纳米磁性液体与电子变压器磁芯
Nano Magnetic fluid and Magnetic Core for Electronic Transformer

摘要：本文简要介绍了纳米磁性液体的种类，特性与制备方法，阐明了它在电子变压器磁芯中的应用。
关键词：纳米磁性液体 电子变压器 磁芯应用

1． 前言
通常所称磁性材料系指以固体形态出现的金属与非金属（铁氧体）块体材料。作为电子变压器磁芯来说，所使用的主要是软磁铁氧体、铁粉芯、高μ金属或非晶软磁材料。在这里介绍一种称作"磁性液体"或"铁磁流体"（简称"磁液"）的磁性材料及其在电子变压器磁芯中的应用。

2． 磁性液体的种类、特性与制备方法
磁性液体与固体块状磁性材料不同，它是由铁磁性的超细固体微粒（直径为几个或几十个纳米（nm））高度弥散在基液（即分散媒剂，又称载液）中而构成的稳定的胶体溶液。由于这种液态物质兼有固态磁性材料的磁性和液体的流动特性而可完成固态磁性材料所不能完成的工作。所以它的应用范围甚广，国外已在航天、电子、遥控遥测、化工、能源、冶金、仪表、环保、医疗卫生等众多领域获得广泛应用，特别是在密封、润滑、医疗等方面独具一格。
2．1 磁性液体的种类与特性
按照磁性液体所含强磁性固体微粒种类的不同，可分为铁氧体磁性液体（铁酸盐系），金属磁性液体（金属系）和氮化铁系磁性液体及复合磁性液体四种，比较成熟且商品化的产品大多为铁酸盐系。
一般而言，磁液的主要技术指标是：（1）使用温度范围；（2）高场（≥650KA/m）下的磁化强度Ms（T）；（3）粘度η（Pa·S）；（4）其他诸如蒸气压、流动点（℃）、沸点（℃）、闪点（℃）、密度（kg/）等。其具体要求是：在工作温度和压力下长期稳定；磁化强度高，起始磁导率高；粘度和蒸气压要低；在重力场和梯度磁场下稳定；有良好的热传导性与耐化学腐蚀性。
磁性液体的基本特性取决于铁磁性微粒的强磁性和液体的流动性。磁液中的铁磁性颗粒尺寸很小（nm级），其体积约为原子体积的倍，它们显示出"超顺磁性"，即具有高饱和磁化强度，没有剩磁，矫顽力几乎为零，基磁化曲线如图1所示；在外磁场作用下，容易固定。用外场还可以控制超声波在磁液中传输的速度和衰减。当光通过磁液时，会产生光的双折射效应与二向色性现象。此外，磁液在交变磁场中还具磁导体的频散特性，磁粘滞性现象。正因为磁液具有这些新颖特性而获得了如前所述的广泛应用。

图1 磁液的典型磁化曲线
2．2磁液的制备方法
如上所述，磁液分为了四种，其制备方法是不相同的。铁氧体磁液主要使用磁铁矿（）、锰锌（MnEn）铁氧体等材料，用机械研究法或化学共沉淀法制备成磁性微粒。金属性磁液是由铁、铬、镍、钆等单质金属及其合金材料，采用真空蒸镀法、等离子体化学气相沉积法、有机金属盐热分解法、电解沉淀法等多种方法制成金属或合金铁磁性微粒。氧化铁系磁液以为基础采用超高真空制得铁磁性微粒。复合磁液是磁性液体与非磁性小颗粒（例如0.1~10um的金属塑料等）组成的复合体，是磁液新的发展方向，可望开发出新的应用领域。
磁性微粒、基液和界面活性剂是构成磁性液体的三大组成部分，因此除制备出优质的铁磁性微粒之外，基液和界面活性剂也是十分重要的因素，它们的性质与质量也决定着磁性液的特性。可以用作磁性液体的物质有水，和二酯类、碳氢类、氟碳类、酯类、烃类、聚乙基醚类等有机物，视磁液的具体用途来选择适合的基液。例如水基磁液，有较高的起始磁导率，价格便宜，可用于选矿、印刷用磁性墨水。界面活性剂的作用，是使固体粒子与粒子之间不会凝聚在一起。它的种类也很多，常因基液而异，如水基液，可选用饱和一元羧酯；对烃类基液，常用油酸。

3． 磁性液体在电子变压器磁芯中的应用
功率变压器在工作过程中要产生大量的热量，致使侍输功率和效率下降，甚至使器件损坏，因此必须设计和安装冷却、散热装置。传统的方法是把变压器浸没在油中。这种方法的缺点是效率低。若像图2所示的结构那样，由磁液构成磁芯并使之循环，即可获得冷却、散热的效果。

图2：用磁液作变压器磁芯
这种变压器磁芯的工作特点是：
（1） 初级绕组和次级绕组所发生的热量被磁液吸收后进入直接散热器进行散热冷却，所以散热效率高；
（2） 因磁液的磁性源是铁磁性微粒，其软磁特性良好，矫顽力趋近于零，所以由变压器铁芯产生的铁损小；
（3） 磁液由于具有良好的流动性，可以按外壳形成磁芯回路，不需装配，大大节省工时；
（4） 磁芯的工作频率可以达到超高频频段，且整个装置体积小；
（5） 不需要冷却油，装置保养简便，且无由油引起的公害。
用磁液还可制作电感器的磁芯，如图3所示。把磁液注入图3（a）所示的磁芯绕组间隙中，则间隙空间得到充分利用，可使磁芯小型化，高效率。如果按图3（b）所示那样，完全用磁液来形成磁路，把绕有线圈的骨架完全浸没在磁液之中，充分发挥磁液的流动性，最大限度地利用空间。

图3 用磁液作的罐形磁芯
4． 结语
磁性液体属于一种纳米磁性材料，它兼有固体磁性材料的磁性和液体的流动性质，能完成固体块状磁材所不具备的功能，所以应用范围广泛。在电子变压器磁芯中的应用也是值得重视和推广的。