磁性液体磁致微结构演化和磁-流场粘滞研究

摘要

本文针对磁性液体应用中磁场对磁性液体调控技术问题，开展了两项主要研究:(Ⅰ)磁性液体颗粒的磁和非磁相互作用对结构形成和演化的影响;(Ⅱ)链状结构大小和磁-流耦合场中的取向对磁性液体粘滞的影响。
　　对于第(Ⅰ)个研究，开展了下面的工作。
　　对磁性液体进行了平衡态结构形成机制的研究。利用光学显微镜分别观测了均匀磁场中磁柱的形态和柱直径的分布，发现柱直径满足双正态分布。建立了双平均柱直径与磁场的数值关系计算模型。提出磁柱形成由两种方式主导:一个是柱的成长;一个是柱的侧向团聚。
　　通过纵向构造的梯度磁场中磁性液体薄膜光透射实验和光学显微观察，分析了梯度磁场对称中心区域光透射弛豫行为与微观结构演化的对应关系。在低梯度磁场下，透射光将先后经历两类弛豫过程。第Ⅰ类弛豫为链/柱的形成，第Ⅱ类弛豫为链/柱的运动。发现低梯度磁场对链/柱的形成动力学没有影响，而强的向心梯度磁场产生的磁泳和磁分离效应引发了局域柱形成动力学的改变，影响了柱体系的最终状态。
　　建立磁性液体微观结构退磁场模型，揭示了微观结构的离解动力学。模型描述的微结构变化阶段与实际情况较为符合。
　　重构了磁柱的磁相互作用（包含了磁柱的柔性吸引成分），建立全新模型进行了准三维柱体系的动力学模拟。通过得到的模拟结果分析揭示了:磁柱体系六角结构形成的条件;梯度磁场的会聚对磁柱侧向团聚有限增进作用;向心梯度磁场下的规模效应。
　　为了做对比研究，制备了8种磁性液体。相应地对它们进行了表征，获得了各种磁性液体的粒径分布、饱和磁化强度、磁偶极耦合常数等重要参数。对不同磁性液体样品进行透射光弛豫实验并对结果进行了比较分析，得到多因素对链/柱结构的影响:磁偶极相互作用常数对磁性液体链/柱微观结构形成的决定性作用;外磁场和体积分数与链/柱结构的形成强度和速度正相关;颗粒平均直径及其分散性对链/柱形成和运动的影响;颗粒的表面作用对链/柱的二次侧向团聚起到决定性作用;颗粒的饱和磁化强度对链/柱的平动和它的几何敏感参量影响。
　　对于第(Ⅱ)个研究，采用链状结构等效于椭球结构作为结构单元的思路，认为磁性液体磁粘主要来自于结构单元在基液中的旋转。考虑布朗力矩、磁力矩和流体动力学力矩，建立取向微分方程。使用Galerkin法，研究无相互作用颗粒体系的恒场磁化弛豫，评价了Shliomis唯像磁化弛豫。使用Sánchez布朗转动动力学模拟方法，计算获得取向。将结果代入包含对称和反对称部分的应力张量，得到固有粘度。根据结果分析了磁粘-切和磁粘-温效应，得出:(ⅰ)链状结构的增长是磁性液体磁致粘度成倍增加的主要原因，平均2、4和8颗粒链体系的固有粘度分别在100、101和102量级;(ⅱ)剪切流对链状结构的大小有限制作用，估计剪切速率在102～103s-1量级能起到限制链长作用;(ⅲ)粘度的数量级由基液决定;(ⅳ)温度降低有助于链长的增加，从而促成粘度成倍增加;(ⅴ)在链结构不变的情况下，温度降低有助于固有粘度的下降。230K时，平均2、4和8颗粒链体系的固有粘滞在102量级以下。
　　本文的研究对磁性液体应用的定量和拓展有着重要意义。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 磁性液体的介绍

1．2 磁性液体微结构研究现状

1．2．1 磁性液体零磁场结构研究

1．2．2 场致微观结构形成和演化

1．2．3 流场和磁场耦合作用

1．3 主要存在的问题和拟解决的问题

2 磁性液体样品制备及表征

2．1 磁性液体制备

2．1．1 磁性纳米颗粒的合成

2．1．2 水基离子型磁性液体的制备

2．1．3 水基表面活性剂型磁性液体的制备

2．1．4 煤油基磁性液体的制备

2．2 表征与物理性能参数

2．2．1 粒径分布

2．2．2 体积分数

2．2．3 磁性

2．3 本章小结

3 磁性液体平衡态微观结构

3．1 实验

3．1．1 光学显微镜观察

3．1．2 柱直径的统计

3．2 分析

3．2．1 柱直径分布

3．2．2 柱直径计算

3．3 平衡态结构形成机制

3．4 本章小结

4 磁性液体微观结构形成和演化

4．1 磁性液体磁光弛豫介绍

4．2 磁性液体的光透射理论

4．2．1 单个链的光吸收

4．2．2 单个链／柱的光散射

4．3 实验装置

4．3．1 光透射装置

4．3．2 磁场梯度的测量

4．3．3 显微镜观察

4．4 梯度磁场中光透射弛豫与结构演化

4．4．1 实验结果

4．4．2 光透射弛豫分析

4．5 退磁场后光透射及微观结构演化

4．5．1 实验结果

4．5．2 模型建立

4．5．3 模型分析

4．5．4 退磁场弛豫结论

4．6 低梯度磁场下微观结构一般性规律总结

4．7 梯度磁场下磁柱行为模拟

4．7．1 模型的建立

4．7．2 模拟参数设置

4．7．3 模拟结果和分析

4．7．4 模拟结论

4．8 光透射弛豫多因素影响

4．8．1 实验及其结果

4．8．2 多因素影响分析

4．8．3 多因素分析结论

4．9 本章小结

5 取向动力学与磁粘特性

5．1 磁性液体流变性研究模型

5．2 数值计算法简介

5．3 磁性液体NI模型的动力学与恒场磁化弛豫

5．3．1 NI模型颗粒取向动力学理论

5．3．2 取向与磁化

5．3．3 恒场磁化弛豫结论

5．4 磁粘效应数值模拟

5．4．1 取向模拟方法

5．4．2 顺磁模拟

5．4．3 近Shliomis磁粘效应

5．4．4 磁粘-切和磁粘-温效应

5．4．5 磁粘数值模拟结论

5．5 本章小结

6 总结与展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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