Магнитные жидкости — это двухфазные высокодисперсные суспензии (коллоидные растворы) состоящие из твердых ферромагнитных материалов, (диаметр одной частицы ферро- или ферримагнетика составляет около 10 нанометров) с жидкостной основой, такой как вода, жидкие углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости. Третья фаза в растворе — поверхностно-активная защитная оболочка толщиной около 2 нанометров на поверхности частиц . Структура и состав магнитной жидкости представлены на рисунке 1.
Магнитные жидкости макроскопически однородны, не расслаиваются в магнитных и гравитационных полях неограниченное время. Их физико-химические свойства зависят от характеристик приложенного магнитного поля и могут изменяться в широких пределах.
Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая текучесть сочетается в них с высокой намагниченностью — в десятки тысяч раз большей, чем у обычных жидкостей. Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты частиц, что приводит к изменению магнитных, оптических и реологических свойств раствора. Ценным свойством магнитной жидкости является их свойство магнитовосприимчивости (магниточувствительности). Под влиянием магнитного поля они могут перемещаться в зону наибольшей его напряженности или удерживаться в ней. Наглядным свидетельством того, что магнитная жидкость реагирует на действие магнитного поля, является изменением формы ее свободной поверхности. При нахождении жидкости в магнитном поле ее свободная поверхность приобретает форму, соответствующую магнитному полю см. рис. 2.
Различают следующие компоненты магнитной жидкости:
Магнитная фаза
Основной компонент МЖ, от которого зависят её магнитные свойства, — дисперсный ферри- или ферромагнетик. Типичными ферримагнетиками являются ферриты — химические соединения оксида железа Fe2O3 с оксидами металлов, имеющие общую формулу MFe2O4 (ферриты-шпинели) или MFe5O12 (ферриты-гранаты) и др. Из ферримагнетиков в промышленной МЖ наиболее широкое применение получил магнетит FeO•Fe2O3.
Дисперсионная среда (основа, носитель)
Основу для МЖ выбирают из жидкостей различных классов в зависимости от назначения МЖ. Основные критерии выбора, это вязкость и плотность основы, её активность по отношению к магнитной фазе и стабилизатору, испаряемость, температурный диапазон работоспособности, совместимость с другими рабочими жидкостями в различных устройствах и др.
Для устройств, работающих в условиях вакуума можно использовать магнитную жидкость только на полиэтилсилоксановой основе т.к. она устойчива к испарению в условиях вакуума. Для устройств и механизмов, работающих в условиях Земной поверхности (при обычной гравитации и нормальном атмосферном давлении) можно использовать в качестве смазки магнитную жидкость на основе масел, воды, керосина, жидких металлов и т. д.
Стабилизирующая фаза
Классический стабилизатор для МЖ олеиновая кислота. Это одна из высших жирных кислот, широко применяемая в комбинации с магнетитом и углеводородными основами. В качестве ПАВ стабилизаторов для углеводородных сред, кроме олеиновой, используют ундециловую и рицинолевую кислоты, производные полифосфорной кислоты, янтарной кислоты, додециламин и полиизобутилен.
МЖ на кремнийорганической основе по сравнению с минеральным маслом обладают худшими смазочными свойствами. МЖ на основе различных минеральных масел с противоизносными добавками могут обеспечить интенсивность изнашивания, меньшую, чем МЖ на основе кремнийорганической жидкости, но магнитная жидкость имеет ряд преимуществ перед другими смазочными материалами:
- магнитная жидкость имеет ценное свойство магнитоуправляемости;
- компоненты МЖ устойчивы к испарению в условиях вакуума.
Магнитная жидкость на основе кремнийорганической жидкости на воздухе несколько уступает по смазочным свойствам магнитным жидкостям на основе минерального масла, но в вакууме обеспечивает лучшее смазывание и меньший коэффициент трения.