磁流体及其应用

1 前言

磁流体，又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型特殊的功能材料，在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，表现出磁性。

磁流体由纳米磁性颗粒、基液和表面活性剂组成。它是把纳米数量级（10纳米以下）（用过滤方法把粗颗粒去掉）的磁性固体颗粒包裹一层长链的表面活性剂，均匀地分散在基液（也叫媒体）中形成的一种均匀稳定的胶体溶液。一般常用Fe3O4、Fe2O3、Ni、Co等作为磁性颗粒，以水、有机溶剂(NaOH)、油等作为基液，以油酸（油酸钠溶液）等作为活性剂防止团聚，即可生成黑色的、分散质粒子的直径在5.5~36nm的磁流体。由于磁性颗粒很小，表面又有活性剂，故磁流体中每一颗粒都是分离的，而且能抵抗颗粒间的相互吸引力不使它们凝聚。它们在热布朗运动下，能稳定地悬浮在载体中，在正常情况下，它是稳定的，这表示，它在极强的磁场下，它内部的颗粒也不凝聚，也不会沉淀。

由于磁流体具有液体的流动性和固体磁性材料的磁性，使得磁流体呈现出许多特殊的磁、光、电现象，如法拉第效应、双折射效应和线二向色性等。这些性质在光调制、光开关、光隔离器和传感器等领域有着重要的应用前景。

2 发展历程

1832年法拉第首次提出有关磁流体力学问题。他根据海水切割地球磁场产生电动势的想法，测量泰晤士河两岸间的电位差，希望测出流速，但因河水电阻大、地球磁场弱和测量技术差，未达到目的。1937年哈特曼根据法拉第的想法，对水银在磁场中的流动进行了定量实验，并成功地提出粘性不可压缩磁流体力学流动（即哈特曼流动）的理论计算方法。1940~1948年阿尔文提出带电单粒子在磁场中运动轨道的“引导中心”理论、磁冻结定理、磁流体动力学波（即阿尔文波）和太阳黑子理论，1949年他在《宇宙动力学》一书中集中讨论了他的主要工作，推动了磁流体力学的发展。1950年伦德奎斯特首次探讨了利用磁场来保存等离子体的所谓磁约束问题，即磁流体静力学问题。受控热核反应中的磁约束，就是利用这个原理来约束温度高达一亿度量级的等离子体。1951年，伦德奎斯特给出一个稳定性判据，这个课题的研究至今仍很活跃。

美国是世界上研究磁流体发电最早的国家，1959年，美国就研制成功了11.5千瓦磁流体发电的试验装置。60年代中期以后，美国将它应用在军事上，建成了作为激光武器脉冲电源和风洞试验电源用的磁流体发电装置。

日本和前苏联都把磁流体发电列入国家重点能源攻关项目，并取得了引人注目的成果。前苏联已将磁流体发电用在地震预报和地质勘探等方面。前苏联在1971年建造了一座磁流体——蒸汽联合循环试验电站，装机容量为7.5万千瓦，其中磁流体电机容量为2.5万千瓦。1986年，前苏联开始兴建世界上第一座50万千瓦的磁流体和蒸汽联合电站，这座电站使用的燃料是天然气，它既可供电，又能供热，与一般的火力发电站相比，它可节省燃料20％。