磁流体制备及性质研究

刘晓龙，韦宗慧，冯 超，段以恒，王中平，张增明

（中国科学技术大学物理学院，安徽合肥230026）

磁流体制备及性质研究

刘晓龙，韦宗慧，冯 超，段以恒，王中平，张增明

（中国科学技术大学物理学院，安徽合肥230026）

采用化学共沉淀法制备了纳米Fe3O4磁性颗粒，将其均匀分散在载液中获得磁流体.给出了表征所制备样品的宏观和微观特性图谱，探究了样品的磁热效应、法拉第效应和克尔效应，并制作了磁流体薄膜显示器.通过对磁流体样品的分析，获得其最佳的油酸钠包裹量为0.0216g／mL，样品颗粒小，稳定性高，磁热效应明显.研究发现磁流体薄膜的透射率随磁场变化明显，测量费尔德系数时必须考虑透射率的影响.磁流体样品存在异常克尔信号.

磁流体；磁热效应；法拉第效应；克尔效应；磁流体显示

1 引 言

磁流体是指磁性纳米颗粒在表面活性剂进行包覆或改性后，高度均匀分散到载液中，形成稳定、功能化的胶体溶液，又称铁磁流体.磁流体是一种新型的液态功能材料，它兼有固体材料的磁性和液体材料的流动性，以及光、热、磁等方面的特殊性质，所以具有较高的开发价值.应用领域已涉及到航空航天、机械、电子、能源、化工、冶金、医疗等，并在不断扩展.

在目前的磁流体制备技术中，存在着磁性纳米颗粒的磁性、表面活性剂的用量、磁流体本身的稳定性及制备时的环境控制等问题，这些问题影响磁流体的制备和应用，使得大规模工业化生产的成本较高，技术比较复杂［1］.

本文通过简单实用的方法制备了纳米Fe3O4磁性颗粒，并均匀分散在载液中获得磁流体.对磁流体的物理性质进行了测试、分析，并设计制作了磁流体薄膜显示器.鉴于磁流体制备过程简单，物理现象明显，磁流体相关实验可引入大学物理实验教学及课堂演示，有利于学生在磁场、磁光现象等方面的直观了解.

2 磁流体的制备

方法：化学共沉淀法.

试剂：氯化亚铁（FeCl2·4H2O），氯化铁（FeCl3·6H2O），氨水（25%），水合油酸钠.

反应式为：

制备过程［2－4］：分别溶解15.00g FeCl3· 6H2O、10.95g FeCl2·4H2O于150mL去离子水中，制成溶液，再先后将氯化亚铁溶液、氯化铁溶液加入到55℃的去离子水中；在45℃的水浴加热条件下，以9mL／min滴入氨水，共150mL，并高速搅拌反应溶液30min.反应完成后可以用磁铁沉降，除去上层清液后多次用15mL氨水和285mL去离子水洗涤，直至pH值约为9～10.为了探究表面活性剂的最佳用量，将液体浓缩到100mL，并均分成5份.将7g水合油酸钠配成85mL溶液分成5份，每份分别含溶质0.8，1.1，1.4，1.7，2.0g.将油酸钠溶液分别加入洗涤后溶液中，45℃下超声1h，在90℃下磁力搅拌30min，制得磁流体样品.

3 样品分析与实验测量

3.1 宏观表征

分别用FeCl2和FeSO4提供二价铁离子，按同样的步骤进行了2次实验，制备出的样品宏观上表现为黑色、不透明液体.所得的样品在磁场下呈现出不同的形态.

用FeCl2所制得的样品呈现出黏度小，乌黑发亮，Fe3O4颗粒较小，而且均匀分散于载液中［图1（a）］；用FeSO4所制得的样品黏度较大，粒子没有充分地分布于载液中，颗粒也较大，但是容易形成凸起的尖刺状，这种形状实际上立体地反映出了磁感线的分布［图1（b）］.凸起的形成和重力、表面张力、磁场均有关.

图1 制备的磁流体

3.2 TEM表征

图2是不同油酸钠浓度的4组样品的TEM图.Fe3O4粒子有磁性，若包覆得不好，团聚现象将比较严重，从图中看出，0.021 6g／mL油酸钠用量的分散性最好，其他组均团聚严重.颗粒直径在8～21nm范围内.

图2 不同油酸钠浓度的4组样品的TEM图

图2（d）中的插图是图中局部放大图，箭头所指的颜色较淡的一层即为油酸钠的包覆层.油酸钠是一种表面活性剂，可以在磁性纳米颗粒表面形成包覆层，使纳米颗粒间的势能出现较大的势垒，削弱团聚现象.

3.3 XRD表征

从样品的X射线衍射谱图（图3）可知，其峰位与Fe3O4的标准谱图一致，说明磁流体样品的成分确实是Fe3O4.

图3 磁流体样品的XRD谱图

3.4 磁热效应

磁流体是不透明的液体，光很难透过，所以进行光学性质的研究时需要将样品制备成薄膜的形式.采用制作液晶盒的方法，先在载玻片表面均匀地撒间隔子，然后用紫外线胶将其中的两边密封，用虹吸现象将磁流体注入，再封另外两边.

由于Fe3O4热导率比较大，纳米颗粒可以被激光迅速加热，内部形成温度梯度分布，导致颗粒在径向上呈现浓度梯度，折射率也就不均匀，出现热透镜效应——磁热效应，于是在光屏上会出现干涉环.随着时间的增加，光环半径增大并趋于饱和.实验光路图如图4所示，随时间增加的干涉环的图像如图5所示.

图4 实验光路图

图5 干涉环随时间变化

3.5 法拉第旋光效应

根据旋光的相关理论，旋光角度为其中：V为费尔德系数，L为沿光线方向介质的厚度，B为外磁场的大小.在一些研究工作中忽略了透射率对费尔德系数的影响［5］，所以此处设计实验探究透射率对测量费尔德系数的影响.

实验中采用光纤耦合的高稳定红外光源（线偏光）与光功率计，使用双折射晶体作为检偏器，利用2个电磁铁产生磁场.实验光路见图6.

图6 法拉第旋光实验光路

实验中，首先不使用双折射晶体检偏，改变磁场的大小，测量出透射光功率随磁感应强度变化的关系（图7），测量中，连续改变电磁铁电流大小，先增加，再减小.由于磁流体本身存在少许磁滞，导致透射率的变化曲线也存在类似磁滞的现象.然后再使用双折射晶体，同样改变磁场大小，测量出光功率计的读数与磁场大小的关系.此时的透射光功率不仅包含透射率变化的信息，还包括了法拉第旋光的信息.

图7 无检偏晶体时透射光功率与磁感应强度的关系

无检偏晶体时，透过率随磁感应强度增加曲线拟合为

因为经过归一化，F（B）即是透射率.由（2）式可以看出，磁流体薄膜透射率随磁场近似按指数衰减，其原因是在磁场下磁流体出现相分离，Fe3O4纳米颗粒形成磁链，使液相部分在表层减少，透射率下降［6］.

加上检偏晶体，同样测量透射光的功率和磁感应强度的关系.加上检偏晶体后，透射光的功率和不加检偏晶体的功率关系为

所以，同样经拟合得到：

图8比较了（2）式与（4）式.由图可以看出相对于旋光，透射率的变化影响很大，所以在测量费尔德系数时，需要考虑透射率的影响.

图8 2种条件下透过率与磁感应强度的关系

3.6 磁光克尔效应

由于磁流体纳米颗粒有磁性，所以可以通过磁光克尔效应测量其相关性质.

实验使用磁光克尔效应测量专用平台，实验光路图如图9所示.

图9 磁光克尔效应实验光路图

这里使用的样品为涂覆在载玻片上烘干的磁流体样品，而没有使用液晶盒方法制作薄膜，因为经实验，覆盖在磁流体样品表面的玻璃会反射一部分光，影响较大.选取激光入射点1，在不同磁场下测出的克尔信号曲线如图10所示.

图10 入射点1的克尔信号

选取入射点2，在不同磁场下测出的曲线如图11所示.

图11 入射点2的克尔信号

对于入射点1，克尔信号和正常的磁滞回线相同，并且随着磁场的幅值变大（20～250mT），逐渐饱和.饱和时的外磁场值为：1.708×104A／m，－1.745×104A／m.从磁滞回线形状可见，磁滞很小，这是由于磁流体的纳米颗粒在20nm以下，倾向于超顺磁性，磁滞理论上将消失.

对于入射点2，克尔信号与磁滞回线形状有很大差别，是一种异常的磁光克尔效应.文献［7］报道有很多原因会引起异常磁光克尔效应，比如来源于多层磁性膜之间的叠加，特别是当2层膜的克尔转角相反时.由于异常磁光克尔效应只出现在样品的某个位置，并且所使用的样品为烘干后涂覆在载玻片上的磁流体，覆盖不均匀，所以推测是样品表面反射光与载波片反射光相干叠加的结果.

3.7 磁流体薄膜显示器

磁流体的透射率随磁感应强度的增大而减小，所以可以通过磁场来控制薄膜局部透射率，以做显示器.

显示效果的关键在于以下几点：

1）制备厚度合适的磁流体薄膜；

2）可控的局域磁场；

3）较好的对比度；

4）很弱的磁滞.

用单片机控制电磁铁阵列，用三极管放大电流信号控制继电器的通断来控制电磁铁，进而实现显示器的作用.显示效果如图12所示.

图12 磁流体薄膜显示效果

经实验，磁流体薄膜的磁滞很小，在动态显示时响应较快，基本符合动态与静态显示的要求，只是薄膜的制备略为粗糙，导致薄膜不均匀，甚至有气泡.但经工艺改进，完全可以改善.

4 结束语

通过对制备出磁流体样品的分析，获得其最佳的油酸钠包裹量为0.021 6g／mL.样品颗粒小，稳定性高，磁热效应明显.研究发现磁流体薄膜的透射率随磁场变化明显，测量费尔德系数时必须考虑透射率的影响.此外，发现了磁流体样品存在异常克尔信号.设计制作了磁流体薄膜显示器，显示的效果明显.此实验的实验效果直观明显，涵盖了多学科的知识，对创新思维、动手能力及数据处理能力均有所锻炼，适合作为教学实验及课堂演示.

［1］ 翁兴园.磁流体技术及应用的发展现状与未来［J］.磁性材料及器件，1998，29（6）：35－39.

［2］ Bocanegra－Diaz A，Mohallem N D S，Sinisterra R D.Preparation of a ferrofluid using cyclodextrin and magnetite［J］.J.Braz.Chem.Soc.，2003，14（6）：936－941.

［3］ 耿全荣，蒋荣立.Fe3O4水基磁流体的制备与研究［J］.实验科学与技术，2006（4）：11－14.

［4］ 苑星海，林穗云，张小弟，等.水基Fe3O4磁流体的制备工艺研究［J］.广东化工，2007，34（7）：37－39.

［5］ 王士彬，杜林，孙才新，等.纵向磁场下铁磁流体磁致旋光效应的互易性［J］.高电压技术，2010，36（8）：2028－2034.

［6］ 林明辉，杜林，王士彬，等.水基Fe3O4磁流体动态法拉第磁光特性的研究［J］.高电压技术，2008，34（8）：1687－1691.

［7］ 赵遵成.界面掺杂对磁电阻的影响及Co／NiO／Cu／Co结构中的异常磁光克尔效应研究［D］.上海：上海交通大学，2006.

Study on preparation and properties of magnetic fluid

LIU Xiao－long，WEI Zong－hui，FENG Chao，DUAN Yi－heng，
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，Faraday 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

［责任编辑：任德香］

“第7届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文

2012－05－29；修改日期：2012－07－06

国家自然科学基金理科物理学基地（2011）；中国科学技术大学教学项目（2011）

刘晓龙（1990－），男，辽宁大连人，中国科学技术大学物理学院2009级本科生.

张增明（1966－），男，安徽舒城人，中国科学技术大学物理学院副教授，博士，从事表面物理和高压物理研究.