纳米磁性材料在磁粉检测中的应用研究

戚政武 杨宁祥 孔令昌 王磊

【摘 要】 本文介绍了不同行业对磁粉检测的规定、磁粉的性能要求、纳米磁性材料分类、纳米磁性材料的制备方法、纳米磁性材料在特种设备应用中的难点，为纳米磁性材料在特种设备检测中的应用提供了研究思路。

【关键词】 纳米 磁性材料 特种设备 应用研究

【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.08.006

磁粉检测是利用磁现象来检测材料和工件中缺陷的方法。国外早在18世纪就开始了利用磁现象开展检测的研究。我国在解放前研究磁粉检测较少，在解放后，北京航空材料研究院开始了磁粉检测的研究工作，并逐渐在国内推广和应用。磁粉检测的发展主要得力于检测设备的进步、检测材料的发明、检测工艺的创新、检测质量的控制等4个方面。磁粉检测设备从固定式、移动式到携带式，从半自动、全自动到专用设备，从单向磁化到多向磁化，设备已经实现了系列化和商品化。磁粉检测材料研究出了大量的创新产品，如白光下发荧光的荧光磁粉、无臭味煤油载液等。在检测工艺创新方面，发明了磁粉探伤-橡胶铸型法等。在检测质量控制方面，制定了相应的技术标准，对设备的检定、校准提出了严格要求，对检测条件、观察条件、记录、复验等提出了严格要求。在磁粉检测技术发展中，磁粉检测材料的研究一直是一个比较热门的课题，而纳米技术应用于磁性材料的制备过程的设备和方法在不断创新。

1 不同行业对磁粉检测的规定

在特种设备行业，国家能源部发布的标准NB/T 47013.4-2015《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》（原机械部标准JB/T 4730）规定：应用于特种设备检测的磁粉应具有高磁导率、低矫顽力和低剩磁性，非荧光磁粉应与被检工件表面颜色有较高的对比度。磁粉粒度和性能等其他要求应符合JB/T 6063的规定。

在船舶行业，国家工业和信息化部发布的标准CB/T 3958-2004《船舶钢焊缝磁粉检测、渗透检测工艺和质量分级》对船舶钢焊缝磁粉检测的检测人员、检测设备、工艺方法、检测报告和质量分析提出了要求，未对磁粉的性能提出更加严格的要求，因此，磁粉性能应至少符合国家标准GB/T 15822.2-2005《无损检测 磁粉检测 第2部分：检测介质》的要求。

在航空行业，MH/T 3008-2012《航空器无损检测 磁粉检测》规定对航空器使用的湿磁粉应符合AMS3041、AMS3042、AMS3043、AMS3044、AMS3045或AMS3046的要求。

以特种设备行业为例，JB/T 6063规定了磁粉检测用材料（磁悬液、干磁粉、载液、反差增强剂）的分类、技术要求和检验方法。其中，干磁粉的檢验项目包括了性能、颜色、尺寸、耐热性、荧光系数、荧光稳定性、载液的荧光、贮存稳定性等8个检验项目。除此之外，磁悬液、载液、反差增强剂等磁粉检测用材料的检验项目还包括了闪点、钢腐蚀性、铜腐蚀性、粘度、机械稳定性（短期检验和长期检验）、起泡、pH、硫及卤素含量等检验项目。

2 磁粉的性能要求

磁粉检测是靠磁粉聚集在漏磁场处形成磁痕来显示缺陷的，因此磁粉的性能一般应满足以下6个方面的性能要求：

（1）磁特性：磁粉应具有高磁导率、低矫顽力和低剩磁，即磁粉应容易磁化，退磁后不聚集。

（2）粒度：干法用磁粉平均粒度一般在10um～50um，湿法用磁粉平均粒度一般在5um～10um。磁粉一般由粗细不同的磁粉颗粒组成。

（3）形状：磁粉有各种不同的形状，有条形、球形、椭圆形和其他不规则形状。不同形状混合使用效果更好。

（4）流动性：随着交流电不断换向使磁场不断换向时，磁粉应能在工件表面流动，以便被漏磁场吸附形成磁痕显示。

（5）密度：磁粉的密度应在一定范围内，在湿法检验中，应能保证不沉淀，具有良好的悬浮性。

（6）识别度：磁粉的颜色、荧光亮度及工件表面颜色的对比度应能易于观察，特别是有包裹的磁粉，不能影响分辨率。

影响磁粉使用性能的以上6个方面，即相互关联、相互制约，又相互影响，需要综合考虑，最可靠的办法是通过综合性能（系统灵敏度）试验的结果来衡量磁粉的性能。因此，新的磁粉产品需要通过检测试验和比对来比较使用性能。

3 纳米磁性材料分类

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由它们作为基本单元构成的材料，包括纳米粉体（零维纳米材料，又称纳米粉末、纳米颗粒、纳米微粒、纳米粒子）、纳米纤维（一维纳米材料）、纳米薄膜（二维纳米材料）、纳米块体（三维纳米材料）、纳米复合材料和纳米结构等。

目前，已有的纳米磁性材料大致可分为三类：纳米颗粒、纳米微晶、纳米结构材料，其他的纳米磁性仍在研究过程中。

4 纳米磁性材料的制备方法

（1）磁性颗粒的制备方法

磁性微粒的制备方法主要有包埋法和单体聚合法，另外还有沉淀法、化学转化法等。磁性颗粒的制备是通过一种手段制造出一种固体颗粒，并使其具有磁性，能在磁化后被吸附。

（2）磁性流体的制备方法

磁性流体，简称磁流体，是一种学术称法，指的是吸附有表面活性剂的磁性微粒在基液中高度弥散分布而形成的稳定胶体体系。它由3部分组成：磁性粒子、基液（也叫载液）和表面活性剂（稳定剂）。磁流体的制备方法有物理法和化学法。物理法又可分为研磨法、热分解法、超声波法、机械合成法、等离子CVD法等；化学法又可分为气相沉积法、水热合成法、溶胶凝胶法、溶剂蒸发法、热分解法、微乳液法及化学沉降法等。各种方法各具优缺点，根据不同的需求选择不同的制备方法。

通俗地讲，磁性流体实际是一种稳定状态的磁悬液。人们日常使用的喷罐磁悬液就是用以上方法制备的磁性流体的一种。一般特种设备使用的黑色磁粉的磁性粒子为Fe3O4颗粒，载液为水（水基载液）或煤油（油基载液），表面活性剂（稳定剂）一般包括多种物质，例如亚硝酸钠、三乙醇胺等。

目前，现场使用的磁悬液有三种：

●利用干磁粉配制磁悬液：将磁粉和水基载液（或油基载液）按照一定的配比进行混合，加入一定量的润湿剂、防锈剂、消泡剂、稳定剂等，充分搅拌，形成磁悬液。

●磁膏水磁悬液：制造厂已经按照一定的比例混合了磁粉、润湿剂、防腐蚀剂等，生产为牙膏状的固定包装，现场直接与定量的水混合、搅拌，形成水磁悬液。

●磁悬液喷罐：制造厂家将配制浓度合格的水基载液（或油基载液）装进喷罐中，使用时摇匀喷罐直接使用。

5 纳米磁性材料在特种设备应用中的难点

（1）磁特性的影响

采用机械法制造的纳米Fe3O4颗粒，其磁导率、矫顽力、剩磁一般能够满足磁粉的性能要求，但采用化学法制造的纳米Fe3O4颗粒，其受到合成方法、合成元素、包裹的有机元素等影响，磁特性会有影响。因此，采用化学法生产的纳米Fe3O4磁性颗粒应测试其磁导率、矫顽力、剩磁能否达到性能要求。

（2）粒度的影响

纳米Fe3O4颗粒可以制造成纳米粉体（零维纳米材料）、纳米纖维（一维纳米材料）、纳米薄膜（二维纳米材料）、纳米块体（三维纳米材料）、纳米复合材料和纳米结构。但是考虑到磁粉粒度的影响，粒度细小的磁粉可以提高检测细小缺陷的灵敏度，但是纳米粒度的磁粉容易粘在有油污、潮湿、指纹和凹凸不平处形成过渡背景；且在空气中容易漂浮，对检测人员的身体有影响。因此，纳米磁性材料制完全由零维纳米材料组成不合适；考虑到二维纳米材料为平面结构，较难移动，完全由二维纳米材料组成也不适合。因此，纳米磁性材料一般为纳米纤维、纳米复合材料、纳米结构或者零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、三维纳米材料的混合体。

（3）密度的影响

磁粉的密度是指单位体积磁粉的质量。一般湿法用的黑磁粉密度约为4.5g/cm3，干法用的纯铁粉的密度约为8g/cm3，空心球形磁粉的密度为0.7g/cm3～2.3g/cm3。磁粉的密度过大难以被较弱的漏磁场吸附，且在湿法检验中易沉淀、悬浮性差。但是如要降低密度，增加粘结剂、包裹物或者是有机元素含量，必然会导致磁特性受到影响。因此，采用化学法制备的磁粉颗粒，要结合密度的影响和磁特性的影响综合分析。

（4）形状和流动性的影响

一般来说，条形磁粉容易被磁化形成磁极，较容易被漏磁场吸附，但是流动性没有球形磁粉好。为了有较好的流动性，一般选择球形和条形混合的磁粉。纳米磁粉是至少有一维为纳米的磁粉，纳米粉体流动性非常好，但是容易粘结、聚集、漂浮，纳米纤维、纳米薄膜的流动性不如纳米粉体好，但易磁化。因此，研究纳米磁性材料要分别测定粒度大小、形状分布、流动性大小，同时要综合考虑粒度、形状和流动性的影响。

6 展望

纳米磁性材料在特种设备领域的应用研究将逐步成为热点，对其制备方法、制备装置、物理和化学性能及应用领域的探索将会成果倍出。未来将会有适用于特种设备检测的纳米磁性材料出现，将不仅提高检出率，而且会大大降低磁粉制造的成本。

作者简介

戚政武，本科，院长，高级工程师，国家质检总局科技项目《基于膜技术的纳米磁性无损检测材料的制备及其性能研究》（项目编号：2015QK293）负责人，主持省部级科技项目两项、厅局级科技项目两项、团体标准1项、省地方标准2项。

杨宁祥，硕士，主任，高级工程师，国家质检总局科技项目《基于膜技术的纳米磁性无损检测材料的制备及其性能研究》（项目编号：2015QK293）主要参与人，主持省地方标准两项，主要参与科技项目和标准项目8项。

孔令昌，本科，主任，高级工程师，主持厅局级科技项目1项。

王磊，博士，主任，副教授，国家质检总局科技项目《基于膜技术的纳米磁性无损检测材料的制备及其性能研究》（项目编号：2015QK293）主要参与人，主持省部级科技项目一项，厅局级科技项目两项，主要参与科技项目和标准项目6项。