基于Monte Carlo方法的磁流体微观结构建模及光学特性分析

摘要

磁流体作为一种新型的功能材料，同时具有固体的磁性和液体的流动性双重特性，因此具备了很多特有的物理性质和表观现象。其中，磁流体的微观结构及其光学性质的研究正是当前热门的研究问题之一。本文即是运用Monte Carlo数值模拟方法来对磁流体的微观结构建模，并对其由于微观结构变化而引起的光学性质变化进行了分析研究。
　　本文在详细分析磁流体中的磁性粒子势能函数的基础上，运用Monte Carlo方法模拟了磁流体二维和三维微观聚集结构的形成过程。在无磁场情况下，磁流体中的磁性粒子会形成团簇结构;当外加磁场时，磁性粒子将会沿磁场方向形成链状结构，且在不同磁场强度(25Gs、50Gs、75Gs、100Gs)下，链状结构随磁场的增大而变长、变直，在不同浓度(1％、1.8％、3.6％)下，链状结构随浓度的增加而变长、变密。
　　在运用Monte Carlo方法建立的磁流体微观结构的基础上，本文建立了磁流体的光透射模型，并运用Monte Carlo方法模拟光线了在磁流体薄膜内的传递过程。通过分析光线传递过程中的影响因素（如:外加磁场强度、施加磁场方向、薄膜厚度、体积浓度等），统计磁流体薄膜的透射率、反射率、吸收率，得到了各影响因素对磁流体薄膜的光谱透射率以及1550nm处的光透射率的影响关系。在光入射方向与磁场施加方向平行时，不同磁场强度（0Gs、25Gs、50Gs、75Gs以及100Gs等）时，透射率会随着磁场强度的增加而增加;当光入射方向与磁场施加方向垂直时，光透射率随磁场强度的增加，会有先降低再升高的趋势。同时探讨了浓度（1％、1.8％、3.6％等）、不同厚度（5μm、10μm、15μm、20μm等）对磁流体透射率的影响是:浓度增大，透射率线性减小;厚度增大，透射率线性减小。
　　此外，在现有的实验条件下，通过搭建实验系统，浓度1.8％、薄膜厚度为10μm、磁场大小为0～200Gs，实验得到了磁流体薄膜在光入射方向与磁场方向平行与垂直的情况下的透射率随外加磁场强度变化的变化规律。并将实验结果与仿真结果对比，两者变化趋势相同，最大相对误差为8.79％、5.67％，验证了所建立磁流体的结构模型与透射模型的合理性和正确性。
　　通过本课题的研究，能够从微观层次了解磁流体结构的变化，并从本质上明确外界环境对磁流体光学性质的影响机理，对于今后磁流体与光纤技术相结合，实现在光学传感器（如光电磁传感器等）上的应用有着重要意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 磁流体微观结构的国内外研究现状

1．2．1 磁流体的发展与现状

1．2．2 磁流体微观结构的研究进展

1．3 磁流体光学性质的国内外研究现状

1．3．1 磁流体的折射率可控性

1．3．2 磁流体透射特性

1．4 本论文研究的目的、意义及内容

1．4．1 课题的目的、意义

1．4．2 主要研究内容

第2章 磁流体微观机构形成机理与Monte Carlo方法建模过程

2．1 磁流体微观机构形成机理

2．1．1 实验观察与分析

2．1．2 理论计算和证明

2．2 参数的无量纲化

2．3 Monte Carlo方法建模过程

2．4 关键问题

2．4．1 周期性边界

2．4．2 截断作用

2．4．3 粒子初始状态设置

2．5 本章小结

第3章 磁流体的微观结构模拟

3．1 粒子模型

3．2 二维微观结构模拟

3．2．1 无外加磁场时的磁流体二维微观结构

3．2．2 有外加磁场时磁流体二维微观结构

3．3 三维微观结构模拟

3．3．1 无外加磁场时的磁流体三维微观结构

3．3．2 有外加磁场时磁流体三维微观结构

3．3 本章小结

第4章 磁流体光学特性分析

4．1 米氏散射理论

4．2 基于Monte Carlo方法的磁流体光学透射特性模拟

4．2．1 基于Monte Carlo方法的光传递概率模型

4．2．2 物理模型

4．2．3 磁流体光学透射特性

4．3 本章小结

第5章 磁流体光学透射特性实验研究

5．1 实验原理

5．2 实验平台的设计与搭建

5．3 实验结果与分析

5．3．1 稳定性分析

5．3．2 误差分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 课题总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢