磁流體制備及性質(zhì)研究

劉曉龍，韋宗慧，馮 超，段以恒，王中平，張?jiān)雒?/p>

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院，安徽合肥230026）

磁流體制備及性質(zhì)研究

劉曉龍，韋宗慧，馮 超，段以恒，王中平，張?jiān)雒?/p>

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院，安徽合肥230026）

采用化學(xué)共沉淀法制備了納米Fe3O4磁性顆粒，將其均勻分散在載液中獲得磁流體.給出了表征所制備樣品的宏觀和微觀特性圖譜，探究了樣品的磁熱效應(yīng)、法拉第效應(yīng)和克爾效應(yīng)，并制作了磁流體薄膜顯示器.通過對(duì)磁流體樣品的分析，獲得其最佳的油酸鈉包裹量為0.0216g／mL，樣品顆粒小，穩(wěn)定性高，磁熱效應(yīng)明顯.研究發(fā)現(xiàn)磁流體薄膜的透射率隨磁場(chǎng)變化明顯，測(cè)量費(fèi)爾德系數(shù)時(shí)必須考慮透射率的影響.磁流體樣品存在異?？藸栃盘?hào).

磁流體；磁熱效應(yīng)；法拉第效應(yīng)；克爾效應(yīng)；磁流體顯示

1 引 言

磁流體是指磁性納米顆粒在表面活性劑進(jìn)行包覆或改性后，高度均勻分散到載液中，形成穩(wěn)定、功能化的膠體溶液，又稱鐵磁流體.磁流體是一種新型的液態(tài)功能材料，它兼有固體材料的磁性和液體材料的流動(dòng)性，以及光、熱、磁等方面的特殊性質(zhì)，所以具有較高的開發(fā)價(jià)值.應(yīng)用領(lǐng)域已涉及到航空航天、機(jī)械、電子、能源、化工、冶金、醫(yī)療等，并在不斷擴(kuò)展.

在目前的磁流體制備技術(shù)中，存在著磁性納米顆粒的磁性、表面活性劑的用量、磁流體本身的穩(wěn)定性及制備時(shí)的環(huán)境控制等問題，這些問題影響磁流體的制備和應(yīng)用，使得大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的成本較高，技術(shù)比較復(fù)雜［1］.

本文通過簡(jiǎn)單實(shí)用的方法制備了納米Fe3O4磁性顆粒，并均勻分散在載液中獲得磁流體.對(duì)磁流體的物理性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試、分析，并設(shè)計(jì)制作了磁流體薄膜顯示器.鑒于磁流體制備過程簡(jiǎn)單，物理現(xiàn)象明顯，磁流體相關(guān)實(shí)驗(yàn)可引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課堂演示，有利于學(xué)生在磁場(chǎng)、磁光現(xiàn)象等方面的直觀了解.

2 磁流體的制備

方法：化學(xué)共沉淀法.

試劑：氯化亞鐵（FeCl2·4H2O），氯化鐵（FeCl3·6H2O），氨水（25%），水合油酸鈉.

反應(yīng)式為：

制備過程［2－4］：分別溶解15.00g FeCl3· 6H2O、10.95g FeCl2·4H2O于150mL去離子水中，制成溶液，再先后將氯化亞鐵溶液、氯化鐵溶液加入到55℃的去離子水中；在45℃的水浴加熱條件下，以9mL／min滴入氨水，共150mL，并高速攪拌反應(yīng)溶液30min.反應(yīng)完成后可以用磁鐵沉降，除去上層清液后多次用15mL氨水和285mL去離子水洗滌，直至pH值約為9～10.為了探究表面活性劑的最佳用量，將液體濃縮到100mL，并均分成5份.將7g水合油酸鈉配成85mL溶液分成5份，每份分別含溶質(zhì)0.8，1.1，1.4，1.7，2.0g.將油酸鈉溶液分別加入洗滌后溶液中，45℃下超聲1h，在90℃下磁力攪拌30min，制得磁流體樣品.

3 樣品分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)量

3.1 宏觀表征

分別用FeCl2和FeSO4提供二價(jià)鐵離子，按同樣的步驟進(jìn)行了2次實(shí)驗(yàn)，制備出的樣品宏觀上表現(xiàn)為黑色、不透明液體.所得的樣品在磁場(chǎng)下呈現(xiàn)出不同的形態(tài).

用FeCl2所制得的樣品呈現(xiàn)出黏度小，烏黑發(fā)亮，F(xiàn)e3O4顆粒較小，而且均勻分散于載液中［圖1（a）］；用FeSO4所制得的樣品黏度較大，粒子沒有充分地分布于載液中，顆粒也較大，但是容易形成凸起的尖刺狀，這種形狀實(shí)際上立體地反映出了磁感線的分布［圖1（b）］.凸起的形成和重力、表面張力、磁場(chǎng)均有關(guān).

圖1 制備的磁流體

3.2 TEM表征

圖2是不同油酸鈉濃度的4組樣品的TEM圖.Fe3O4粒子有磁性，若包覆得不好，團(tuán)聚現(xiàn)象將比較嚴(yán)重，從圖中看出，0.021 6g／mL油酸鈉用量的分散性最好，其他組均團(tuán)聚嚴(yán)重.顆粒直徑在8～21nm范圍內(nèi).

圖2 不同油酸鈉濃度的4組樣品的TEM圖

圖2（d）中的插圖是圖中局部放大圖，箭頭所指的顏色較淡的一層即為油酸鈉的包覆層.油酸鈉是一種表面活性劑，可以在磁性納米顆粒表面形成包覆層，使納米顆粒間的勢(shì)能出現(xiàn)較大的勢(shì)壘，削弱團(tuán)聚現(xiàn)象.

3.3 XRD表征

從樣品的X射線衍射譜圖（圖3）可知，其峰位與Fe3O4的標(biāo)準(zhǔn)譜圖一致，說明磁流體樣品的成分確實(shí)是Fe3O4.

圖3 磁流體樣品的XRD譜圖

3.4 磁熱效應(yīng)

磁流體是不透明的液體，光很難透過，所以進(jìn)行光學(xué)性質(zhì)的研究時(shí)需要將樣品制備成薄膜的形式.采用制作液晶盒的方法，先在載玻片表面均勻地撒間隔子，然后用紫外線膠將其中的兩邊密封，用虹吸現(xiàn)象將磁流體注入，再封另外兩邊.

由于Fe3O4熱導(dǎo)率比較大，納米顆?？梢员患す庋杆偌訜幔瑑?nèi)部形成溫度梯度分布，導(dǎo)致顆粒在徑向上呈現(xiàn)濃度梯度，折射率也就不均勻，出現(xiàn)熱透鏡效應(yīng)——磁熱效應(yīng)，于是在光屏上會(huì)出現(xiàn)干涉環(huán).隨著時(shí)間的增加，光環(huán)半徑增大并趨于飽和.實(shí)驗(yàn)光路圖如圖4所示，隨時(shí)間增加的干涉環(huán)的圖像如圖5所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)光路圖

圖5 干涉環(huán)隨時(shí)間變化

3.5 法拉第旋光效應(yīng)

根據(jù)旋光的相關(guān)理論，旋光角度為其中：V為費(fèi)爾德系數(shù)，L為沿光線方向介質(zhì)的厚度，B為外磁場(chǎng)的大小.在一些研究工作中忽略了透射率對(duì)費(fèi)爾德系數(shù)的影響［5］，所以此處設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究透射率對(duì)測(cè)量費(fèi)爾德系數(shù)的影響.

實(shí)驗(yàn)中采用光纖耦合的高穩(wěn)定紅外光源（線偏光）與光功率計(jì)，使用雙折射晶體作為檢偏器，利用2個(gè)電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng).實(shí)驗(yàn)光路見圖6.

圖6 法拉第旋光實(shí)驗(yàn)光路

實(shí)驗(yàn)中，首先不使用雙折射晶體檢偏，改變磁場(chǎng)的大小，測(cè)量出透射光功率隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的關(guān)系（圖7），測(cè)量中，連續(xù)改變電磁鐵電流大小，先增加，再減小.由于磁流體本身存在少許磁滯，導(dǎo)致透射率的變化曲線也存在類似磁滯的現(xiàn)象.然后再使用雙折射晶體，同樣改變磁場(chǎng)大小，測(cè)量出光功率計(jì)的讀數(shù)與磁場(chǎng)大小的關(guān)系.此時(shí)的透射光功率不僅包含透射率變化的信息，還包括了法拉第旋光的信息.

圖7 無檢偏晶體時(shí)透射光功率與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

無檢偏晶體時(shí)，透過率隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增加曲線擬合為

因?yàn)榻?jīng)過歸一化，F(xiàn)（B）即是透射率.由（2）式可以看出，磁流體薄膜透射率隨磁場(chǎng)近似按指數(shù)衰減，其原因是在磁場(chǎng)下磁流體出現(xiàn)相分離，F(xiàn)e3O4納米顆粒形成磁鏈，使液相部分在表層減少，透射率下降［6］.

加上檢偏晶體，同樣測(cè)量透射光的功率和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系.加上檢偏晶體后，透射光的功率和不加檢偏晶體的功率關(guān)系為

所以，同樣經(jīng)擬合得到：

圖8比較了（2）式與（4）式.由圖可以看出相對(duì)于旋光，透射率的變化影響很大，所以在測(cè)量費(fèi)爾德系數(shù)時(shí)，需要考慮透射率的影響.

圖8 2種條件下透過率與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系

3.6 磁光克爾效應(yīng)

由于磁流體納米顆粒有磁性，所以可以通過磁光克爾效應(yīng)測(cè)量其相關(guān)性質(zhì).

實(shí)驗(yàn)使用磁光克爾效應(yīng)測(cè)量專用平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)光路圖如圖9所示.

圖9 磁光克爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)光路圖

這里使用的樣品為涂覆在載玻片上烘干的磁流體樣品，而沒有使用液晶盒方法制作薄膜，因?yàn)榻?jīng)實(shí)驗(yàn)，覆蓋在磁流體樣品表面的玻璃會(huì)反射一部分光，影響較大.選取激光入射點(diǎn)1，在不同磁場(chǎng)下測(cè)出的克爾信號(hào)曲線如圖10所示.

圖10 入射點(diǎn)1的克爾信號(hào)

選取入射點(diǎn)2，在不同磁場(chǎng)下測(cè)出的曲線如圖11所示.

圖11 入射點(diǎn)2的克爾信號(hào)

對(duì)于入射點(diǎn)1，克爾信號(hào)和正常的磁滯回線相同，并且隨著磁場(chǎng)的幅值變大（20～250mT），逐漸飽和.飽和時(shí)的外磁場(chǎng)值為：1.708×104A／m，－1.745×104A／m.從磁滯回線形狀可見，磁滯很小，這是由于磁流體的納米顆粒在20nm以下，傾向于超順磁性，磁滯理論上將消失.

對(duì)于入射點(diǎn)2，克爾信號(hào)與磁滯回線形狀有很大差別，是一種異常的磁光克爾效應(yīng).文獻(xiàn)［7］報(bào)道有很多原因會(huì)引起異常磁光克爾效應(yīng)，比如來源于多層磁性膜之間的疊加，特別是當(dāng)2層膜的克爾轉(zhuǎn)角相反時(shí).由于異常磁光克爾效應(yīng)只出現(xiàn)在樣品的某個(gè)位置，并且所使用的樣品為烘干后涂覆在載玻片上的磁流體，覆蓋不均勻，所以推測(cè)是樣品表面反射光與載波片反射光相干疊加的結(jié)果.

3.7 磁流體薄膜顯示器

磁流體的透射率隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大而減小，所以可以通過磁場(chǎng)來控制薄膜局部透射率，以做顯示器.

顯示效果的關(guān)鍵在于以下幾點(diǎn)：

1）制備厚度合適的磁流體薄膜；

2）可控的局域磁場(chǎng)；

3）較好的對(duì)比度；

4）很弱的磁滯.

用單片機(jī)控制電磁鐵陣列，用三極管放大電流信號(hào)控制繼電器的通斷來控制電磁鐵，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顯示器的作用.顯示效果如圖12所示.

圖12 磁流體薄膜顯示效果

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，磁流體薄膜的磁滯很小，在動(dòng)態(tài)顯示時(shí)響應(yīng)較快，基本符合動(dòng)態(tài)與靜態(tài)顯示的要求，只是薄膜的制備略為粗糙，導(dǎo)致薄膜不均勻，甚至有氣泡.但經(jīng)工藝改進(jìn)，完全可以改善.

4 結(jié)束語

通過對(duì)制備出磁流體樣品的分析，獲得其最佳的油酸鈉包裹量為0.021 6g／mL.樣品顆粒小，穩(wěn)定性高，磁熱效應(yīng)明顯.研究發(fā)現(xiàn)磁流體薄膜的透射率隨磁場(chǎng)變化明顯，測(cè)量費(fèi)爾德系數(shù)時(shí)必須考慮透射率的影響.此外，發(fā)現(xiàn)了磁流體樣品存在異?？藸栃盘?hào).設(shè)計(jì)制作了磁流體薄膜顯示器，顯示的效果明顯.此實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果直觀明顯，涵蓋了多學(xué)科的知識(shí)，對(duì)創(chuàng)新思維、動(dòng)手能力及數(shù)據(jù)處理能力均有所鍛煉，適合作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)及課堂演示.

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Study on preparation and properties of magnetic fluid

LIU Xiao－long，WEI Zong－h(huán)ui，F(xiàn)ENG Chao，DUAN Yi－h(huán)eng，
WANG Zhong－ping，ZHANG Zeng－ming
（School of Physical Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China）

The nano－Fe3O4magnetic particles were prepared using chemical precipitation，and the magnetic fluid was obtained through dispersing nano－Fe3O4magnetic particles evenly into the carrier liquid.The structure properties of samples were studied by XRD and TEM.The magneto－thermal effect，F(xiàn)araday effect and Kerr effect were studied for these magnetic fluid samples.And the ferrofluid thin film display was successfully achieved.The optimal parameter was obtained，such as the packing sodium oleate 0.021 6g／mL.The particles had small size and high stability，magneto－thermal effect was remarkable.The transmissivity of magnetic fluid film changed obviously when the magnetic induction changed，so the effect of transmittivity must be considered for the measurement of Verdet constant.The abnormal Kerr effect existed in magnetic fluid.

magnetic fluid；magneto－thermal effect；Faraday effect；Kerr effect；ferro－fluid thin film display

TB383

A

1005－4642（2012）08－0006－05

［責(zé)任編輯：任德香］

“第7屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文

2012－05－29；修改日期：2012－07－06

國(guó)家自然科學(xué)基金理科物理學(xué)基地（2011）；中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教學(xué)項(xiàng)目（2011）

劉曉龍（1990－），男，遼寧大連人，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院2009級(jí)本科生.

張?jiān)雒鳎?966－），男，安徽舒城人，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院副教授，博士，從事表面物理和高壓物理研究.