的技術(shù)水平，并以其獨(dú)特的密封性能被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)了氣體密封的零泄漏、零磨損和長(zhǎng)壽命。目前，大功率氣體激光器中鼓風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸密封、大型超導(dǎo)發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的密封等都可以采用磁性流體密封。另外，使用磁性流體非接觸式機(jī)械密封技術(shù)生產(chǎn)的真空密封傳動(dòng)裝置、真空密封軸承和旋轉(zhuǎn)密封管閥接頭產(chǎn)品，也已被應(yīng)用于電子、機(jī)械及自動(dòng)化設(shè)備，真空機(jī)電設(shè)備，包裝設(shè)備，電子真空加工設(shè)備，比如真空點(diǎn)膠機(jī)、真空鍍膜設(shè)備、半導(dǎo)體真空焙燒裝置以及在硅生長(zhǎng)、目標(biāo)位置電子指示器、濺射、等離子蝕劑、化學(xué)氣相淀積、離子移置技術(shù)、液晶再生過(guò)程；高強(qiáng)度壓力設(shè)備，比如氣泵、壓縮機(jī)、風(fēng)動(dòng)機(jī)、壓力機(jī)等零部件的動(dòng)態(tài)密封，其在包括軸的旋轉(zhuǎn)密封和直線密封等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。此外，磁性流體密封還可用于封塵、封煙霧等，是防止污染物通過(guò)的有效屏障。例如計(jì)算機(jī)磁盤(pán)存貯器的密封可以防止研磨下的磨屑、油蒸氣和灰塵進(jìn)入磁頭與磁盤(pán)之間的縫隙，從而保護(hù)磁盤(pán)和磁頭，使其正常工作；Χ射線管和Χ射線機(jī)的旋轉(zhuǎn)靶密封；單晶爐真空旋轉(zhuǎn)軸的密封；在半導(dǎo)體工業(yè)中各種薄膜沉積、光刻、腐蝕等裝置和半導(dǎo)體生產(chǎn)的清潔機(jī)器人連接處的密封；在紡織和機(jī)械加工中的隔絕密封；氣體激光器、真空加熱爐、電廠貯能大飛輪、超導(dǎo)電機(jī)的密封；船舶的螺旋推進(jìn)器的密封；飛行時(shí)間質(zhì)譜儀的密封；宇宙飛船上望遠(yuǎn)鏡的軸端部的密封等。

磁性流體除了用于旋轉(zhuǎn)軸密封外，還可以制成面密封、直線運(yùn)動(dòng)密封以及各種特殊的磁性流體機(jī)械構(gòu)件[6]，比如離合器、聯(lián)軸節(jié)、壓力調(diào)節(jié)閥、制動(dòng)器、無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件的開(kāi)關(guān)和照相機(jī)快門(mén)等。目前，磁性流體的密封耐壓能力可達(dá)到3.5 MPa，真空度達(dá)10～8托，極限轉(zhuǎn)速為30 000 r/min。

表2 磁性流體用途（根據(jù)磁性流體應(yīng)用目的來(lái)分）

從磁性流體在密封方面的應(yīng)用研究來(lái)看，磁性流體密封具有傳統(tǒng)密封無(wú)法比擬的優(yōu)越性，它改變了人們的思想觀念，在密封中顯示出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，解決了無(wú)泄漏、無(wú)磨損和高速密封的問(wèn)題。雖然它在密封氣體方面的應(yīng)用比較成熟，但是，還存在比較多的問(wèn)題，比如不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地密封液體。納米磁性流體要想在密封領(lǐng)域向大的壓差方向發(fā)展，還需要進(jìn)一步深入研究磁性流體在密封中的作用機(jī)理，研究流體力學(xué)和動(dòng)力學(xué)在振動(dòng)、偏心、離心力和磁力中造成的影響以及在不同磁場(chǎng)中磁性流體極齒齒形和氣氛（比如氣體、流體或塵埃）等條件下的優(yōu)化設(shè)計(jì)；推廣磁性流體密封在各種設(shè)備中的使用，用組合密封、壓力平衡和某些特殊處理拓寬磁性流體的應(yīng)用范圍（比如線速度超過(guò)35 m/s、溫度超過(guò)80℃、壓力超過(guò)2～10 MPa），提高磁性流體密封各項(xiàng)性能指標(biāo)，加強(qiáng)研究機(jī)構(gòu)與生產(chǎn)企業(yè)的合作，將各種不同種類和性能的磁性流體密封用于實(shí)際工作中[7]，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)限、長(zhǎng)時(shí)間密封。

3 在潤(rùn)滑方面的應(yīng)用及發(fā)展

磁性流體是一種富有生命力的新型潤(rùn)滑劑。在磁場(chǎng)的作用下，磁性流體具有良好的流變學(xué)性能和摩擦性能，在外磁場(chǎng)作用下可使?jié)櫥湍Σ料禂?shù)下降，而且由于磁性流體中的磁性顆粒很小，比一般金屬表面的磨蝕坑還小，再加上磁性顆粒受到有機(jī)分子的包復(fù)，磁性流體對(duì)物體的磨損極小。由此可以看出，磁性流體作為潤(rùn)滑劑與其他潤(rùn)滑劑的主要差別在于，磁性潤(rùn)滑劑擁有利用外磁場(chǎng)在需要潤(rùn)滑的部位保持潤(rùn)滑劑的能力，并有著耐磨、摩擦力小的特點(diǎn)。其次，由于磁性流體中有固體顆粒存在，在潤(rùn)滑過(guò)程中可以抵御萬(wàn)有引力、加速度和向心力等。因此，磁性流體具有良好的摩擦學(xué)性能，在機(jī)械傳動(dòng)中是不可多得的一種特殊潤(rùn)滑材料，而且它在高溫、低溫和特殊要求的工作場(chǎng)合有其獨(dú)特的作用[8]，具有承載能力大、減振性能好、可控性連續(xù)性能好、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)泄漏、速度快、噪聲低、不需要供應(yīng)系統(tǒng)的特點(diǎn)。它可利用外加磁場(chǎng)使磁性流體保持在潤(rùn)滑部位，在潤(rùn)滑過(guò)程中可以抵消重力和向心力的作用，有效防止?jié)櫥さ南?，也不泄漏，并可防止外界污染[8]。

近年來(lái)，在滾動(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承、巨型壓縮機(jī)、高速磨床、高速紗錠機(jī)、天文觀察裝置等機(jī)械設(shè)備上，將磁流體作為潤(rùn)滑劑，對(duì)各種相互接觸的滾動(dòng)、滑動(dòng)表面進(jìn)行潤(rùn)滑，均有成功應(yīng)用的實(shí)例。

從磁性流體在潤(rùn)滑方面的應(yīng)用研究來(lái)看，除了對(duì)磁流體的潤(rùn)滑理論做了大量研究以外，還設(shè)計(jì)了一系列磁流體潤(rùn)滑機(jī)構(gòu)，比如磁流體潤(rùn)滑人工關(guān)節(jié)、充滿磁流體的滑動(dòng)軸承、磁流體傳感器、使用無(wú)主動(dòng)控制部件的磁性軸承飛輪裝置。經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試，分析、比較相關(guān)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)磁流體滑動(dòng)軸承能形成良好的全油膜潤(rùn)滑[10]，產(chǎn)生的摩擦力比傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承要小得多，其承載能力和抗磨損能力也大于同等條件下的傳統(tǒng)滑動(dòng)軸承。今后需要在研制磁性能高、黏度可控的新型磁流體潤(rùn)滑劑方面做深入的研究。此外，還需要深入研究磁性液體的潤(rùn)滑能力，尤其是油類潤(rùn)滑劑作為基液時(shí)。其主要研究方向和發(fā)展體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①影響磁性流體潤(rùn)滑能力的因素研究，比如外加載荷大小、外加磁場(chǎng)大小、納米粒子濃度大小、摩擦副表面狀態(tài)和環(huán)境溫度等；②在磁場(chǎng)中，滑動(dòng)軸承變形線區(qū)間潤(rùn)滑劑的流動(dòng)研究；③精細(xì)模數(shù)齒輪鐵磁流體潤(rùn)滑劑最佳狀態(tài)測(cè)定研究；④用磁性潤(rùn)滑劑提高摩擦裝置容量的方法研究；⑤研究磁場(chǎng)對(duì)磁性性潤(rùn)滑劑的影響；⑥用摩擦因數(shù)低的物料研究磁性流體的潤(rùn)滑性能；⑦鐵磁流體摩擦力矩以及考慮空化作用對(duì)軸承中鐵磁流體潤(rùn)滑作用的相關(guān)研究；⑧用數(shù)值法研究磁性流體潤(rùn)滑軸承；⑨黏彈性潤(rùn)滑劑在齒輪傳動(dòng)中的理論研究和數(shù)值分析；⑩膠體添加劑的潤(rùn)滑機(jī)理研究。

4 在阻尼方面的應(yīng)用及發(fā)展

磁性流體是具有磁性的流體，它本身具有黏滯性，而且其黏度又隨外加磁場(chǎng)的變化而變化，因此，可以利用黏度較大的磁性流體實(shí)現(xiàn)液體的阻尼，制成各種阻尼器。與一般流體能起到的減振作用相比，以此制成的阻尼器具有低頻小幅以及通過(guò)電流改變磁場(chǎng)達(dá)到控制黏度而實(shí)現(xiàn)阻尼減振的作用。也是因?yàn)橛写颂匦?，其被廣泛用于儀表、計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備、高精度搬運(yùn)系統(tǒng)、醫(yī)療機(jī)器、機(jī)器人、打印機(jī)、繪圖儀、計(jì)量表、振動(dòng)隔離器的負(fù)載盤(pán)等工業(yè)中，用磁性流體阻尼裝置來(lái)消除系統(tǒng)振蕩。從阻尼的機(jī)理來(lái)看，磁性流體產(chǎn)生的阻尼是利用磁性流體內(nèi)部的黏性剪切作用將多余的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能散失掉的原理，這與普通液體是相同的，不同之處是磁性流體流過(guò)環(huán)狀逢時(shí)因有可調(diào)磁場(chǎng)的作用使其黏度可變，而普通液體卻不能。在一定范圍內(nèi)，由外加磁場(chǎng)快速無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)、阻尼呈非線性狀態(tài)且變化是瞬時(shí)可逆的。將磁性流體作為旋轉(zhuǎn)與線性阻尼器，以阻尼不需要的系統(tǒng)振蕩模式。與一般的阻尼介質(zhì)相比，將磁性流體應(yīng)用于阻尼方面，優(yōu)點(diǎn)是可借助外磁場(chǎng)定位。例如，在步進(jìn)馬達(dá)中使用磁性流體阻尼來(lái)消除系統(tǒng)的振蕩和共振，使馬達(dá)精確定位。另外，在防振臺(tái)中使用磁性流體阻尼，可以消除外界振動(dòng)噪聲的干擾，以確保精密儀器（天平、光學(xué)設(shè)備等）能夠正常工作[9]。從磁性流體用于阻尼方面的研究情況來(lái)看，磁性流體黏性減阻技術(shù)具有適用范圍廣、減阻效果明顯、節(jié)約能源、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，但是，其在以下方面還需要做進(jìn)一步的深入研究：①研究究竟是因磁性流體提供了可控的柔順表面，消除了粗糙度，還是因?yàn)榇艌?chǎng)在磁性流體涂層上發(fā)揮的作用，改變磁性流體內(nèi)的速度分布，從而使壁面剪切阻力下降。②合理設(shè)計(jì)磁性流體涂層減阻的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。適當(dāng)選擇磁性流體涂層厚度，使它不會(huì)太薄，以至于涂層內(nèi)的循環(huán)不能發(fā)生，又不至于太厚，減少管道的有效面積，與輸送液體發(fā)生界面不穩(wěn)定性而被輸送液體帶走。③在考慮磁場(chǎng)體積力的作用以及考慮黏度隨剪切速率、磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化的條件下，求解磁性液體和被輸送液體內(nèi)速度分布表達(dá)式，求解流量以及流量與壓差關(guān)系的表達(dá)式等。

5 在傳感器方面的應(yīng)用及發(fā)展

磁性流體兼具流動(dòng)性與磁性的特性，非常適合作為一種靈敏的感應(yīng)元件使用，它在解決各種復(fù)雜、特殊、條件惡劣環(huán)境下的檢測(cè)問(wèn)題，有其他傳感器所代替不了的作用。在實(shí)際工作中，可以將磁性流體作為感應(yīng)核心，通過(guò)磁性流體的磁性來(lái)感應(yīng)由被測(cè)量帶來(lái)的感生電動(dòng)勢(shì)差的變化，從而檢測(cè)出被測(cè)量，比如磁性流體水平傳感器、磁性流體傾角傳感器和加速度、壓差、體積、流量、磁場(chǎng)等的測(cè)量用傳感器。

從磁性流體在傳感器方面的應(yīng)用研究來(lái)看，目前，在很多場(chǎng)合，磁性流體在傳感器中的應(yīng)用是作為輔助部分，而不是作為主要部分，未能充分發(fā)揮磁流體的獨(dú)特性，而國(guó)內(nèi)外的研究主要停留在應(yīng)用研究上，理論研究很少，在磁性流體傳感器的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案、驗(yàn)證手段等方面的研究也不夠系統(tǒng)和完善，與工程實(shí)際應(yīng)用有較大的差距。因此，在實(shí)際工作中，還需從以下方面入手作進(jìn)一步的深入研究：①新型磁性流體傳感器的傳感機(jī)理、建模和仿真優(yōu)化技術(shù)研究，將是未來(lái)磁性流體傳感器研究的一個(gè)重要方向。②充分發(fā)揮磁流體的流動(dòng)性和磁性，在外磁場(chǎng)作用下可以改變其黏度等特點(diǎn)?；诖艌?chǎng)作用下的磁流體傳感器智能性也將是重要研究?jī)?nèi)容之一。③發(fā)現(xiàn)與利用新效應(yīng)、新材料是傳感器技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，微型化、集成化、智能化和數(shù)字化是傳感器發(fā)展的新趨勢(shì)，磁流體傳感器的研究也將要順應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)而迅速發(fā)展[5]。

6 在研磨及拋光方面的應(yīng)用及發(fā)展

在生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，研磨是一種常用的精加工工藝，而且研磨方法也在不斷進(jìn)步和更新，有超聲波拋光、磨料流噴射加工、電解研磨、化學(xué)拋光、磁性磨料研磨、液體磨料研磨等表面光整加工技術(shù)。最常用、應(yīng)用最多的是機(jī)械研磨，其特點(diǎn)是尺寸精度、形狀精度高，表面粗糙度（Ra0.01 m）好。但是，在此要求操作者要有很高的技術(shù)水平，要有豐富的操作經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)榧庸ば实?、勞?dòng)強(qiáng)度大、加工質(zhì)量不易被控制、表面殘余應(yīng)力大、表面殘留，都會(huì)影響所加工物品的表面質(zhì)量。擠壓研磨是用一種含有磨料的黏彈性介質(zhì)，在一定壓力下，以極低的速度通過(guò)被加工型腔，利用磨料顆粒的刮削作用進(jìn)行研磨，表面粗糙度可達(dá)Ra0.025 m。

對(duì)磁性流體來(lái)說(shuō)，當(dāng)沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁性流體的徹體力與普通流體一樣，都是重力。此時(shí)，它的浮力僅是重力作用，而當(dāng)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，磁性流體除了會(huì)受到重力場(chǎng)產(chǎn)生的重力作用外，還會(huì)受到外磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁力作用。由于磁性流體中的磁性顆粒非常小，可視為大分子，用分子電流的觀點(diǎn)來(lái)討論它們的磁化時(shí)，每個(gè)固相顆粒就可以用一個(gè)分子電流環(huán)來(lái)代替，所以，電流環(huán)在外磁場(chǎng)中受到的磁力就構(gòu)成了磁性流體的磁徹體力。一旦外磁場(chǎng)具有所需要的強(qiáng)度和梯度時(shí)，它對(duì)磁性流體的作用與重力場(chǎng)相比，可以在數(shù)值上大很多倍。此時(shí)，磁性流體中的非磁性物質(zhì)（為了研磨而滲入的金剛石或碳化物）也產(chǎn)生比在重力場(chǎng)中大許多倍的浮力，這時(shí)，可利用和控制這種浮力使這些非磁性硬粒子在高速下微切削工件表面而達(dá)到研磨的目的。所以，磁性流體研磨是一種利用磁性流體本身所具有的流動(dòng)性和外加磁性來(lái)保證磨粒與工件被子加工表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和壓力，在外磁場(chǎng)作用下使磁性流體中的磁性顆粒形成磁徹體力反推磁性流體中的非磁性物質(zhì)（硬磨粒和浮板），使其形成微切削外載荷而對(duì)工件實(shí)施研磨加工。

磁性流體拋光是利用磁性流體的浮力將微米級(jí)的磨料懸浮于液體表面，與待拋光的工件緊密接觸。不論工件的表面形狀多么特殊，均可用此技術(shù)精密拋光。另外，磁性流體拋光還可以用來(lái)研磨高級(jí)Si3N4陶瓷球，效率比傳統(tǒng)方法高40倍。在磁性流體拋光過(guò)程中，較大粒度的磁性流體拋光液有利于工件表面粗糙度快速降低，較小粒度的磁流體拋光液可以獲得更加光滑的光學(xué)表面，而最終加工出光學(xué)元件表面粗糙度可達(dá)到0.76 nm（rms），其高頻表面粗糙度達(dá)到0.471 nm（rms值），已滿足對(duì)一定短波段光學(xué)研究的要求。但是，在磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁性流體拋光液中，磁性微粒的粒度匹配問(wèn)題，以及在磁性流體拋光液中加入的非磁性拋光粉（比如氧化鈰、氧化鋁、金剛石微粉等）的化學(xué)性質(zhì)、尺寸、易碎性等特性還需進(jìn)一步深入研究，以獲得較為完美的光學(xué)元件超光滑拋光效果。

7 在礦物分選方面的應(yīng)用及發(fā)展

磁性流體作為一種新型的礦物分選介質(zhì)，其密度可通過(guò)磁場(chǎng)無(wú)級(jí)調(diào)整，直至其高于原介質(zhì)的數(shù)倍，而流動(dòng)性、黏滯性卻不發(fā)生變化。利用磁性流體的表觀比例隨外磁場(chǎng)的變化而改變的特點(diǎn)，可以用來(lái)篩選比例不同的非磁性礦物。磁性流體靜力分選技術(shù)在國(guó)際上的發(fā)展極為迅速，前景也十分誘人。這種在不均勻磁場(chǎng)中以鐵磁性膠粒懸浮物溶液為分選介質(zhì)，根據(jù)礦物之間的密度差別和比磁化系數(shù)以及導(dǎo)磁率的差異而使不同礦物分離的選礦方法，由于其密度可隨意提高，而動(dòng)力黏度卻比較小，分選精度又高，可用于稀有貴金屬、黑色金屬、煤、非金屬等礦石的分選，在巖礦鑒定中還可代替有毒重液進(jìn)行快速分析。比例差別在10%左右的礦物可用此技術(shù)較好地分離，一般采用水基磁性流體，可重復(fù)使用。針對(duì)磁性流體的分選物質(zhì)原理，俄羅斯的研究人員將磁性流體用于砂金的分選，使黃金的采收率達(dá)到98%以上，而且處理時(shí)間減少了1/3；日本的日立公司（Hitachi）也成功地采用磁性流體進(jìn)行寶石的萃取，萃取速度高達(dá)1 000 t/h。從使用的性能特點(diǎn)來(lái)看，用磁性流體進(jìn)行礦物分選，能大大降低電能的消耗，并且水基磁性流體造價(jià)比較低，易于回收，對(duì)生態(tài)無(wú)害，在提倡節(jié)省能源保護(hù)環(huán)境的今天，磁性流體礦物分選技術(shù)是一很有應(yīng)用前途的礦物分選技術(shù)。

8 在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用及發(fā)展

醫(yī)用磁性流體是根據(jù)其密度分選的磁性與流動(dòng)性相結(jié)合的一項(xiàng)高新技術(shù)，1966年，它由工業(yè)應(yīng)用引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)，磁性流體能逃逸網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞系統(tǒng)的靶前廓清，表現(xiàn)出它具有優(yōu)勢(shì)的導(dǎo)向特點(diǎn)。因此，磁性流體逐漸成為矚目的、在生物體方面最有應(yīng)用前途的導(dǎo)向研究材料之一。目前，該材料作為磁性藥載體和高純體、高純度快速細(xì)胞分離技術(shù)實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，因它是低毒性物質(zhì)，有望用于高容量的抗癌藥固相磁載體，介入放射輔助的磁導(dǎo)向栓治療技術(shù)等。比如以磁性流體為母液來(lái)配制藥物，可將其作為藥物載體，用磁場(chǎng)將藥物運(yùn)送到目標(biāo)位置，可為癌癥交熱處理提供一種新方法[1]。Thomas Rheinlander等人對(duì)磁性流體用于治療癌癥進(jìn)行了試驗(yàn)。德國(guó)醫(yī)學(xué)專家正嘗試用化療手段治療癌癥時(shí)，采用磁性流體輔劑來(lái)減輕化療給患者帶來(lái)的各種副作用。目前，這項(xiàng)試驗(yàn)已經(jīng)在動(dòng)物身上取得了成功。在德國(guó)布來(lái)梅舉行的有關(guān)磁性流體問(wèn)題的一個(gè)國(guó)際性會(huì)議上，慕尼黑技術(shù)大學(xué)的腫瘤醫(yī)學(xué)專家阿列克西沃介紹說(shuō)，“磁性流體療法，就是一種使抗癌藥物借助亞鐵離子液在磁場(chǎng)作用下能準(zhǔn)確到達(dá)腫瘤所在位置的治療方法。這種方法能夠使藥物準(zhǔn)確地作用于病灶，不僅可以提高療效，更重要的是能夠明顯減少用藥劑量，從而有效減輕，甚至避免化療對(duì)人體造成的各種副作用，比如脫發(fā)、發(fā)熱等。”阿列克西沃說(shuō)，他所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組已經(jīng)在兔子身上成功地進(jìn)行了這種療法的試驗(yàn)。他們先使兔子患上皮癌，而后將混入了磁性流體制成的抗癌藥物注入兔子的血管，再利用特殊的磁場(chǎng)將藥物引導(dǎo)至癌瘤位置，并使其在病灶處停留60 min。經(jīng)過(guò)觀察，兔子接受這種治療后并沒(méi)有出現(xiàn)有任何副作用的反應(yīng)。此外，進(jìn)行這種治療的用藥量只需正常藥量的1/5就夠了。資料表明，這種治療方法能夠獲準(zhǔn)應(yīng)用于臨床。阿列克西沃準(zhǔn)備首先將此種方法用于治療乳腺癌、前列腺癌，以及手臂和腿部等肢體部位的惡性腫瘤在人的骨髓處理和基因轉(zhuǎn)移和提純方面。

磁性流體在生物磁學(xué)上不斷獲得新的應(yīng)用，用磁性流體技術(shù)處理血液、骨髓、血栓和分離細(xì)胞，利用磁性流體分流技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生物物料提純，鑒別微量有機(jī)物細(xì)胞或基因物質(zhì)，診斷和處理人的血液和骨髓疾病，比如磁性流體能用于腸中的定向運(yùn)動(dòng)、處理血栓、分離細(xì)胞及處理血液和骨髓；用于手術(shù)止血，人造關(guān)節(jié)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。舉例來(lái)說(shuō)，人得了胃潰瘍，服藥后藥便“散布”到整個(gè)機(jī)體內(nèi)，當(dāng)用無(wú)害的磁性流體作為藥劑的母液時(shí)，只需把磁鐵放到人體上，便可把藥物引到必需的部位。為了達(dá)到這一目的，可以很方便地制做磁性自硬膏。另外，采用高梯度磁分離技術(shù)從血液中成功分離出紅血球，使微細(xì)彌散的磁性顆粒懸浮液與細(xì)菌細(xì)胞相黏接，獲得比一般方法高得多的細(xì)菌鑒別靈敏度[1]。

9 在油水分離和廢水處理方面的應(yīng)用及發(fā)展

由于以烴類作分散劑的磁性流體可與油而不與水混合，在磁性流體中加入油水混合液時(shí)，油被磁性流體吸附并停留在磁場(chǎng)區(qū)，因此，可利用磁性流體進(jìn)行油水分離。大型油輪失事造成海面嚴(yán)重污染的事故時(shí)有發(fā)生，利用此原理可以回收泄漏在海面上的油和乳膠，這對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和環(huán)境治理有很大的應(yīng)用價(jià)值。例如，前蘇聯(lián)烏恰耶夫設(shè)計(jì)了一種油被磁性流體吸附并停留在磁場(chǎng)區(qū)的方法，它是在油輪上設(shè)置幾個(gè)盛裝親油磁性流體的槽，槽與油槽用管子相聯(lián)，管子與油槽相接的一端裝有噴嘴，船壁裝有幾個(gè)電磁鐵，電磁鐵可由船上發(fā)電機(jī)供電而使船體某部分磁化。一旦傳感器發(fā)出油槽漏油信號(hào)，鐵磁信號(hào)便通過(guò)噴嘴噴入油槽并迅速與石油混合，從而使油體帶有磁性。與此同時(shí)，電磁鐵通電，把油槽里的“混合油”和油槽金屬壁“束縛”在電磁鐵所產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)之中。這樣至少可以大大減緩石油外漏的速度，便于堵塞油槽裂口，防止或減緩失事油輪污染海洋。這種方法還可以收集已經(jīng)泄露到海面上的石油和油圬。

10 在其他方面的應(yīng)用及發(fā)展

磁性流體還在許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，文獻(xiàn)資料也有很多。例如，宇宙儀器振動(dòng)吸收裝置、汽車懸掛裝置、火箭和受控?zé)岷朔磻?yīng)、火箭推進(jìn)、磁性流體發(fā)電、磁性流體印刷、磁性流體薄膜軸承、聲納系統(tǒng)、細(xì)胞磁性分離、磁性流體人工發(fā)熱器、磁性流體渦輪發(fā)電、光學(xué)開(kāi)關(guān)、磁性流體剎車、觀察磁疇、環(huán)境保護(hù)、定向淬火、印刷印染、能量轉(zhuǎn)換、沉浮分離、新型電聲元件、失重下的記錄筆、磁性染料、磁性燃料、磁性流體陀螺、水下低聲波發(fā)生器、改進(jìn)型變壓器及電感磁芯、用于移位寄存器顯示、磁性流體傳感器、磁熱泵、磁流體微泵、磁共振顯像，等等，都有應(yīng)用磁性流體，它在熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等方面都有相應(yīng)的應(yīng)用。隨著磁性流體應(yīng)用的不斷發(fā)展，其應(yīng)用水平將不斷提高。

11 結(jié)論

納米磁性流體是唯一一種真正具有工業(yè)實(shí)用價(jià)值的液體磁性材料，具有優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景，不僅在密封、潤(rùn)滑、研磨、傳感元件、揚(yáng)聲器、油墨、減振器、浮選、拋光和阻尼器等機(jī)械方面的應(yīng)用不斷發(fā)展，在熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、醫(yī)學(xué)上也有廣闊的應(yīng)用前景。目前，該材料已被推廣到航空、航天、航海、機(jī)械、電子、遙測(cè)、能源、輕工、選礦、化工、冶金、儀表、環(huán)保、醫(yī)療、衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域。

納米磁性流體是富有生命力的新材料和新技術(shù)，目前，國(guó)內(nèi)外在納米磁性流體應(yīng)用的理論和工程實(shí)際應(yīng)用方面還有許多內(nèi)容有待開(kāi)發(fā)和深入研究，將來(lái)一定能得到廣泛的應(yīng)用和推廣，其研制和應(yīng)用技術(shù)定會(huì)日臻完善。

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TB34

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.003

2095－6835（2017）21－0003－05

常熟理工學(xué)院校科研基金資助項(xiàng)目（KYZ2013005Z，KYZ2011025Z）

封士彩（1966—），男，博士，教授，主要從事機(jī)械密封、測(cè)試和故障診斷研究。

〔編輯：白潔〕