掺杂非磁性微球的复合磁流体的磁光效应的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 11 4 4.21MB 51 页 15积分

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掺杂非磁性微球的复合磁流体的

磁光效应的研究

摘要

磁流体是一种由纳米级的强磁性颗粒通过界面活性剂高度均匀分散于某种载

液中所形成的稳定胶体溶液。它既具有固体磁性物质的磁性，又具有液体物质的

流动性，同时它还具有光学性质可调谐的特点，是一种新型的光学功能材料。

本论文主要研究掺杂非磁性微球的复合磁流体的磁光效应。通过向成品纯磁

流体内掺杂非磁性二氧化硅微球和聚苯乙烯微球，制得复合磁流体，并以此作为

研究样品液。具体研究了复合磁流体在外磁场作用下的双折射与非磁性微球的种

类、掺杂浓度以及纯磁流体自身浓度的关系。研究表明，不同浓度的纯磁流体掺杂

等量的聚苯乙烯微球对其双折射随磁场的变化趋势影响不同；同一浓度的纯磁流

体掺杂不同种类的非磁性微球，对其双折射的影响也不同；掺杂等量但不同比例

的两种非磁性混合微球所形成的复合磁流体，其中一种非磁性微球对其双折射的

影响起主导作用，使得该复合磁流体双折射随磁场的变化趋势与起主导作用的非

磁性微球单独掺杂时相似。

实验还研究了复合磁流体在外磁场作用下的法拉第旋光效应与非磁性微球的

掺杂浓度以及纯磁流体自身浓度的关系。研究表明，不同浓度的纯磁流体的法拉

第旋光效应随外磁场的变化而变化，随着磁场的增加，磁流体的法拉第旋转角会

逐渐增加，直至趋于饱和，并且浓度较大的磁流体，其法拉第旋转角亦大；不同

浓度的纯磁流体掺杂等量的二氧化硅微球所形成的复合磁流体的法拉第旋光效应

随磁场的变化趋势不同，并且复合磁流体的法拉第旋转角较纯磁流体大；同一浓

度的纯磁流体掺杂不同浓度的非磁性微球，对其法拉第旋光效应的影响也不同，

适量地掺杂可以增大磁流体的旋光效应，如掺杂过量反而降低了磁流体的旋光效

应。此外，在研究复合磁流体横场和纵场条件下的线偏振光透过率与非磁性微球

的掺杂浓度以及纯磁流体自身浓度的关系时发现，纵场条件下，磁流体的光透过

率随着磁场的加强而缓慢增加，而横场条件下则是缓慢减小直至趋于饱和；同时

还发现，掺杂二氧化硅微球的复合磁流体的光透过率较其纯磁流体的光透过率大。

关键词：复合磁流体双折射非磁性微球磁空穴法拉第旋光效应透过

率掺杂

第一章绪论

ABSTRACT

Magnetic fluid is a kind of colloid consist of nano-structured ferromagnetic

particles disperse in the carrier liquid by means of surfactant. It is a novel functional

material in optical field, which has both the magnetism of the solid magnetic materials

and the fluidity of liquid besides the tunable optical properties.

The magneto-optical effect of composite magnetic fluids doped nonmagnetic

microspheres were investigated mainly in this treatise. Composite magnetic fluids have

been obtained by doping silicon dioxide and polystyrene nonmagnetic microspheres

into the pure ferrite magnetic fluids. The relationship between the magnetic-field-

induced birefringence of composite magnetic fluids and the species, concentrations of

nonmagnetic microspheres and pure ferrite magnetic fluids were investigated in detail.

Results indicate that pure magnetic fluids with different concentrations doped with

equal quantity of polystyrene microspheres have different variation trends for the

birefringence with respect to the externally magnetic field. Different kinds of

nonmagnetic microspheres have different influence on the change of birefringence after

doping into the same pure magnetic fluids. When doping with two-kind-mixed

nonmagnetic microspheres (equal quantity but different proportion between the two

kinds of microspheres), one kind of the nonmagnetic microspheres will play a leading

role in the variation of birefringence with externally magnetic field. Then, the variation

trend of the birefringence with externally magnetic field for the as-prepared composite

magnetic fluids is similar to that only doped with the leading nonmagnetic

microspheres. The relationship between the magnetic-field-induced Faraday effect of

composite magnetic fluids and the concentrations of nonmagnetic microspheres and

pure ferrite magnetic fluids were investigated in the experiment. Results indicate that

the Faraday rotation angle of pure magnetic fluids with different concentrations will

gradually increase until to be saturate with the increase of external magnetic field, and

the magnetic fluid with higher concentration will own the larger Faraday rotation angle;

the Faraday rotation angle of composite magnetic fluid doped silicon dioxide

nonmagnetic microspheres will be larger than the one of the pure magnetic fluid; if the

pure magnetic fluids with some concentration is doped the right amount of nonmagnetic

microspheres, it will increase Faraday effect, or decrease. The relationship between the

transmittance of polarized light through composite magnetic fluid films and the

concentrations of nonmagnetic microspheres and pure ferrite magnetic fluids under

horizontal and longitudinal magnetic field were investigated. Results indicate that under

longitudinal magnetic field, the transmittance increases slowly with the increase of the

magnetic field strength; under horizontal and magnetic field, the transmittance

decreases slowly until to be saturated with the increase of the magnetic field strength;

the transmittance of composite magnetic fluid doped silicon dioxide nonmagnetic

microspheres is larger than the one of its pure magnetic fluid.

掺杂非磁性微球的复合磁流体的磁光效应的研究

Key Word: Composite magnetic fluid, Birefringence, Nonmagnetic

microsphere, Magnetic hole, Faraday effect, Transmittance, Doping

第一章绪论

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论......................................................1

§1.1 磁流体简介................................................1

§1.2 磁流体的制备..............................................4

§1.3 磁流体的性能..............................................6

§1.4 磁流体的应用..............................................8

§1.5 磁流体的发展与研究现状...................................14

§1.6 课题研究内容和意义.......................................16

第二章磁流体的磁光效应..........................................19

§2.1 磁光效应简介.............................................19

§2.2 磁流体的磁光效应.........................................19

§2.3 磁流体磁光效应的发展与现状...............................22

第三章非磁性微球掺杂对磁流体双折射特性的影响....................26

§3.1 样品的配制...............................................26

§3.2 实验方法.................................................28

§3.3 结果与讨论...............................................30

§3.4 本章小结.................................................35

第四章非磁性微球掺杂对磁流体法拉第旋光效应及光透射率的影响......36

§4.1 样品的配制...............................................36

§4.2 测量方法.................................................37

§4.3 结果与分析讨论...........................................38

§4.4 本章小结.................................................43

第五章总结与展望...............................................45

参考文献........................................................46

第一章绪论

§1.1 磁流体简介

掺杂非磁性微球的复合磁流体的磁光效应的研究

磁流体又称为磁性液体、铁磁性液体 (Ferromagnetic fluids) 、铁磁流体

(Ferrofluids)、磁性胶体(Magnetic colloids)、磁性流体(Magnetic liquids)，是由纳米

级（其直径通常在3-15 nm左右）的强磁性固体颗粒高度均匀地弥散于某种液体介

质之中所形成的一种高稳定性的胶体体系。它是由纳米磁性颗粒 (magnetic

nanoparticle)、界面活性剂(surfactant)和载液(liquid carrier)共同组成的，如图1-1所

示。图1-2为磁流体实物图。

图1-1 磁流体的组成

图1-2 磁流体实物图

稳定磁流体的形成条件简述如下：

（1）固体磁性颗粒要足够小，需要达到纳米量级，这样由于它在载液中的

无规则热运动，从而可以抵消来自本身的重力作用以及粒子间磁偶极矩之间的静

磁作用。例如对铁氧体类型的颗粒，大致尺寸为10 nm，对金属颗粒，通常大于6

nm。

（2）为了防止颗粒间由于静磁与电偶矩的相互作用以及范德瓦尔兹力而聚

集成团，产生沉积，一种方法是将每个磁性微颗粒的表面必须化学吸附一层长链

的高分子（称为界面活性剂），高分子的链长应满足一定的要求，使得颗粒接近

时排斥力应大于吸引力。另一种方法是使固体磁性颗粒的表面带同种电荷，该方

法可以制备酸性或碱性磁流体。

第一章绪论

（3）界面活性剂包履在磁性颗粒的表面，还能防止磁性颗粒被氧化，同时

要求界面活性剂高分子链的一端能够通过离子对、氢键和范德瓦尔兹力等作用和

磁性颗粒产生化学吸附，另一端和载液亲和，即能够被载液溶剂化[1]，从而使磁

性颗粒稳定地分散于载液中。

用于制备磁流体的磁性材料通常有 γ-Fe2O3，MeFe2O4(Me=Co,Mn,Ni 等)，

Fe3O4，Ni，Co，Fe，FeCo和NiFe合金，α-Fe3N及γ-Fe4N等，目前常用的纳米磁性

颗粒是Fe304(magnetite)和γ-Fe2O3(maghemite)，这类材料也被称为纳米金属氧化物。

界面活性剂的选用对磁流体的制备来说是至关重要的，它的选择受到载液的

限制，载液不同，界面活性剂的选用往往也有相应变化，同时，它还关系到磁流

体能否制备成功，是否稳定等问题。所以，界面活性剂的选用是磁流体制备需要

解决的关键问题，制备磁流体常用的界面活性剂如表 1所示[2]：

表1-1 常用的磁流体制备的界面活性剂对照表

载液名称适用于该载液的界面活性剂举例

水不饱和脂肪酸，如油酸、亚油酸、亚麻酸，以及他们的衍

生物的盐类以及皂类、12烷酸、二辛基磺化丁二酸钠等

碳氢化合物油酸、亚油酸、亚麻酸以及其它非离子型界面活性剂

酯及二酯、精制

合成油

油酸、亚油酸、亚麻酸或相应的酯酸，如磷酸二（2-乙基

己基）酯，以及其它非离子型界面活性剂

氟碳基化合物氟醚酸、氟醚磺酸，以及它们的相应的衍生物，全氟聚异

丙醚等

硅油

硅烷偶联剂，羟基聚二甲基硅氧烷，羧基聚二甲基硅氧

烷，氨基聚二甲基硅氧烷，基聚二甲基硅氧烷、羧基聚苯

基甲基硅氧烷，氨基聚苯基甲基硅氧烷，羟基聚苯基甲

基硅氧烷,巯基聚苯甲基硅氧烷

聚苯基醚苯基十一烷酸，邻苯氧基苯甲酸

作为磁流体的载液也应满足一定的条件：低蒸发率，低粘度和高度化学稳定

性，以及具有耐高温和抗辐射特性等。由于这些条件要求很大程度上很难同时满

足，因此，为满足某特定条件去选择适宜的载液，经常会遇到各种各样的困难，

几乎是不可能完成的事情。载液是包裹着界面活性剂的纳米磁性颗粒存在的介质

它的性质决定着磁流体的应用场合。不同组成成分的选择与组合，可以构成具有

不同物理特性的磁流体，适用于不同的应用需求与环境。通常所选用的载液名称

以及制得相应磁流体的应用范围如表2所示[2]：

表1-2 常用的磁流体制备的载液及应用对照表

载液名称所制得磁流体特点及应用举例

水

pH值可以在较宽的范围内改变，价格低廉，制备工艺简

单，适用于医疗、磁性分离、选矿、显示及磁带、磁泡检验

等

酯及二酯蒸汽压较低，适用于真空及高速密封；润滑性能好的磁

流体特别适用于要求低摩擦的装置，并可用于扬声器及

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摘要：

掺杂非磁性微球的复合磁流体的磁光效应的研究摘要磁流体是一种由纳米级的强磁性颗粒通过界面活性剂高度均匀分散于某种载液中所形成的稳定胶体溶液。它既具有固体磁性物质的磁性，又具有液体物质的流动性，同时它还具有光学性质可调谐的特点，是一种新型的光学功能材料。本论文主要研究掺杂非磁性微球的复合磁流体的磁光效应。通过向成品纯磁流体内掺杂非磁性二氧化硅微球和聚苯乙烯微球，制得复合磁流体，并以此作为研究样品液。具体研究了复合磁流体在外磁场作用下的双折射与非磁性微球的种类、掺杂浓度以及纯磁流体自身浓度的关系。研究表明，不同浓度的纯磁流体掺杂等量的聚苯乙烯微球对其双折射随磁场的变化趋势影响不同；同一浓度的纯磁流体...

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