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 7 4 4.21MB 51 页 15积分
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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
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
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
研究样品液。具体研究了复合磁流体外磁场作用下双折射与非磁性微球的
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
体掺杂不同种类的非磁性微球,其双折射的影响也同;掺杂等量但不同比
的两种非磁性混合微球所形成的合磁流体,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
磁性微球单独掺杂时相似。
实验还研究了复合磁流体在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。研究表明,同浓度的纯磁流体的法
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
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
浓度的纯磁流体掺杂等量的二氧化硅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
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
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
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
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
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
掺杂
第一章
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.
1
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
2
第一章
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
3
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(surfactant)载液(liquid carrier)共同组成的,如图1-1
示。图1-2为磁流体实物图。
1-1 磁流体的组成
1-2 磁流体实物图
稳定磁流体的形成条件简述如下:
1
无规热运动,而可消来自本身的用以及粒偶极
磁作用。例如对铁氧体类型的颗粒,大致尺寸10 nm,对颗粒,通常大于6
nm
2
产生沉积,一种方法是将每性微颗粒的表层长
的高(称为界面活性剂),高分链长足一定的使得颗粒
排斥大于引力一种方法是使固体磁性颗粒的表同种电荷,该
法可以制备或碱性磁流体。
4
第一章
3
界面活性剂高对、键和范德瓦尔兹力作用
磁性和载溶剂[1]使
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-Fe2O3MeFe2O4(Me=Co,Mn,Ni )
Fe3O4NiCoFeFeCoNiFeα-Fe3Nγ-Fe4N等,目前常用的纳米磁性
颗粒是Fe304(magnetite)γ-Fe2O3(maghemite)类材料也称为纳米金属氧化物。
界面活性剂的对磁流体的制至关的,它的选择受到液的
制,载液不同,界面活性剂往往也有相应变化,同时,它还关系
体能制备成功,是稳定。所以,面活性剂用是磁流体制
解决的关键题,制备磁流体常用的界面活性剂如表 1所示[2]
1-1 常用的磁流体制备的界面活性剂对
载液称 适用于该载液的界面活性剂
不饱和脂肪酸,如油酸亚油酸亚麻酸,以及他们
物的类以及类、12烷酸、二辛基磺酸钠
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
及二
合成
油酸亚油酸亚麻酸或相应的酯酸,如磷酸二(2-
己基,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,以及它的相应的衍生物,全氟
丙醚
氨基聚二甲基硅氧聚二甲基硅氧羧基聚苯
硅氧,巯基聚苯甲基硅氧
聚苯基醚 基十烷酸苯氧甲酸
作为磁流体的载液也应一定的条件:率,度和高度化学稳定
性,以及具有抗辐射特性等。由这些条件上很
足,此,某特定条去选的载液,常会到各样的困难
几乎是不可能载液界面活性剂的纳米磁性颗粒在的介质
它的性质定着磁流体的应用场合。不同组成成分的选择与组合,可以成具
不同特性的磁流体,适用于不同的应环境常所用的载液
以及制得相应磁流体的应用范围如表2所示[2]
1-2 常用的磁流体制备的载液及应用对
载液称 所制得磁流体特点及应用
pH价格,制
单,适用于医疗磁性分选矿示及磁泡检
及二酯 蒸
5
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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