磁性液态金属对磁体的撞击行为分析

虽然镓拥有诸多作为磁纳米流体基液的优势，但是关于镓基磁纳米流体的研究还比较少，只有很少的相关研究成果［4］。在以前的镓基磁流体的制备中，所使用的多为合金颗粒，比如铁合金，或者微米、亚微米量级的Ni或者Fe颗粒。通过化学方法合成的直径为30～50 nm的FeNbVB颗粒包覆上厚度为10 nm的SiO2薄层以后，分散在液态纯镓中而得到的流体能表现出明显的磁流变特性。

在磁场梯度的作用下，这种悬浮液可以移动，并且其移动会受到温度的影响。由于饱和磁化强度高，即使磁纳米颗粒浓度很低，得到的磁纳米流体的磁化强度也高度依赖于温度，因此，这种镓基磁纳米流体作为工作介质可以应用于磁流体力学器件、磁热转换装置和换热器中。

合成镓基磁纳米流体的过程总体上可以分成两个步骤，即纳米颗粒的预处理和在基液中的分散。一般来说，裸露的金属纳米颗粒很难分散在液态镓或者其合金中，在分散之前需要对纳米颗粒进行一些必要的预处理。通过化学方法对镍、铁或者其合金颗粒用SiO2进行包覆是一种常用的预处理方式，之所以选择SiO2是因为SiO2与镓及其合金很好的相容性可以提高镓基磁纳米流体的稳定性，而且SiO2可以防止金属磁纳米颗粒被氧化或者被镓及其合金腐蚀。

图10.2为10 mL纯镓在掺杂1 mL镍纳米颗粒前后的对比［4］。从图中可以看出，掺入纳米颗粒以后，液态金属变得更加黏稠，但是表面依然有很好的金属光泽。流体表面有很多肉眼可见的细小颗粒状，并且颗粒物不是镍纳米颗粒混入之前的黑色，说明颗粒已经被完全混入液态金属中。

图10.2　掺杂纳米颗粒前后对比［4］

a.掺杂前；b.掺杂后。

通过液滴撞击磁铁实验可以了解磁性液态金属的磁学行为［3］。磁铁表面的平均磁场强度约为1T，液滴从高度为50 cm处下落，初速度为0 m/s。图10.3和图10.4分别为高速摄像机记录的在空气中搅拌60 min但没有掺入纳米颗粒的GaIn24.5液滴和掺有10vol.%的镍纳米颗粒的GaIn24.5液滴从开始接触磁铁到液面在磁铁表面完全展开的过程，液滴的体积均为2 mL。从图中可以看出，在撞击磁铁以后，液滴都变形成扁平的盘状，并沿着磁铁表面向外铺展，但是两种液滴铺展的过程有明显的差异。

在没有加入纳米颗粒的样品中，从0 ms到4 ms，液滴在磁铁表面铺展，形成的盘状液面半径不断增大，向磁铁边缘扩展［4］；到第8 ms时，在液面上从盘状液面的圆心处开始出现由内向外的二次铺展；在第12 ms时，液面扩展至最大半径；从第12 ms开始直至第24 ms，二次铺展的液体向盘状液滴的外圈边缘运动，并使得外圈边缘发生明显的卷起；从第28 ms到第68 ms，二次铺展到达盘状液面的外缘之后引起外缘液体的回流，到68 ms时整个液面才完全稳定。(www.xing528.com)

图10.3　GaIn24.5撞击磁铁［4］

图10.4　GaIn4.5+10%Ni磁纳米流体撞击磁铁［4］

在加入纳米颗粒的样品中，在0 ms至4 ms，磁流体液滴在磁铁表面的变形与铺展与没有掺杂纳米颗粒的流体基本一样；到第8 ms的时候，磁流体液滴并没有出现二次铺展，此时盘状液面外缘已经铺展至最大半径；到第20 ms，液面完全稳定，没有出现图10.3中液面的外边缘的卷起和回流。相较于没有添加纳米颗粒的样品，添加了磁纳米颗粒之后，样品在磁铁表面铺展的时间从68 ms减小为20 ms。

当液滴接触磁铁表面时，由于受挤压，液滴内部的压力急剧增大，并使得液滴与磁铁接触部分的液体以接触点为圆心向四周喷射形成盘状液面［4］。在变形的初始阶段，压力作为驱动力远远大于液滴的表面张力和液体与磁铁表面的黏性阻力。因此，在这一阶段，表面张力和黏性力可以忽略不计。两种液滴从相同高度以相同的初速度下落的条件下，初始能量相同。因此，两种液滴具有相同的驱动力，在表面张力和黏性力可以忽略的阶段，这两种液滴表现出相同的行为。

随着液面在铺展的过程中压力不断减小，表面张力和黏性力对液面的铺展的影响变得不可忽略。在没有添加纳米颗粒的液态镓向外铺展的过程中，由于表面张力的影响，液面外缘卷起并引起少量液态镓向液面中心回流。回流液体和仍在向外铺展的液体相撞，因此形成第8 ms时出现的类似波浪的第二铺展圈。回流液体的驱动力相对较小，因此，第二铺展圈仍然是向外扩展至液面的最外缘。

对于磁流体液滴，在液面的边缘处，液体的卷起非常微弱（t=8 ms），并且马上就会消失（t=12 ms），因此不会发生回流。液滴的铺展完成得很快（t=20 ms）。纳米颗粒的加入会减小液体的表面张力，即液体卷起和回流的驱动力减小，而且加入纳米颗粒之后，流体的黏度会变大。磁流体还会受到磁铁的吸引力作用。增大的黏度和与磁铁之间的吸引力阻碍了液面外缘液体的卷起和回流。