磁性液體的熱學特性研究*

張鳳萱，趙鑫媛，盧 迎，蘇 波

（首都師范大學 物理系，北京 100048）

磁性液體是在鐵磁性物質或者亞鐵磁性物質的納米顆粒表面吸附一層表面活性劑，然后均勻分散在某種基液中形成的彌散溶液。磁性液體具有較高的導熱性能和傳熱性能，其流動和傳熱過程可以通過磁場來調控，所以磁性液體為強化傳熱帶來了新的機遇。Nkurikiyimfura等人研究了顆粒大小以及顆粒所占體積分數對磁場下機油基Fe3O4磁性液體的導熱系數的影響，結果表明體積分數越大顆粒越小，其導熱系數就越大[1]；Philip等人分別研究了乙二醇基、煤油基和水基磁性液體的導熱系數，發現其導熱系數比隨顆粒體積分數的增大而增大，但當體積分數小于1.71%時，導熱系數比不再增大[2]；Hong等人研究了乙二醇基磁性液體的導熱系數，發現導熱系數比隨體積分數呈非線性增加[3]。在醫學方面，國外對于磁感應熱療的研究主要集中在加熱效率和磁熱介質加熱機制等方面[4-5]，而國內磁感應熱療的研究主要為磁熱介質中粒子的特性[6-7]，生物學的相關效應[8-9]以及磁場各方面優化[10]等。由此可見磁感應熱療具有廣泛的應用前景，所以本文主要分析了磁性液體的熱學特性，即其在不同條件下的升溫情況。

1 實驗系統

實驗裝置實物圖如圖1所示，主要由電磁鐵、雙刀雙擲開關、導線組成。為了防止外界溫度變化對實驗產生影響，需要先給試管外壁纏上絕熱材料，再沿試管壁緩慢倒入磁性液，將試管放在電磁鐵中間，把雙刀雙擲開關連接到電路中，電路示意圖如圖2所示。通過改變開關的連通方向進行磁場換向，調節電磁鐵裝置電壓的大小來改變磁場強度，開關換向速率影響了磁場換向頻率的大小。在實驗中依次改變磁場的大小以及換向的頻率，將溫度傳感器伸入到磁液中測量其溫度的變化。

圖1 實驗裝置實物圖

圖2 開關連接電路示意圖

2 實驗

2.1 特定磁場強度下溫度隨時間的變化

將裝有磁性液體的試管放入到電磁鐵產生的磁場中，用特斯拉計測得此時換向磁場為N：77mT、S：76mT，將溫度傳感器伸入到磁液中，測出每升高0.1℃所需的時間，進而做出溫度時間關系曲線，如圖3所示，可以發現磁性液體在185秒內升高了0.8℃。

圖3 特定磁場強度下溫度隨時間變化曲線

2.2 不同磁場強度下溫度隨時間的變化

仿照上述步驟再次進行實驗，通過三次改變磁場的大小，每升高0.1℃記一次，依次記錄升高0.8℃所需的時間，如圖4所示。從圖中可以發現磁場大小為N：77mT S：76mT時在185秒內升了0.8℃，磁場大小為N：93mT S：82mT時升高0.8℃用了131秒，磁場大小為N：131mT S：92mT時升高與前兩次相同的溫度所需時間僅僅為80秒。由此可以看出磁場強度越大，升高相同溫度所需的時間越短。

圖4 不同磁場強度下溫度隨時間變化曲線

2.3 相同磁場強度下換向頻率不同時溫度隨時間的變化

由于是測量換向頻率對于溫度升高變化的影響，因此，分別測出1s換向一次和5s換向一次的溫度變化情況，如圖5所示，可以發現，換向頻率越快，溫度升高速率也就越大。

圖5 特定磁場強度下不同換向頻率的溫度隨時間變化曲線

3 分析與討論

磁性液體產熱的機理主要是由于磁性顆粒的磁矢量旋轉及其本身的物理旋轉。將磁性液體置于交變磁場中，隨著時間的增加溫度也會相應的升高。這是因為磁液由大量的納米磁性顆粒組成，比一般顆粒的表面積大，而且導熱性能更強。這些顆粒磁矩的取向會受到外界磁場的影響，當沒有磁場作用時，磁矩呈任意取向，當施加一定的磁場時，磁矩會產生兩種馳豫現象，即將克服磁各向異性勢壘，因熱漲落而發生的產熱現象以及發生轉動與基液分子碰撞而出現的產熱現象。所有這些磁性顆粒的磁矩將沿磁場方向動態自組，形成沿磁矩方向N極和S極首尾相扣的鏈狀結構。在磁場的作用下，群體磁性顆粒構成的“磁扣鏈”受到拉伸離心力和壓縮磁力的作用，圍繞“磁扣鏈”中心不斷壓縮、拉伸和旋轉，同時也在不斷與周圍基液摩擦生熱，使周圍的介質升溫[11]。

單位質量的磁液在單位時間內產生的熱量稱為比吸收率（SAR），其表達式為[12]

其中H為交變磁場的強度，χ0為平衡磁化率，μ0為真空磁導率，f為交變磁場的頻率，τ為弛豫時間。從公式中可以看出當磁場強度增大或者換向頻率加快時，也就是H增大或f增大時，SAR會相應增加，即單位時間內產熱量增多，產熱速率加快。

綜上所述，處于交變磁場中的納米顆粒磁滯損耗產生的熱量取決于交變磁場強度的大小以及換向頻率等因素。

4 相關應用——腫瘤熱療

腫瘤熱療是磁性液體在醫學上的主要應用之一，就是將一定量的磁性液體注射到腫瘤部位，之后施加一定頻率的交變磁場，使腫瘤組織周圍的溫度達到43℃-46℃的范圍內，從而達到殺死腫瘤細胞的目的，但是在該溫度范圍內，不會對人體的正常細胞造成任何危害。熱療的主要作用就是將熱限制于癌癥病灶處，而不傷害其周圍的正常組織。腫瘤磁致熱療具有定位準確、控溫方便、用藥劑量少、毒副作用小、治療效果好等特點。因此，將磁響應材料導入腫瘤病灶，通過低頻交變磁場中的磁滯產熱原理獲得熱能，這不僅對于淺表層腫瘤的治療適用，而且對于深層腫瘤的治療也有積極的作用[13]。

5 結束語

由實驗可以看到磁性液體在磁場中其溫度會發生變化，在磁場一定的情況下，隨時間的增加，磁性液體的溫度會升高；另外隨著磁場的增加，磁場的換向頻率與升溫速度成正比關系。磁性液體的傳熱性能隨外加磁場條件的不同而具有不同的特點，所以可以通過改變外加磁場的方法來控制磁性液體的溫度，據此可將磁性液體的熱學特性運用到生活中。