磁流體（Magnetic   liquid）它是一種新型功能材料，主要由磁性顆粒組成、基液和表面活性劑。與普通溶液不同，磁流體是納米磁性固體顆粒在特定表面活性劑的作用下均勻分散在基液中并與基液混合形成的固液混合膠體溶液。磁流體在磁場、在重力場和電場的作用下，能長時間保持穩定狀態，不沉淀，不分離，不滯后、表現出超順磁性。

磁流體”這個概念很早就提出來了1778年，英國學者戈萬·奈特（地址Gowan Kinght）準備磁流體的嘗試不成功。1832年，英國物理學家邁克爾·法拉第（Michael   Faraday）提出了現代磁流體的概念和問題，推動了磁流體研究的發展。20世紀30年代，磁流體的研究取得了長期持續的發展，產生了許多新的理論和技術方法。20世紀60年代，科學家開始研究現代廣泛使用的磁流體的制備和應用。自20世紀70年代以來，磁流體已逐漸轉入民用并取得了不斷的發展。此后，磁流體的理論研究、制備技術和前沿應用取得突破和發展。

磁流體可以有多種分類方式，其中磁性顆粒的磁性直接決定了磁流體的磁性能，根據其性質的不同，磁流體可以分為鐵氧體磁流體、金屬磁流體、鐵磁氮化物流體和摻雜磁性流體。制備磁流體的方法有多種，如制備鐵氧體磁流體的化學共沉淀法；真空蒸發制備金屬磁流體；等離子體CVD法用于制備氮化鐵磁流體等。磁流體既有固體物質的磁性，又有液體物質的流動性，還有光、熱、磁性和其他特殊性能，其應用已涉及密封、研磨、傳感器、潤滑、阻尼減振、礦物篩選、油水分離、藥品定位及治療、固定化酶、揚聲器設備等方向。

穩定性

磁流體是磁性納米粒子與基液混合得到的固液膠體溶液，其穩定性主要包括膠體（懸浮液）穩定性、成分穩定性和界面穩定性：膠體穩定性是指在磁性流體中，微小顆粒可以通過布朗運動保持分散狀態，避免因重力而沉淀而較大顆粒的體積與勢能成正比，容易發生沉淀因此，在制備磁流體時，通常需要加入表面活性劑，通過它們的振蕩來防止顆粒之間的聚集；組合物的穩定性是指基液的蒸發為了保持磁流體結構的穩定性，必須減少基液的蒸發以防止流體成分的不穩定性；前兩者主要是磁流體內部結構的穩定性，而界面穩定性包括磁流體與其他液體接觸時可能發生的兩種液相的混合問題，是指磁流體界面在混合發生時保持穩定的能力。

磁化特性

磁流體的磁化特性是在外磁場的影響下，隨著外磁場的增大，磁流體的磁化強度逐漸趨于飽和；但隨著外磁場的減弱，磁流體的磁化強度會逐漸降低，不存在磁滯現象外磁場對磁流體中磁性納米粒子的作用力主要是體積力。

磁流體的磁化特性表現在很多方面。通常磁流體中固體磁性顆粒的尺寸在10納米左右，均在單磁疇結構的尺寸范圍內，處于飽和磁化狀態而當沒有外加磁場時，粒子的磁矩方向由于熱運動而無序，整個磁流體對外界沒有磁性。然而，一旦受到外部磁場的影響，磁性顆粒的磁矩就會迅速轉向外部磁場的方向，這使得磁流體表現出一定的宏觀磁化。

磁流體的磁化特性在于其磁化的動態平衡狀態。隨著外加磁場的增強，磁性粒子的磁矩取向趨于一致，這使得整個磁流體的磁化強度接近飽和然而，由于熱運動的影響，磁性顆粒的磁矩取向很難與施加的磁場方向完全一致，因此即使在強施加磁場下，磁性流體的磁化也很難達到完全飽和。當去除外磁場時，磁性顆粒的磁矩恢復到混沌狀態，導致宏觀磁性幾乎消失，沒有磁滯現象，這使得磁流體在磁化和退磁過程中表現出超順磁性。

磁熱效應

溫度特性：磁流體的溫度特性是其磁化強度隨溫度成反比變化。當溫度逐漸升高到一定溫度，即所謂的居里點時，磁流體的磁性逐漸減弱并最終消失；隨著溫度的逐漸降低，磁流體的磁性逐漸恢復到原始狀態。

磁熱特性：磁流體還表現出磁熱特性，即當外界磁場發生變化時，磁流體的溫度也發生變化。當磁場強度增加時，磁流體被加熱，但當它離開磁場區域時，磁流體將逐漸冷卻。

熱磁對流：當磁流體置于溫度場和磁場下時，由于溫度的差異，磁流體的磁化強度不同，因此力是不平衡的在低溫下，磁流體的磁化效果更明顯，磁場的作用力也更大因此，磁性流體在磁場力和流體浮力的共同作用下流動，形成熱磁對流現象，其作用遠大于自然對流。

粘度特性

在沒有外部磁場的情況下，磁性流體表現為普通流體（牛頓流體）由于磁性顆粒的存在，磁流體的粘度遠大于基液的粘度，并且隨著磁性顆粒體積分數和尺寸的增大而增大。當基液不變時，磁流體的粘度隨著外磁場強度的增加而增加，最終達到最大值并趨于穩定；當濃度一定時，磁流體的粘度主要受溫度影響，隨著溫度的升高而降低。

流變性

在磁場的作用下，磁性液體具有良好的流變性。例如，在外部磁場的作用下，磁流體液滴沿著磁場方向拉伸，磁流體表面沿著磁場方向產生針狀表面；在均勻橫向磁場中，磁性液體以無序流動結構運動；在旋轉磁場中，磁性液體會出現渦流等現象，磁流體的流變性可控，使用過程中穩定可靠。此外，磁流體中的固體顆粒處于高度精細分散狀態，沒有明顯的結構懸浮特征，即在初始流動時沒有明顯的屈服應力，剪切變形的可恢復成分較低。

表面特性

表面變形：一定體積的磁流體的平衡形狀是由磁力決定的、由重力和毛細力之間的平衡決定。當對磁性流體施加均勻的外部磁場時，當磁場強度增加時，磁性流體的界面形狀將發生變化，其體積傾向于在磁場方向上拉伸，磁性流體液滴將從最初的圓形變為橢圓形，再從橢圓形變為厚條狀，從而導致表面變形。

法向不穩定：當磁場強度緩慢增加，磁性流體的磁化強度達到臨界值時，磁性流體的表面將不再光滑，而是會出現波峰和波谷，這與磁場的強度和分布有關。當垂直于紙張表面的薄磁流體層在法線方向上施加強外部磁場時，水平面變得不穩定，并且沿著液體層形成周期性的梳狀表面，這增加了磁場強度和齒的長度。

蒸發特性

磁流體的壽命主要取決于基液和表面分散劑的蒸發速率和飽和蒸汽壓。為了獲得長壽命的磁流體，必須選擇低蒸發率、低蒸汽壓的基液和表面分散劑，如聚苯醚基磁流體，蒸發率低，使用壽命長。蒸發率或飽和蒸氣壓通常用來表示磁流體的蒸發率。壓力不變，溫度高時，蒸發量大；在相同溫度下，飽和蒸汽壓高的磁流體蒸發量大。

磁浮效應

磁流體中的磁懸浮效應是指在梯度磁場中，磁流體中的浸沒物體除了像普通液體一樣受到磁流體的浮力作用外，還受到磁流體在磁場作用下產生的磁懸浮力。其原理是磁流體的表觀密度會隨著外磁場的變化而變化，因此可以通過施加不同的外磁場來懸浮不同密度的物質。

聲學特性

通常磁流體的粘度比較大，當聲波在其中傳播時，會迅速衰減，即磁流體具有特殊的聲學性質。磁流體的聲學特性在受到微觀結構和外部環境因素的影響時會發生變化，因此可以使用聲學方法來測量磁流體的性能。此外，磁流體的聲學特性是在電磁能量中-聲能轉換器和超聲波裂紋檢測也有一定的應用。在自然狀態下，磁性流體具有各向同性的聲學性質，但當其受到外部磁場作用時，其聲學性質與外部磁場的方向密切相關無論是聲波在磁流體中的傳播速度還是衰減系數，都明顯不同于沿外磁場方向的其他方向，即此時磁流體的聲學性質是各向異性的。除此之外，溫度、基液粘度、固體磁性顆粒的濃度也會影響聲波在磁流體中的傳播。

光學特性

磁流體是一種特殊的功能材料，具有液體流動性和磁性物質的特性，因此表現出獨特的光學特性。正常情況下，磁流體在沒有外部磁場時是不透明的，但當其厚度低于200微米時，光可以通過。當沒有外磁場時，磁流體中的磁性粒子均勻分布，表現出各向同性的光學性質。然而，在外磁場的作用下，由于磁流體的團簇現象，其光學性質表現出各向異性，包括熱鏡效應、二色性和磁光效應等。磁流體的磁光效應是指光在外磁場作用下通過磁流體薄膜時受到的影響，包括雙折射效應、旋光效應、磁分離效應和光傳輸特性等。

磁流體是由磁性粒子組成的（固相）基液（液相，也叫載液、基載液）和表面活性劑（液相）超穩定膠體溶液由三部分組成，它們之間的關系如下圖所示。通過使用表面活性劑，固體磁性顆粒可以均勻地分散在基液中，從而形成膠體分散體系，即磁流體，其性質由這三種組分決定。因為不同的磁性流體對應于磁性粒子、不同的基液和表面活性劑有不同的制備工藝，所以磁流體種類繁多，制備方法也不同。

磁性微粒

磁流體中的磁性顆粒也稱為分散相，具有鐵磁性，其尺寸約為10納米。磁流體的磁性來自這些鐵磁性顆粒，它們的特性和含量在很大程度上決定了磁流體的磁性。固體磁性顆粒在基液中進行布朗運動，因此這些顆粒可以抵消重力的影響，從而懸浮在基液中一般來說，每升磁流體中有超過1020個固體磁性顆粒。用于制備磁流體磁性顆粒的元素和材料通常包括赤鐵礦（γ-Fe2O3）MeFe2O4（Me=Co、Mn、Ni等）鐵磁礦石 （Fe3O4）Ni、Co、Fe、Fe-Co、Ni-Fe合金等材料。這些材料的飽和磁化強度按此順序增加，而相應磁性流體的穩定性降低。

基液

基液在磁流體中稱為分散介質，使磁流體具有液態物質的流動性。通常，基液占磁流體的70%以上，不容易蒸發、粘度低、穩定性高等特性。磁流體的性質主要取決于基液，所以在選擇磁流體時要充分考慮基液的性質。基液有很多種，包括極性和非極性，也可分為有機基、水基和金屬基。通常根據磁流體的用途選擇基液，可以選擇無機溶劑（水）碳氫化合物（合成劑、石油、脂合成劑等）有機溶劑（二甲苯、甲苯、庚烷等），也可以選擇聚苯醚、聚二醇、氟聚醚、芳香烴等。

表面活性劑

表面活性劑也稱為穩定劑或分散劑，用于包覆單個磁性顆粒以使它們彼此分離，從而使它們均勻分散和懸浮在基礎溶液中，吸附在固體磁性顆粒表面的表面活性劑形成一層“彈性層”以避免顆粒的相互聚集并確保磁流體的穩定性。

表面活性劑的分子是長鏈結構，一端親水，另一端疏水。親水端是極性官能團，與基礎溶液相容；疏水端為非極性烴鏈，與基液不相容，但能吸附固體磁性顆粒它能適應基液的某些性質和某些磁性粒子的界面要求。在磁流體中，表面活性劑的存在使固體磁性顆粒因布朗運動而無法碰撞和沉降，成為穩定的膠體溶液，其穩定性通常由表面活性劑的類型及其在磁流體中的含量決定。

為確保在磁場、在磁場梯度或重力場下保持穩定，通常要求磁流體中納米磁性顆粒的粒徑小于10 nm。因為納米顆粒的粒徑、表面活性劑和穩定性有嚴格的要求，因此磁流體的制備技術尤為關鍵。有許多方法來制備磁性流體，包括機械球磨、熱分解法、共沉淀法、氧化沉淀法、蒸發冷凝法、膠溶法、水溶液吸附-有機相分散法、電解法、真空蒸鍍法、等離子體法、氣相液相反應法等。雖然制備方法很多，但根據磁流體中所含納米磁性顆粒的類型，主要可分為鐵氧體體系、金屬系、氮化鐵系三類。

鐵氧體磁流體的制備

鐵氧體磁流體的磁性顆粒選用Fe3O4、γ-Fe2O3、CoFe2O4等，其常見的制備方法是機械粉碎（球磨法）化學共沉淀法和微乳液法等。

機械粉碎法（球磨法）

機械粉碎法（球磨法）適用于氧化鐵（Fe3O4、Fe2O3等）是磁性粒子的磁流體制備其原理是將微米級的磁鐵礦粉與基液和表面活性劑混合，放入球磨機中長時間研磨，得到納米級的磁性顆粒。這種方法耗時長效率低成本高，已逐漸被更快更簡單的方法取代然而，通過這種方法獲得的粒徑分布很廣，幾乎可以與任何基液和表面活性劑混合以制成流體，并且通過這種方法制備的磁性顆粒的表面氧化程度低于通過化學共沉淀法制備的磁性顆粒。

化學共沉淀法

化學共沉淀法是最廣泛使用的方法，其基本反應原理如下：將Fe2和Fe3溶液混合，加入堿性物質進行沉淀反應，制備Fe3O4顆粒然后將粒子和表面活性劑的基液加熱吸附表面活性劑，最終得到磁流體。化學共沉淀法制備磁流體簡單易行、原料便宜、設備簡單、效率高，制備的磁流體顆粒細小、均勻且飽和磁化強度高，但這種方法對操作條件的控制要求非常嚴格，制備的Fe3O4粒徑較寬。

微乳法

微乳液法需要兩種微乳液，一種是金屬鹽溶液或金屬鹽的混合物，另一種是堿性水溶液將它們按一定比例混合，然后用表面活性劑分散，可以得到粒徑小分散性好的磁流體。這種方法的缺點是在制備過程中，所用的表面活性劑可能與特定應用所需的基液不相容，因此需要使用一種與基液相容的表面活性劑或使用兩種表面活性劑。

金屬磁流體的制備

金屬基磁流體的常用制備方法是熱分解法、真空蒸鍍法等。

熱分解法

熱分解法是利用羧基金屬絡合物在加熱條件下會生成納米金屬粒子的原理，在高溫下表面活性劑吸附在粒子表面后，納米粒子會均勻穩定地分散在基液中來制備金屬磁流體。因此，可以通過在基液中混合表面活性劑和羧基金屬絡合物并在密閉容器中加熱來制備類金屬磁流體其穩定性與表面活性劑相似、金屬顆粒和基液的比例是相關的。該方法工藝簡單、高磁化低能耗，且粒徑一般為3~5納米，但所用原料有毒，產生一氧化碳氣體，有一定危險性。

真空蒸鍍法

真空蒸發法是在真空條件下將金屬加熱成氣態，迅速冷卻形成小顆粒，這些小顆粒被表面活性劑包裹，然后分散在基液中形成磁流體。真空蒸發法制備的磁流體磁飽和強度可達1000Gs以上，遠高于鐵氧體磁流體，但穩定性差，應用受到限制。

氮化鐵磁流體的制備

鐵磁性氮化物流體比金屬磁性流體具有更高的磁飽和強度、更好的穩定性和耐腐蝕性，它是20世紀90年代問世的一種新型納米磁流體功能材料，其常用的制備方法是等離子體CVD、氣相-液相反應法和等離子體活化法等。

 等離子體CVD方法

等離子體CVD方法的主要原理是將惰性氣體混合到等離子體CVD反應器中、氮氣、Fe(CO)5蒸汽混合，鐵由等離子體激發(CO)5分解為鐵原子并與等離子體中的氮反應生成氮化鐵顆粒，其粒徑一般為2-10納米。容器底部的液體將在內容器壁上形成一層薄膜，反應產生的氮化鐵顆粒將被薄膜捕獲并均勻分散在容器底部的載液中，形成氮化鐵磁流體。

氣相-液相反應法

氣相-液相反應法的基本原理是在加入羰基鐵和氨基表面活性劑的煤油中通入氨氣，通過化學反應得到中間體氨基羰基鐵，然后通過高溫加熱分解制備氮化鐵磁流體。該方法制備的氨基磁流體飽和磁化強度很高，達到1700Gs，具有廣闊的應用前景。

等離子體活化法

等離子體活化法是在氣相中進行的-液相反應法是在制備氮化鐵磁流體的基礎上改進的，其基本原理是氨分子和鐵混合(CO)5分子被完全激活，中性氨分子被電離并激活成氮的離子態，然后迅速與Fe反應(CO)5以產生納米尺寸的氮化鐵顆粒。氮化鐵顆粒被表面活性劑包裹并分散在基液中制備氮化鐵磁流體這種方法類似于氣相-與液相反應法相比，反應時間可大大縮短，制備的磁流體粘度低、良好的流動性等優秀指標。

磁流體的主要性能指標主要包括飽和磁化強度、粘度、磁性顆粒直徑和揮發損失等。

飽和磁化強度

磁流體在外磁場作用下的磁化程度，即所能達到的最大磁化強度稱為飽和磁化強度，單位為Gs或t 它是磁流體應用技術中最重要的參數由于磁流體中磁性顆粒的質量分數和溫度的影響，飽和磁化強度會隨著溫度的升高而降低。當達到飽和磁化強度時，隨著外磁場強度的增加，磁性納米顆粒在磁流體中形成的鏈狀結構保持相對恒定，不會再發生明顯變化。一般來說，飽和磁化強度的范圍從500 GS到3000 GS（05~0.3T）這一參數可以通過改進磁流體的制備工藝來提高。

粘度

粘度代表磁流體的流動特性，單位為cP粘度會對磁流體的應用產生很大影響，尤其是將磁流體填充到微小結構中的應用。磁流體的粘度主要取決于用于制備磁流體的基液和磁性顆粒同時，外界的溫度和磁場也會影響磁流體的粘度在單因素條件下，粘度會隨著外磁感應強度的增加而增加，表現出非牛頓流體的特征。同時，磁流體的粘度隨著溫度的升高而降低，在單因素條件下，呈粘性-溫度關系符合Arrenius公式。

磁性顆粒直徑

磁性顆粒的直徑表示磁性流體中磁性顆粒的厚度，單位為nm，它影響四大效應（小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧穿效應）基本因素也影響著磁流體的穩定性、磁飽和強度、熱力學性能和其他重要因素，顆粒直徑通常小于10納米一般來說，磁性顆粒直徑越小，磁流體性能越好，越有利于實際應用。

揮發損失量

磁流體的揮發損失是指磁流體在一定時間內由于揮發而損失的質量或體積，是磁流體揮發性的一個指標，單位為g/cm2·h（通常在80℃下測量）它與磁流體的壽命和蒸汽壓密切相關，主要由基液的性能決定。

其他指標

此外，磁流體還有很多性能參數，比如比重、表面張力、導熱系數、溫度特性、頻率特性、超導性能、磁化率、復合磁化率、耐蝕性、各相異性、磁共振性能、磁性馳豫時間、流體動力學性能、流變性能等，在不同的應用中發揮交叉作用。

磁流體是一種新型的液體功能材料，既有固體材料的磁性，又有液體材料的流動性，還有光、熱、磁性等特殊性能，具有很高的開發價值，應用領域已涉及航空航天、機械、電子、能源、化工、冶金、醫療保健等，并且還在不斷擴大。

工程機械

工程和機械領域是磁流體最早的應用領域、最成熟的領域之一。早在20世紀70年代，美國國家航空航天局工程師Paper首先制備了一種穩定的鐵磁流體，然后通過該磁流體成功地解決了航天器和宇航服活動部件的真空密封問題、失重狀態下的液體泵輸送問題引起了廣泛關注，磁流體的后續應用發展迅速，涵蓋密封、研磨、傳感器、潤滑、阻尼減振等方向。

密封：磁流體密封是一種非接觸式密封技術通過設置永磁體和鐵磁極靴，在轉軸周圍形成強磁場，并引入磁流體形成“O”o型圈，有效密封氣體、水、油、灰塵和煙霧阻止污染物通過，并具有良好的密封性能、低泄漏率、長壽命、低污染、低磨損、低發熱、良好的可修復性和不定向密封等。

磁流體

研磨：磁流體研磨是一種光整加工技術，利用磁流體的流動性和磁性以及外磁場的作用，使磨料與工件發生相對運動，從而達到研磨和光整工件表面的目的。該技術具有處理時間短的優點、自動控制、適用于各種材料和曲面、它可以同時進行內外研磨，已廣泛應用于機械和電子工業領域。

傳感器：基于磁流體的一種或幾種特性，可以設計出多種磁流體傳感器，最早出現于20世紀60年代在此基礎上，開發了多種磁流體傳感和測量設備，其中包括磁流體壓差傳感器、磁流體動力學磁場傳感器、磁流體動力振動傳感器、磁流體加速度傳感器、磁流體液位傳感器、磁流體陀螺儀、磁性流體流量傳感器等。

潤滑：磁流體作為一種新型潤滑劑，通過外部磁場降低潤滑油的摩擦系數，從而實現無磨損潤滑，并防止外部污染，潤滑時不會泄漏。這種潤滑劑適用于動壓潤滑的軸頸軸承、推動力軸承、在磁場的作用下，表面相互接觸的各種滑動座和復雜運動機構能精確地充滿潤滑表面，且消耗小而可靠同時可以節省泵等輔助設備，實現連續潤滑，避免潤滑劑不良的問題。

阻尼減震：磁流體具有強磁性和液體流動粘性的雙重特性，可用于被動減振和主動振動控制通過使用磁流體阻尼，許多部件不需要表面拋光，從而減少了加工量。與傳統阻尼介質相比，磁流體阻尼具有結構簡單緊湊的優點、零磨損、無需外部電源、成本低，安裝簡單，因此廣泛應用于液體阻尼領域。

化工領域

磁流體的密度在磁場的作用下會發生變化當磁流體的密度是兩種待分離物質在外磁場作用下密度的平均值時，一種物質下沉，另一種物質上浮，從而達到分離回收的目的。或者利用磁流體在不均勻外磁場下被強磁場吸引的特性，使磁流體中的非磁性物質能浮到低磁場側，從而進行礦物篩選和物質分離該方法簡單可行無噪聲、無污染，這對于稀貴金屬的分離具有重要意義。

此外，以碳氫化合物為載液的磁流體具有親油和疏水的特性。通過將這種磁流體噴灑在水面上的浮油上，然后在水面上添加一個具有強磁場的永磁體，油和磁流體的混合物被磁體吸附，從而實現油水分離這種方法可以回收海面上泄漏的油和乳膠，也可以處理含油水體，具有應對和處理大型油輪事故引起的海面污染事件的潛力。

生物醫學

在生物醫學領域，磁流體可用于藥物定位和治療、固定化酶、免疫檢測、基因工程、封閉血管、細胞分離等場景。例如，藥物被吸附在涂有顆粒的表面活性劑上，磁流體被用作靶向藥物的載體在外磁場的作用下，藥物被精確地導向病變部位并持續作用于病變部位在毒品之后s作用完成后，磁流體可以通過透析除去，從而避免了藥物的不良反應。

電子設備

通過將少量磁性流體注入普通揚聲器音圈的氣隙中，可以顯著提高揚聲器的功效。利用磁流體良好的導熱性和減振減摩功能，可以提高揚聲器的功率、改善頻率特性、降低材料消耗并延長其使用壽命。在外磁場的作用下，磁流體保留在氣隙中并向磁路導熱。由于磁流體的導熱系數遠高于空氣，因此提高了揚聲器的散熱效果，功率可以提高近一倍。同時，磁性流體被吸附在磁極上，可以自動使音圈居中，防止音圈與磁極摩擦，使揚聲器振膜平穩振動具有一定粘度的磁流體還可以阻尼揚聲器的共振，從而改善頻率特性。

其他領域

磁流體不僅在這些領域表現出色，在許多其他場景中也有潛在的應用。在工業上，磁流體可用于磁性染色、磁液陀螺、渦輪葉片等的檢查；在國防中，它可以應用于液體聲波接收器、水下吸聲器的可變等級重接裝置等；在化學反應中，磁流體可以作為載體攜帶催化劑參與反應；此外，還可以利用磁流體的磁光效應開發光開關、磁場敏感器、磁控超聲波器、衰減器和偏振器等新設備。隨著磁流體基礎理論的深入研究、隨著磁流體制備技術的不斷提高，更高效便捷的制備方法以及更多種類磁流體的成功開發，磁流體與其他學科的交叉應用將更加深入，其應用領域將進一步拓寬。