物理多铁性材料及磁性液体简介

相对于已有的双分散体系实际为尺寸双分散体系而 言，由强、弱两类磁性纳米微粒构成的体系可称之为 “磁双分散体系”。这种“二元磁性液体”不同于由强 磁性微粒与非磁性微米量级微粒构成的“复合磁性液 体”。在“复合磁性液体”中，非磁性微粒粒径远大于 强磁性微粒，以致可视非磁性微粒分散在强磁性微粒构 成的连续介质中。在外场作用下，非磁性微粒由于感生 的负磁矩而产生相互作用，并可能产生类链结构。“复 合磁性液体”的宏观性质决定于非磁性微粒的性质及场 致结构。而“二元磁性液体”的场致结构及相应的物理 效应仍来源于强磁性微粒，但通过调整两种微粒的比例， 可望达到有别于单一强磁性微粒构成的磁性液体的性质。
第二部分
磁性液体
之 二元磁性液体
1、磁性液体的概念
所谓磁性液体（也叫铁磁流体）(Ferrofluids, magnetic fluidLeabharlann Baidu，magnetic liquid, ferromagnetic fluids)，并非是指严格 意义上的“液态”磁性材料（物质处于液态的温度都高于其居 里温度，所以目前还没有液态的磁性材料。1996年，发现在 Co-Pd合金在冷却熔化的过程中发现磁性相变，不过就磁场控 制流动及相关应用方面，没有技术应用价值。），通常是由粒 径在10nm左右的强磁性（铁磁性或亚铁磁性）微粒均匀分散 在基液中（fluid carrier），通过吸附离子（电荷排斥力）或在 表面带上长链分子（位力排斥）达到抗团聚而形成的稳定的胶 体体系。纳米微粒通常是铁磁性金属、亚铁磁性等强磁性纳米 微粒，基液通常是水、有机液体或者有机水溶液。
4、合成磁性液体的步骤：
(a) 合成纳米尺度的磁性颗粒，合成的方法有： 微乳 液法, 共沉淀法, 球磨法, 生化学法, 溶胶凝胶法及热分 解法等.
(b) 将纳米颗粒稳定的分散在各种极性/非极性的基液 里面, 为了获得稳定的磁性液体, 应当选择与基液的介 电性相匹配的分散剂。各种表面活性剂, 如：油酸钠 （一种有机物）, 氨基十二烷（dodecylamine）等通 常使用于增强水介质中的分散性。
我国从20世纪70年代以来，南京大学、 北京交通大学、西南应用磁学研究所、西南 大学、东北大学、哈尔滨化工所、北京理工 大学、北京钢铁研究院等单位相继开展了这 一领域的基础研究与应用研究，并有产品可 提供市场。但目前国内还未广泛地了解此类 新型磁性材料的特性，也未开拓该材料在众 多领域的应用，与国外相比，我国的研究还 不够广泛和深入。
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当λ<1,说明热能占主导地位，在磁场作用下微粒之 间的磁性相互作用力可以不考虑； 当λ>1. 微粒之间的磁性相互作用能就大于热能， 在磁场作用下微粒就会团聚。
6、磁性液体的发展现状
美国、日本、英国、俄罗斯、法国、德国等国均有 进行磁性液体的基础研究与应用研究，并且还进行磁性液 体的生产。此外，在磁性液体的各种特性研究方面，从微 观机理上也相应展开了许多研究。比如，在磁性液体的磁 化性质的研究中提出了平均场理论、分子动力学理论、偶 极子—偶极子的相互作用模型、链形成模型、类气压缩模 型等。在零场下，磁性液体中的磁性微粒间由于相互作用 除了形成短链结构外，还存在弓形结构以及微粒间首尾相 连的环状结构，而环状结构对磁化强度没有贡献，但可通 过在磁性液体中加入弱磁性微粒增加或减少环状结构的数 量。但基础研究还落后于实际应用。
7、二元磁性液体
通常，强磁性物质的饱和磁化强度远大于顺磁物 质的感生磁化强度，于是，强磁纳米微粒与弱磁纳米 微粒将不会形成场致结构。因此，由强磁性与顺磁两 类纳米微粒所构成的磁性液体可近似为磁双分散磁性 液体。这种磁性液体中的磁性相是强、弱两类磁性纳 米微粒即两类磁偶极子构成，所以我们称之为“二元 磁性液体”。
目前，在磁性液体中普遍采用单一化学组分的高（饱
和）磁化强度的纳米微粒。其粒径总是有一定分布，为多 分散体系，以致磁性液体其性质——微观结构、磁性、磁 光等不同于单一尺寸的单分散体系，因此在磁性液体的宏 观性质的机理研究上存在很多困难。
近年来，国际上理论研究较多的为双分散体 系模型，即同一化学成份的大、小两类无尺寸分布 的纳米微粒构成的体系，大微粒构成场致结构的主 体，小微粒由其相对含量的多少可能抑制也可能增 强场致结构的形成、变化等。由此可推想，双分散 体系的磁性液体可具有新的性质。然而这样的尺寸 双分散体系在实验上是很难实现的。
3、对微粒的要求：
只有当微粒间的磁能大于它们之间的热能的时 候，就会产生磁场导致的团聚。 Rosens weig把这个比值定义为微粒之间的相互作用 参数，表示为：
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由于大多数磁性液体中的磁性微粒都是被表面活性剂包 裹起来的， 磁性微粒不能接触，所以磁性力只有足够强的 时候才能穿过表面活性剂层。考虑到表面活性剂的厚度s之 后，粒子间的作用参数就可以表示为：
2、磁性液体的性质
由于磁性液体同时具有磁性和流动性，因此具 有许多独特的磁学、流体力学、光学和声学特性。如， 当磁性液体置于一定强度的均匀磁场，当一束偏振光 穿过时，偏振光的电矢量平行于外磁场方向比垂直于 外磁场方向吸收更多，因而呈光学各向异性，将产生 法拉第效应、双折射效应等一系列磁光效应。磁性液 体在交变场中具有磁导率频散、磁粘滞性等现象。
3、磁性液体的应用
1965年美国宇航局为了解决太空服头盔转动密 封的技术难题而率先研制成功实用的磁性液体。自20 世纪60年代初问世以来，引起了世界各国的重视与兴 趣。磁性液体已在许多领域展现出广泛的应用前景。 如：在生物医学领域具有广泛的应用，如: 过高热的 恶性肿瘤处理（cancer treatment）, 核磁共振(MRI) 造影剂, 给药（drug delivery ）, DNA杂化及细胞分 离等.磁性液体印刷、磁性液体薄膜轴承、声纳系统、 磁性药物、细胞磁性分离、磁性液体人工发热器、磁 性液体涡轮发电、光学开关、磁性液体刹车、仪器仪 表中的阻尼器、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等 等。