磁性液体Word格式.docx
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80年代第二代金属磁性液体(metalmagneticfluids)出现。
进入90年代日本研制出第三代氮化铁磁性液体((iroirnitriflemagneticfluids)。
第一代铁氧体磁性液体问世解决了有无问题,第二代金属磁性液体的出现把磁性能提得更高(Ms:
0.17T(1700Gs)),第三代氮化铁磁性液体既具有良好的抗腐蚀性能又具有较高的磁性能。
磁性液体的特性是磁性颗粒、界面活性剂及载液性能的综合表征。
作为一种特殊的胶体体系,磁性液体同时兼有软磁性和流动性,因此它具有特殊的物理特性化学特性及流体特性。
磁性液体最基本的性能是它集固体的磁性和液体的流动性于一体,单畴的磁性粒子能自发磁化至饱和,同时因粒子尺寸微小,再加上界面表面活性剂的影响,颗粒间的范德华力得以克服,在重力和颗粒间磁相互作用下,颗粒悬浮在载液中呈布朗运动,每个颗粒磁矩取向完全随机,表现出超顺磁性。
具有流动性的磁性液体,在外加磁场作用下,其磁化强度随外加磁场强度的增大而增大,而且无磁滞现象,矫顽力和剩磁均为零。
在外加磁场作用下,磁性液体的其它物理性质如粘滞性、流变性等也发生了显著的变化。
在外加磁场时,磁性液体中的磁颗粒按磁场方向排列,产生双折射现象和二向色性。
磁性液体的粘度随外加磁场的增大而增大,在磁场作用下,磁性液体表现出良好的流变性能,如在均匀横向磁场中磁性液体的流动状态为紊流结构,在旋转磁场中则表现为涡流状态。
利用磁性液体的这些特性,磁性液体可以应用于选矿冶金、磁密封、光传感器、磁光开关、新型扬声器、磁热交换装置、医疗等各个方面。
AdvancedDynamicProcessSeals
磁性液体目前最广泛的应用是动态密封,特别是用于封真空、封气体或用于防尘等。
例如x射线衍射仪的转靶的真空密封、气流分级系统的防尘泄漏等等。
磁性液体密封适用领域
防尘密封:
硬盘(harddisk)、气流粉碎(分级)机……
真空密封:
电子显微镜、电子衍射仪、CVD装置、单晶炉、真空加热炉……
气体密封:
可用于多种气体密封的场合(如煤气风机转轴部位)
其它应用
直接替用
特别设计的密封连接器具有多种外形和尺寸,可以直接在多种系统中使用,替代原有装置。
特殊要求
对于特殊场合应用,可提供特别设计。
可按原系统结构进行改造设计;
可提供更大负载能力型号;
可加水冷,满足更高使用温度
主要特点
∙无磨损,因为磁性液体具有液体的性质,并且由于基液具有润滑性,所以还可起润滑作用。
∙密封度好,用于真空时可以达10-5Pa,现我们正努力实现10-7Pa的目标。
∙无泄漏。
磁性液体密封器件使用简单,基本不改变原有机械结构,我们可以提供磁性液体的密封设计。
磁性液体密封技术是在磁性液体的基础上发展的,与传统密封技术相比具有:
1.“零”泄漏,泄漏率低于质谱仪可测范围(10-11Pa.m3/sec)。
2.长寿命,无磨损,工作可靠。
3.无污染,没有密封材料磨损产生的颗粒。
4.低阻力,高转速。
磁性液体真空密封连接器是一种能够在两个相对封闭的空间内提供相互的可靠旋转连接的装置。
全系列的设计使其在多种场合得到广泛应用,例如单晶硅炉、各类镀膜设备、气相沉积、液晶再生、半导体刻蚀系统等超高真空系统和设备。
磁性液体真空密封连接器组件根据各类常用真空设备使用的真空旋转轴连接器技术参数设计制造,可直接替代相应的真空密封连接器使用,基本不需对原设备进行改造。
连接轴具有实心和空心两大类型号,方便不同应用需要。
特殊要求可增加水冷装置或提供更大负载能力。
特殊型号可特别设计制造。
磁性液体由于技术含量高,制备工艺复杂,应用领域广,尽管国际上已研究发展了很多年(美国是最早开始研究磁性液体技术,并首先在航天、军事等领域应用的),国际上对磁性液体的研究仍很活跃,不断有新的应用领域被发现,新的应用技术被提出,如近年磁性纳米微粒(磁性液体)在医疗上特别在防治肿瘤等领域中的应用就是一个研究热点。
我们在磁性液体技术上进行了大量研究和开发,开发成功扬声器用磁液和密封用磁性液体并在相应领域应用,本单位目前正在致力于开发磁性液体阻尼器及磁性液体轴承电机,同时也欢迎相关行业如微电机行业能与我们合作,共同开发。
磁性液体阻尼器
磁性液体的表观性质在磁场作用下会发生较大的改变,例如密度、粘滞性等,因为磁场的作用,磁性液体可以定位在一定区域内,磁性液体这些和磁性有关的独特性质,可以利用磁性液体制作高性能的阻尼器件。
它是由一个非磁性的惯性块、一个安装了磁性体的轮圈以及一定量的磁性液体组成。
其基本原理就是在轮圈与非磁性惯性块的间隙中注入磁性液体,利用磁性体的强力磁场作用,使磁性液体在非磁性惯性块和磁性体之间形成一层磁性液体层,从而使该非磁性惯性块悬浮在磁性液体层上。
这样就使磁性液体既具有了液体滑动轴承的功效,又由于磁场的作用而无泄漏之忧。
同时磁性液体的粘性作用又产生了最佳的阻尼效果。
在实际应用时将轮圈与步迸电机的转轴固定,当电机加速或减速时,由于非磁性惯性块的惯性作用使其稳定时间大幅度地缩短,同样也可抑制电机在其共振频域的振幅。
当电机匀速转动时,由于轮圈和非磁性块是同时回转的,因此几乎没有能量损失。
下图为磁性液体惯性阻尼器的基本结构和典型应用简图。
图一、磁性液体惯性阻尼器的基本结构图二、永磁转子电机中可直接应用磁性液体实现阻尼
对于以永磁体作转子的步进电机,可以直接把磁性液体注入磁极间隙即可,磁性液体的阻尼同样可以有效的消除系统的振荡与共振。
阻尼效果比较示意图
注:
黑线为不加阻尼时电机响应曲线,棕色线为加了阻尼后电机响应曲线。
磁性液体轴承电机
现代硬盘技术的飞速发展,硬盘转速的提高对电机性能提出了更高的要求,目前希捷等专业硬盘厂商已经在其主流产品使用了磁性液体轴承电机来满足硬盘驱动器高转速、高稳定、低噪音的要求。
磁性液体轴承是利用被磁场固定在电机转轴部位的磁性液体,旋转时形成的液体膜使电机转轴悬浮并自动定中,电机运转时,电机轴与电机其它部件没有直接接触,这样电机工作时的磨损小,噪音低,如使用了SoftSonicTMFDB(流体轴承)的SeagateBarracuda®
ATAIV,其声强仅为20dB,并且还是现在市场主流硬盘内部数据传输率最高的产品。
磁性液体轴承电机可以应用在多种需要高速稳定运转的场合,例如激光打印机,转速可以达到10000~30000rpm,噪音仅35dB左右。
磁性液体轴承原理
如图所示:
在斜槽部位加有磁性液体,并通过磁力的作用固定在斜槽部位,从而在斜槽部位形成一层磁性液体膜,在电机高速旋转时,磁性液体末就能使轴悬浮,这样电机可以高速而低噪音地运转。
磁性液体轴承主要特点:
∙高速,可达104rpm
∙低噪,仅为20~30dB
∙高可靠性,电机轴磨损几乎为零。
磁流体密封
一、磁流体的发展概况
磁流体是六十年代中期开发成功的一种人工合成胶体系统,美国宇航局率先采纳用于无重力状况下液体燃料的固定和宇航服的真空密封。
磁流体一般包含三个组分:
(1)铁磁性纳米级颗粒;
(2)包裹颗粒的稳定剂;
(3)一种适宜的液体作液态载体。
磁流体具有以下特点:
①在磁场的作用下,磁化强度随外加磁场的增加而增加,直至饱和,而外磁场除以后又无任何磁滞现象,磁场对磁流体的作用力表现为体积力。
②与一般纳米粒子相同,具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。
③具有液体的流动性,在通常的离心力和磁场的作用下,既不沉降,也不凝集。
磁流体的应用十分广泛,广泛用于旋转轴动密封、润滑、轴承、研磨、传感元件、减振器、扬声器、油墨等。
这项技术在我国出现也有十余年历史,但前段时间实际应用步履十分缓慢甚至停滞不前,97年以来,株洲维科磁流体有限公司在磁流体的制备和实际应用方面都取得了突破性进展,尤其在磁流体密封技术的应用方面走在前列,取得了实质性的应用效果,也是目前我国唯一的一家集研究、应用、生产于一体的磁流体公司。
二、传统密封方法存在的问题与磁流体密封的特点
真空的获得是与密封分不开的,过去由于无可靠的密封技术,对于有旋转轴与密封腔相连的设备,如真空热处理炉,激光器等,通常采用静密封加密封罩的技术,即在驱动电机端部与密封腔接触面采用胶封圈静密封,再将电机用密封罩罩住;
或者做成内藏式结构,将电机与风机全部置于密封箱体内。
上述方式的致命弱点都是通电导体在一定的真空度条件运行易产生真空放电,损坏设备,同时密封腔内的电机系统在真空条件下释放出来的物质容易污染真空环境,影响设备的性能。
对单晶硅炉而言过去采用传统唇圈动密封,运转一段时间后,由于摩擦作用造成唇边磨损,使密封效果大幅下降。
而真空环境受污染则严重影响产品质量,甚至造成报废。
磁流体密封技术的最大优点在于可以对旋转轴实行动密封。
转速可达0-20000r/min,这就彻底解决了真空放电损坏设备和真空污染影响产品质量的问题,而且本技术密封可靠,无接触磨损,使用寿命长。
磁流体密封结构具有以下特点:
(1)密封性能好:
目前采用的酯基磁流体可对介质进行严密的高度稳定的动密封或静密封,几乎无泄漏(<
10-11Pa·
m3/s),甚至使用质谱仪也未必能检出泄漏,真空密封时的真空度可达10-5Pa。
(2)密封结构寿命长:
用于真空场合密封的磁流体的载液是一种惰性、稳定、低蒸汽压的二酯基有机物,挥发量极低,可长期使用,10年无需维修。
(3)可靠性高:
磁流体密封件在正常情况下产生瞬时过压击穿时,一旦压力降低至密封可以承受的程度时,密封效果依然能够保持。
用于真空场合的磁流体密封件一般要求其耐压能力超过0.2MPa。
(4)传输效率高:
磁流体密封装置在旋转状态下,摩擦力极小,无机械磨损,发热低,功率损耗极小,传输效率几乎达100%,功率损耗仅仅考虑轴承的损失。
(5)传递速度高:
磁流体密封装置具有高速运转的潜力,可传递30000r/min的旋转运动。
(6)无污染:
磁流体密封件本身不存在机械磨损,没有微粒产生,磁液饱和蒸汽压极低,即使在真空状态下使用也不会产生污染。
(7)良好的修复性:
磁流体密封装置在使用过程中,如果因某些原因造成密封失效,只要内部元件功能正常,一般可在现场用较短的时间就能修复。
(8)无方向性密封:
如果需要改变承压方向,对于磁流体密封而言,无需增加任何元件就能实现。
三、磁流体密封原理
磁流体密封是利用在外加磁场作用下磁流体具有承受压力差的能力而实现的密封。
其基本原理如图示,磁性回路由永久磁铁、极靴和转轴组成。
放置在导磁性良好的转轴与极靴顶部之间的制作精良的磁流体在高性能的永久磁铁产生的磁场作用下高度集中,形成一个液体O型密封圈,当磁流体受到压力差作用时,磁流体在非均匀磁场中略微移动,产生了对抗压力差的磁力,从而达到新的平衡,进而将转轴与极靴间的缝隙堵死而达到密封的目的。
1、永久磁铁2、极靴3、旋转轴4、磁流体
磁流体密封中的转轴可以是磁性体,也可以是非磁性体。
前者的磁束集中于转轴与极靴间的缝隙处,通过转轴构成磁性回路;
后者的磁束并不通过转轴,而是通过缝隙中的磁流体构成磁性回路。
四、磁流体密封的研究现状
目前对磁流体密封的研究主要有3个方面
1.密封件和密封体系的设计与制作
密封体系的设计主要包括动态过程密封、隔绝密封、特殊机械密封和环境密封4个方面。
1)动态过程密封
动态过程密封是磁流体应用中最早开发的,应用于半导体加工、光学纤维、激光器、X射线装置、热处理设备、硅单晶多晶炉和航空电子设备等需要特殊密封的场合。
这种密封体系的密封性能好(可满足10-7Pa的真空度要求),几乎无泄漏(最少泄漏量小于10-12m3/Pa·
s),密封所产生的阻尼小(效率可达99%),使用寿命长(可长达10年之久,且更换磁流体后可继续使用)。
但这种密封体系用于高压密封、高速密封和高温密封时,需进行不同处理。
用于高压密封时,由于密封能力是靠各级密封(一般每级密封为20~80kPa)的压力和,而且当密封级数超过一定的级数(一般为70~80级)后,密封能力就不再提高。
若要进一步提高密封压力,一般要采用压力平衡或组合密封的方式来达到对较高压力的密封。
用于高速密封时,要考虑磁流体的离心力和运动中产生的热与温度,温度过高时需采用循环水冷却,受离心力的限制主要与磁流体的性能和磁场强度有关。
用于高温密封,是磁流体密封最薄弱的环节。
当温度超过永久磁铁和磁流体许可温度后,磁场强度急剧下降,磁流体的饱和磁化强度也急剧下降,从而使密封装置失去密封能力。
2)隔绝密封
隔绝密封是利用磁流体对关键元件进行保护的一种密封方式。
如在纺织工业中,磁流体隔绝密封用来保护电动机轴承免受纤维污染;
如采用磁流体密封保持磁盘驱动器的主轴和专用计算机磁盘空腔的环境清洁,且因磁流体良好的导热、导电性使硬盘驱动器的热量及时传出和防止产生电火花,提高其可靠性;
在机床业中,磁流体密封将含碎屑的切削液和轴衬润滑油隔绝,从而延长轴承寿命;
为了保护清洁机器人不受油污和微粒的污染,机器人所有的运动关节都采用磁流体密封来保证其清洁要求。
3)特殊机械密封
特殊机械密封是把磁流体密封应用于具有特殊目的的密封,压力范围一般在10-6~106Pa,如应用最多的真空密封、铰孔阀和压力聚集器、磁流体轴承、水陆二用坦克动力传递轴的密封等,具有密封可靠、结构简单、维修少、寿命长等特点。
4)环境密封
在化工厂、核电厂、冶炼厂等排放污染物,如挥发性物质和危险物品的排放,除了配件、阀门和接头外,主要是泵。
采用一级机械密封和一级磁流体密封,可使泄漏降到零。
普通的环境磁流体密封压力小于5×
10Pa,温度小于80℃,转速小于5000r/min,目前已经有使用超过8年无泄漏的报道。
当然所选的磁流体必须与环境气体相匹配。
2.磁流体密封的性能测试
磁流体密封的性能测试有极限耐压能力、泄漏、使用寿命、功率损失、极限真空度和溅射特性等项,其中前3个项目最为重要。
3.磁流体密封能力的理论数值计算
影响磁流体密封装置耐压能力的因素很多,要从理论上直接推导出耐压能力的计算公式相当困难,目前只有一些近似计算公式和数值计算方法。
五、磁流体密封技术的发展方向
磁流体密封技术的发展方向主要有:
1.进一步深入研究磁流体在密封中的作用机理,研究流体力学和动力学因素在振动、偏心、离心力与磁力竞争中的影响,以及在不同磁场、磁流体、极齿齿形和气氛(如气体、流体或尘埃)等条件下的优化设计。
2.推广磁流体密封在各种设备中的使用,用组合密封、压力平衡和某些特殊处理拓宽磁流体密封的应用范围(如线速度>
35m/s、温度>
80℃、压力>
2~10MPa),提高磁流体密封各项性能指标,加强研究机构和生产企业的合作,把各种不同种类和性能的磁流体密封推向实际应用。
3.以各种新材料、新工艺研制出新的具有优异性能的磁流体,研制新的磁流体密封装置,开拓新的研究领域,拓宽新的应用领域。
磁性流体高精度测量仪
1 低频水平加速度传感器
这种传感器主要用来测量频率较低的水平加速度。
它最初的设计目的是用来大范围的测量普通的运动及斜面的,第一个制造出来的精确原型是用来标定海洋与陆地比重计的。
在使用了长期稳定的磁流体,经过了几年的努力,又制作出了一个传感器用来检测水平加速度进而监测地震噪音。
这种传感器是一种用非磁性体作为惯性质量的加速度传感器,使用了磁流体中非磁性体的浮力原理,这样就提供了悬浮物、弹性常数和伺服补偿系统力。
这种方法对外界扰动磁场不敏感。
伺服系统也靠浮力原理来保证。
这种类型的加速度传感器灵敏度高,精度高。
图1低频水平加速度传感器
上图画出了这种传感器的结构[1],它是一个圆柱型轴对称结构。
惯性质量块是圆柱形的,是用铝做成的,静态弹性元件是一根细的铝杆。
惯性质量块被浸没在磁流体当中,这样我们就可以利用磁力悬浮和调整液体阻尼的办法来准确定位。
惯性质量块的位置可以由转在四周的四个四分之一圆柱形的电极板来检测,每个电极板包括一个有着高磁导率的铁磁材料的轴和一个电磁铁。
整个系统被密封在一个圆柱形的容器中,这个容器还起着磁屏蔽的代用。
它可以同时测出水平方向上两个轴上的加速度以及斜面倾角。
下图给出了此种传感器的感应情况。
图2低频加速度传感器的响应
2 三维小型加速度传感器
这种三维小型加速度传感器的边缘呈一个正方体,边长15毫米[2],包含三个装有磁流体的柱状物,三个柱状物组成一个三维坐标轴形状。
磁流体被套在柱状物外面的环形永磁铁约束着,并受柱状物端部的线圈控制。
永磁体和线圈均有六个,每个柱状物上两个。
图3三维加速度传感器
上图画出了这个三维小型加速度传感器的结构图。
这套系统已经在汽车、机器人及航天惯性制导应用中做过测试。
下图给出了此种传感器的响应情况。
图4三维加速度传感器的响应
3重力梯度计
这种重力梯度计是一种非常灵敏的设备,用来测量两个距有一定距离的两个地点的重力强度的差别。
这种梯度计可以广泛应用于地理探测中,甚至可以将其应用领域扩展到外空间。
这样一个重力梯度计的工作原理是这样的:
重力梯度产生微分力(differentialforces),这种力作用在两个质量系统上就会产生相对运动,这种重力梯度计正是通过测量这个相对运动从而测量重力梯度的。
下图是一个重力梯度计的模型的系统分解图。
两个十字交叉形的铝元件构成了四个质量块,即图中“2”所示部分,这些质量块被浸没在磁流体当中。
图中“4”所示的是两个永磁体,它们提供的磁场能够将那些质量块悬浮起来。
图中“5”所示的也是个磁铁,它的作用是将质量块限定在中心位置。
当受到由重力梯度产生的微分力的时候,两个铝元件之间会产生四个间隙,我们暂且把它们称作是微分距离(differentialdistances)。
图中“6”所示的是四个电极,这些电极就是用来测量所产生的微分距离的。
这四个电极中包含有四个线圈,这些线圈在图中没有画中。
这四个线圈所产生的磁场用来监控微分距离。
当使用高磁导率的复合磁流体作为绝缘媒体的时候,这个重力梯度计的性能会得到明显的提高。
所谓复合磁流体是指在一般磁流体的基础上加上微米级的非导磁性颗粒所形成的混合液体。
初步的实验表明,它的灵敏度可以达到10-9ms-2/m。
图5重力梯度计
4 水平传感器
这种水平传感器采用差动变压器原理[3]。
众所周知,差动变压器是由磁芯、骨架和绕组构成的。
以石英管或铝硅玻璃作为“骨架”,以磁流体作为“磁芯’,、在“骨架’,上分别绕上“激励”和“检测”绕组。
当传感器处于非水平位置时,磁流体向低处流动,相当于磁芯产生位移,检测绕组出现感应电动势。
因此,可以敏感水平位置。
图6 水平传感器的结构设计
如图6所示,以灯工法使三根直径为8mm熔融石英管或铝/硅玻璃管彼此成120°
角结合在一起,并分别缠绕激励绕组A1、A2和A3,以及检测绕组B1、B2和B3。
因为石英和锄硅玻璃的热胀系数甚小并且在溶剂长期浸泡下无离子放出,所以选用它。
管内充入高饱和磁化强度(>
450gauss)低粘度(<18Cp),比重约为1.30的铁氧体磁流体(以苯为溶剂)后密封。
激励信号为40mv、1KHZ的交变信号。
设在B1、B2、B3绕组上产生的电动势分别为V1、V2和V3,显然在水平位置时,
|V1|=|V2|=|V3|;
倘若偏离水平位置,则V1、V2和V3的值随着倾斜角改变。
如图7所示,设在xoy面内的倾角为θ并且逆时针方向为正,而圆锥体的锥角为γ。
显然,根据V1、V2和V3的变化能够检测出θ和γ的数值和方向,即可同时测量出一维和二维倾斜度。
图7 以θ和γ表示的倾角
这种磁流体水平传感器,它可以宽范围地测量水平度:
0°
≤θ≤360°
,0°
≤γ≤20°
。
仅测量V1和V2值,水平传感器不能完全敏感水平位置,其灵敏度时高时低。
倘若测量V1、V2和V3值就可精确地测量倾斜角,准确度可以高达1.5%F.S。
5 其它
磁流体还有一个重要性质就是它的磁光效应。
磁流体在外加磁场作用下,呈现出类似于单轴晶体的光学各向异性,当光沿平行于磁场的方向入射时,产生Faraday效应,当光沿垂直于磁场方向人射时,产生磁致双折射,或Corton-Monton效应,且这两种情况都伴有二向色性。
这些磁光效应可以用磁粒子的簇形成来解释。
近年来,有关磁光特性的研究正在不断地深人,如低温磁光特性研究、磁液晶合成场研究等;
另一方面,磁光特性的应用也表现出良好的前景,如磁场传感器、磁光调制器、光量阀等。
只是目前还没有发现有关这些应用的报道。
6参考文献
[1]廖平,李德才,崔海蓉,等.磁性液体加速度传感器初步研究[J].功能材料,2004,(35):
573-576.
[2]M.I.Piso.Applicationsofmagneticfluidsforinertialsensors.RomanianSpaceAgencyResearchCentre.
[3]周镭,李恒一,宋国庆,等.磁流体水平传感器的研究[J].黑龙江电子技术,1999,4,54-55.
磁性液体选矿技术
磁性液体分选矿物是30几年前发展起来的分选技术。
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