第1章 磁流体的基本概念

磁流体是由基载液体和粒状的磁性固体组成的一种胶体分散体系。基载液体即分散介质是煤油和机械油等，作为分散相的固体磁性颗粒通常是磁性物质，如铁、钴、镍和它们的磁性氧化物等。目前使用较多的分散剂是油酸一类的物质。在磁流体中，固体分散相的粒度是很小的，其颗粒直径不大于10nm^［1］。

磁流体具有胶体稳定性和组分稳定性。稳定性是指固相磁性颗粒的沉淀和集聚问题，保持因相颗粒悬浮的弥散状态的驱动力是颗粒的布朗运动，由于周围的基载液的分子的随机碰撞，颗粒才会产生布朗运动，所以固相颗粒的尺寸一定要很小。其次，无论在重力场或是在磁场中，固相颗粒所具有的位能是与其体积成正比的，所以颗粒的体积大，就意味着位能高，因而稳定性就差。固相颗粒之间存在着一种相互的作用力，当两个颗粒接近到一定程度之后，这种作用力从排斥力变成吸引力，这是造成固相颗粒集聚的根源，众多的因相颗粒集聚成团，最终将导致布朗运动的消失而沉淀随之发生。防止产生集聚的办法就是加入分散剂。在工程应用中，磁流体经常处于低压甚至真空的环境下，有时环境温度可达1000℃ 左右，因而基载液在这些环境条件下的蒸发就决定了磁流体的使用寿命。与其他液体介质接触界面上的相互掺混问题，除了由于分子扩散而引起的互相渗透以外，垂直于界面的磁场分量可能促使界面破坏，形成一种迷宫状图案的混合，这种现象称为界面的不稳定性^［1］。

作为一种磁性流体，磁流体最重要的物理性质就是它的磁化性能。虽然磁流体只可算作为超顺磁材料，但它的磁化机理却和顺磁性物质不同，顺磁性物质的磁化作用仅仅是物质内做轨道运动的电子受到外磁场的作用，其轨道平面在某种程度上按外磁场方向做有序排列的结果，而磁流体内的固体颗粒是磁性材料，它们的磁化是磁畴旋转造成的，并且磁流体还有另一种可能的磁化机制，即悬浮于基载液中的颗粒本身的旋转，旋转平衡方位取决于磁场能量和热运动能量之间的平衡，而颗粒的旋转速度取决于磁场对固体颗粒产生的力矩与流体黏性阻力矩之间的平衡，所以磁流体可以按其磁化过程分成两种：一种是固相颗粒内磁畴的旋转起控制作用，称为内实性的；另一种是固相颗粒在基载液中的旋转起控制作用，这称为非内凛性的或外赋的。磁流体磁化性能的指标是它的磁化强度。目前以磁铁矿为固相颗粒的磁流体，其饱和磁化强度最高可达约34000A/m。另一个特点是磁流体一般不具有磁滞现象，即不存在剩磁和矫顽力，因为磁性颗粒本身悬浮于基载液中，外磁场移去以后，热运动终使它们变成无规则状态，这就意味着完全退磁^［1］。

磁流体力学主要应用于天体物理、受控热核反应和工业3个领域。宇宙中恒星和星际气体都是等离子体，而且有磁场，故磁流体力学首先在天体物理、太阳物理和地球物理中得到发展和应用。当前，关于太阳的研究课题有：太阳磁场的性质和起源，磁场对日冕、黑子、耀斑的影响。此外还有：星际空间无作用力场存在的可能性，太阳风与地球磁场相互作用产生的弓形激波，新星、超新星的爆发，地球磁场的起源等。磁流体力学在受控核反应方面的应用，有可能使人类从海水中的氘获取巨大能源。对氘、氚混合气来说，要求温度达到5000万～1亿℃，并对粒子密度和约束时间有较高的要求。而使用环形磁约束装置在受控热核反应的研究中显出较好的适用性和优越性。磁流体力学除了与开发和利用核聚变能有关外，还与磁流体发电密切联系。磁流体发电的原理是用等离子体取代发电机转子，省去转动部件，这样可以把普通火力发电站或核电站的效率提高15%～20%，甚至更高，既可节省能源，又能减轻污染。飞行器再入大气层时，激波、空气对飞行器的摩擦，使飞行器的表面空气受热而电离成为等离子体，因此利用磁场可以控制对飞行器的传热和阻力。但由于磁场装置过重，这种设想尚未能实现。此外，电磁流量计、电磁制动、电磁轴承理论、电磁激波管等也是磁流体力学在工业应用上所取得的成就。磁流体发电是一种新型的高效发电方式，其定义为当带有磁流体的等离子体横切穿过磁场时，按电磁感应定律，由磁力线切割产生电；在磁流体流经的通道上安装电极和外部负荷连接时，则可发电。

为了使磁流体具有足够的电导率，需在高温和高速下，加上钾、铯等碱金属和加入微量碱金属的惰性气体（如氦、氩等）作为工质，以利用非平衡电离原理来提高电离度。前者直接利用燃烧气体穿过磁场的方式称为开环磁流体发电，后者通过换热器将工质加热后再穿过磁场的称为闭环磁流体发电。磁流体发电本身的效率仅20%左右，但由于其排烟温度很高，从磁流体排出的气体可送往一般锅炉继续燃烧成蒸汽，驱动汽轮机发电，组成高效的联合循环发电，总的热效率可达50%～60%，是目前正在开发中的高效发电技术中最高的。同样，它可有效地脱硫，有效地控制NO_x的产生，也是一种低污染的煤气化联合循环发电技术。磁流体密封装置是由不导磁座、轴承、磁极、永久磁铁、导磁轴、磁流体组成，在磁场的作用下，使磁流体充满环形空间，建立起一系列“O形密封圈”，从而达到密封的效果。