CN103177643B - 一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置。该实验装置由视频光学显微镜1、双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2、底光源支架3、计算机4、可编程电源5、光源6、水冷液循环散热装置7、变压器油循环散热装置8、高斯计9组成；双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置是能够长时间稳定的提供大磁场而不影响其周围的环境；使用视频光学显微镜1移动到底光源支架3的正上方后调整焦距可实现观察；同时利用底光源支架3和双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2可以产生平行或垂直于磁流体样本的磁场，以实现对多种磁场方向下磁流体的微观结构的研究。
Description
技术领域
本发明是一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置，属于磁流体微观结构的研究领域。
背景技术
磁流体是一种新型的功能性材料，研究始于二十世纪六十年代，所涉及的比较成熟的应用有真空密封、润滑、浮选、研磨（抛光）、阻尼器等，深入到电子、能源、航空航天、国防军工、冶金机械、化工环保、仪器仪表、医疗卫生等方面的领域。流体是磁性微粒(约为10nm)借助表面活性剂混合并均匀地弥散在基液中而形成的稳定的胶体溶液。其中磁性微粒有 、等，表面活性剂有油酸、丁二酸、氟醚酸等，基液有水、煤油、甲苯等。磁流体既具有固体磁性颗粒的磁性，又具有流体的流动性，这使得磁流体具有许多独特的特性。同样在光学方面具有许多的特性，如双折射效应，可调谐透射率，磁致二色性，可调谐折射率、热透镜效应等等，这些特性与磁流体的微观结构是紧密相连。因此，需要亟待解决对磁流体的微观结构与磁场关系的动态研究的问题。
现有对磁流体的研究当中有使用了电子显微镜进行了观察研究，由于电子显微镜能以纳米级尺度进行观察，也就能对磁流体纳米颗粒进行观察与研究（文献1. Lai Qiong Yu, Lu Ji Zheng, Ji Xiao Yang. "Study of preparation and properties on magnetization and stability for ferromagnetic fluids." Materials Chemistry and Physics 2000 (66)）。但是由于使用电子显微镜研究样本的时候，需要对样本进行各种处理，如透射式电子显微镜，通常使用薄切片法和冷冻蚀刻法制作厚度为50nm到100nm之间的薄片；扫描电子显微镜则需对样本进行固定、脱水处理，再喷涂上一层重金属微粒。这些处理都对磁流体的本身结构进行了破坏，实际上只能观察到脱水后的磁流体的纳米颗粒样本，也就只能研究磁流体纳米颗粒的外观，而无法满足在磁场作用下的磁流体的微观结构的动态研究的要求。虽然扫描隧道显微镜和低温电子显微镜不需要对磁流体进行特殊处理，实现对磁流体的粒子研究，但是还不能实现动态观察，这是受到了其结构和测量原理的限制，因此在研究磁流体的微观结构过程中，在对磁流体施加一定规律的磁场时，很难同时从显微镜中动态观察，并且成本昂贵。
在磁流体的微观结构与磁场关系的动态研究过程当中，洪姮娥等使用了光学显微镜对磁流体进行动态的观察，一定程度上牺牲了对磁流体细节研究（文献2. Horng, H. E., C.-Y. Hong, et al. "Novel properties and applications in magnetic fluids." Journal of Physics and Chemistry of Solids 2001(62)）。这在一定程度受限于光学显微镜的理论极限分辨率0.2微米，而这一分辨率是常用的磁流体的纳米颗粒的直径的20倍。因此，在磁流体的纳米颗粒没有发生弱絮凝的时候，我们是很难通过光学显微镜对纳米级的磁性颗粒进行观察。这种方法在一定程度上牺牲了分辨率，同时能很好的对磁流体的微观结构的进行动态研究，而在成本上也是相对较低的。上述介绍的系统仍然存在着不足，其磁流体的样本操作很大程度受限于光学显微镜的狭窄的操作空间，不利于操作且磁场的施加难度大，难以保证磁场具有很好的均匀度， 同时磁场强度相对较小，只能达到300Oe，由于无法保证磁场周围空间的温度恒定不变，因此不适于长时间的工作。
目前在对磁流体的微观结构与磁场关系的动态研究的实验装置中，尚存在着一定的缺陷，都是以光学显微镜进行观察，磁场强度相对较小，长时间工作产生大量的热，影响周围环境的温度，不利于磁流体的微观结构与磁场关系的实验研究。
因此，本发明设计了一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置，能动态的对磁流体的微观结构与磁场关系进行研究，可以产生两种方向的磁场，长时间的稳定的提供较大的磁场而不影响周围环境的温度，以提高是实验的可靠性和实验结果的准确性，保证实验的科学性。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的目的在于解决现有研究磁流体的微观结构与磁场关系的实验装置存在的一些问题，在成本相对较低的情况下，提出了一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置，能够动态的观察磁流体的在磁场作用下的微观结构变化及其所引起的光学特性的变化，能提供垂直和平行于观察样本的两种磁场，并且能长时间提供较大的磁场，而不影响周围环境的稳定，保证在样本观察空间中温度的相对恒定。
（二）技术方案
为了达到上述目的，本发明提出一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置，该实验装置由视频光学显微镜1、双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2、底光源支架3、计算机4、可编程电源5、光源6、水冷液循环散热装置7、变压器油循环散热装置8、高斯计9组成；双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置是由内筒23，线圈24，左密封块21a，右密封块21b，以及上挡板20a和下挡板20b组成，其特征在于：内筒23中有内循环空间27；线圈24，左密封块21a，右密封块21b之间形成外循环空间26；两侧分别由上挡板20a和下挡板20b密封；内循环水冷液从入口25a进入，在内循环空间内高速流动，并由出口25b流出，经水冷液循环散热装置7进行散热；同时外循环的变压器油是由入口29a流入，并由出口29b流出，经变压器油循环散热装置8进行散热；底光源支架3上有观察托盘30，承载板31，支撑筒32，承载板固定螺栓33，软光纤固定管34，锁紧螺母35，支撑平板36，软光纤口37组成；光源6通过软光纤12将光路导入通过底光源支架3中支撑筒32下方的软光纤口37插进软光纤固定管34中并用螺栓固定，适当调节软光纤12的出射端面与观察托盘30的距离以利于观察；底光源支架3中的左、右两个承载板31上分别放置一个双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2，调整承载板31使两个双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2达到两装置间的中心间距为其线圈直径的一半，以达到平行于磁流体样本的匀强磁场的产生，然后使用承载板固定螺栓33固定好承载板31；通过高斯计9可以实时的了解磁场的大小；使用视频光学显微镜1移动到底光源支架3的观察托盘30的正上方后调整焦距即可实现观察；同样利用底光源支架3和一个双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2可以产生一个垂直于磁流体样本的磁场，可实现对多种磁场方向下磁流体的微观结构的研究。
上述方案中，所述的一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置的视频光学显微镜是由CCD摄像头、高倍单筒显微镜、显微镜支架组成，其特征在于：高倍单筒显微镜的物镜为100X平场消色差物镜，齐焦距离为95mm，工作距离为12.5mm，焦距长为2mm。
上述方案中，所述的一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置的显微镜支架，其特征在于：显微镜支架的移动行程可达253mm，以提供足够的行程来设置底光源支架3和双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2。
上述方案中，所述的一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置的双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2，其特征在于：内部的线圈24均采用耐高温漆包线绕制，耐温180℃，线径1.4mm，绕制750圈；其循环空间的入口、出口方向与环形空间相切，冷却液在其中螺旋状单向流动；其中循环空间包括内循环空间和外循环空间的水冷液分别为冷却液、变压器油。
上述方案中，所述的一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置的底光源支架，其特征在于：该支架由有机玻璃制成，容易实现安装，可以实现两种方向的磁场来研究磁流体的动态微观结构与磁场的关系。
上述方案中，所述的一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置的软光纤，其特征在于：软光纤的有效直径为6mm，长为800mm。
（三）有益效果
本发明的一种用于研究磁流体的微观结构与磁场关系的实验装置，有以下几个方面特点：
1. 实现对磁流体的微观结构与磁场关系的动态研究；
2. 温度恒定，磁场较大，能够长时间的使用而不对周围环境的温度产生太大的影响；
3. 能够提供两种方向的磁场，一种为平行于磁流体样本，另外一种为垂直于磁流体样本；
4. 为磁流体样本提供足够空间，操作灵活，而不影响观察。
附图说明
本发明共有8幅附图。其中：
附图1是本发明的简要的立体结构图；
附图2是本发明的双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置的立体结构图，其虚线箭头为水冷液的循环方向；
附图3是本发明的双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置的剖面侧视图，其中虚线箭头为变压器油的循环方向；
附图4是本发明的双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置的仿真图；
附图5是本发明的底光源支架的立体结构图；
附图6是本发明的垂直于磁流体样本的磁场施加安装结构图；
附图7是使用本发明装置研究磁流体与平行磁场作用下的磁场关系的实验图；
附图8是使用本发明装置研究磁流体与垂直磁场作用下的磁场关系的实验图。
图中：1、视频光学显微镜，2、双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，3、底光源支架，4、计算机， 5、可编程电源，6、光源系统，7、水冷液循环散热装置，8、变压器油循环散热装置，9、高斯计，10、高斯计探头，11、导线，12、软光纤，13、散热管，20a、上挡板，20b、下挡板， 21a、左密封块，21b、右密封块，23、内筒，24、线圈，25a、水冷液流入口，25b水冷液流出口，26、外循环空间，27、内循环空间，28、内部空气空间，29a、变压器油流入口，29b、变压器油流出口，30、观察托盘，31、承载板，37、支撑筒，33、承载板固定螺栓，34软光纤固定管，35、锁紧螺母，36、支撑平板，37、软光纤口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明的具体结构、原理以及操作进一步的详细说明。
为了达到上述目的，本发明提出一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置，该实验装置由视频光学显微镜1、双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2、底光源支架3、计算机4、可编程电源5、光源6、水冷液循环散热装置7、变压器油循环装置8、高斯计9组成。
本发明综合考虑设备成本以及对磁流体的微观结构研究的迫切需要，本发明如图1所示，使用了视频光学显微镜1来实现对磁流体的微观结构与磁场关系的动态研究，该视频显微镜选用了CCD摄像头、高倍单筒显微镜，尤其使用了100X的超长工作距离的平场消色差物镜，工作距离可达到12.5mm，保证高分辨率的同时还增加磁流体样本的放置空间使得磁流体在样本在制作中更加容易，并可在不同磁场的情况下实时观察和采集磁流体的微观结构的影像。
由于使用了高倍单筒显微镜进行观察磁流体，需要使用透射式的光源，因而强度要求相比普通单筒显微镜使用情况下要求更高，光能量需要更大，一般的散射光源无法实现，因此使用了光源6经由软管光纤12将光通过底光源支架3引入到磁流体样本的正下方为观察提供底光源，也就是提供透射式光源，此时就需要用到设计的底光源支架3。如图1和图5所示，该底光源支架3能够将光源引入到磁流体样本的正下方，并且承载板31上承载了双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2，通过承载板31可在支撑平板36上实现两双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2之间的距离的调整，并通过承载板固定螺栓33将承载板31拧紧固定在支撑平板36上，并通过锁紧螺母35和支撑平板36中的螺纹来调节软光纤固定管34的长度和观察托盘30的高度。
本发明中的双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置，能产生垂直和平行于磁流体样本的两种磁场。为了产生水平方向的均匀磁场，如图1所示的双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2，需要一对完全相同的线圈同轴放置。将两个线圈通以同向电流时，磁场叠加增强，并在一定区域形成近似均匀的磁场；在中心间距等于线圈半径的时候，其两同轴的中点附近的磁场可以由下式给出：
（1）
其中，μ 0 是真空磁导率，n为线圈匝数，I为线圈中电流，R是线圈半径，由（1）式可以看出，在两线圈中点附近较大范围内磁场可以看做近似均匀。其具体结构如图2所示，首先内循环水冷液从水冷液流入口25a进入，在内循环空间内高速流动，增加热交换量，同时由水冷液流出口25b流出。循环空间为环形结构，因而在液体流动过程中不存在90°以上转角，根据流体力学原理，该结构最大限度的避免了湍流，紊流的产生，而当流体形成湍流时，阻力大流量小，能量耗损增加。因而该装置在不增加能耗的前提下，提高了水冷液的流动速度，也就是换热效率，是系统的散热功率进一步增大。水冷液流出，再与外部水泵及散热设备相连，达到降温的目的。 外循环的变压器油是由变压器油流入口29a流入，变压器油流出口29b流出，使用的流动方式与内循环一致，也是在外循环空间中旋转流动，同时直接与发热线圈相接触。其流动时产生的湍流，紊流取决于线圈绕制的平滑程度。该装置在水冷液流出口25b上方及水冷液流入口25a下方设置了一个G1/4接头的预留孔，用于安装温度传感器，安装上温度传感器即可对内循环中的温度进行检测，达到最终的控温目的。线圈24绕制在内筒23的外壁上，如图3所示，内筒内部含有内循环空间27。线圈24绕制完成后，左密封块21a，右密封块21b，以及上挡板20a和下挡板20b均通过铝焊安装在线圈周围，进行密封的同时增加了热传导效率。为了保证装置的密封性良好且便于制作，线圈的两段接头由变压器油流入口29a引入，变压器油流出口29b引出。根据该装置的结构设计，使用Comsol软件进行仿真，得到如图4的磁场分布图，图中在9A/mm2的电流密度下，磁场中心区域的强度达到了500高斯以上，且均匀度良好，其中看到单个双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2时，在保持同样均匀度的同时其磁场强度更大。实际制作过程参数如表1所示。
实际装置使用中，在双回路冷却的情况下，通电线圈采用9A恒流工作，中心产生均匀磁场超过500高斯。连续使用2小时之后，线圈温度达到平衡温度约60℃，线圈允许最高温度180℃。
表1 线圈参数
如图6所示为垂直于磁流体样本的磁场设置方式，这时只需一个双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2即可实现高均匀度、长时间恒温的大磁场，将双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置2的内筒23套进观察托盘30上，并由两承载板31支撑着，这样放置到视频光学显微镜的正下方便可实现垂直于磁流体样本的磁场，并且产生的磁场强度比平行于磁流体样本的磁场设置情况要大。
如图7为EMG905磁流体在本发明装置下所得到的图片，从图片中能看出磁流体样本在平行磁场作用下，磁场由0Gs变化到130Gs的过程中，磁流体随着磁场的大小，逐步形成链状団簇，并且随着磁场强度的增加，链状団簇的长度也随之增长。如图8所示在垂直于磁流体的磁场作用下，观察到在无磁场和由磁场的情况下，磁流体的団簇变多变密，并趋向六边形结构。这些都有效证明了本发明装置能够很好的动态研究磁流体的微观结构与磁场之间的关系。
Claims (5)
1.一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置，该实验装置由视频光学显微镜(1)、双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置(2)、底光源支架(3)、计算机(4)、可编程电源(5)、光源(6)、水冷液循环散热装置(7)、变压器油循环散热装置(8)、高斯计(9)组成；所述的双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置(2)是由内筒(23)，线圈(24)，左密封块(21a)，右密封块(21b)，以及上挡板(20a)和下挡板(20b)组成，其特征在于：内筒(23)中有内循环空间(27)，线圈(24)，左密封块(21a)，右密封块(21b)之间形成外循环空间(26)，两侧分别由上挡板(20a)和下挡板(20b)密封，内循环水冷液从入口(25a)进入，在内循环空间内高速流动，并由出口(25b)流出，经水冷液循环散热装置(7)进行散热，同时外循环的变压器油是由入口(29a)流入，并由出口(29b)流出，经变压器油循环散热装置(8)进行散热；所述的底光源支架(3)上有观察托盘(30)，承载板(31)，支撑筒(32)，承载板固定螺栓(33)，软光纤固定管(34)，锁紧螺母(35)，支撑平板(36)，软光纤口(37)组成，光源(6)通过软光纤(12)将光路导入通过底光源支架(3)中支撑筒(32)下方的软光纤口(37)插进软光纤固定管(34)中并用螺栓固定，适当调节软光纤(12)的出射端面与观察托盘(30)的距离以利于观察；底光源支架(3)中的左、右两个承载板(31)上分别放置一个双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置(2)，调整承载板(31)使两个双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置(2)达到两装置间的中心间距为其线圈直径的一半，以达到平行于磁流体样本的匀强磁场的产生，然后使用承载板固定螺栓(33)固定好承载板(31)；通过高斯计(9)可以实时的了解磁场的大小；使用视频光学显微镜(1)移动到底光源支架(3)的观察托盘(30)的正上方后调整焦距即可实现观察；同样利用底光源支架(3)和一个双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置(2)产生一个垂直于磁流体样本的磁场，进而实现对多种磁场方向下磁流体的微观结构的研究。
2.如权利要求1所述的一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置，其特征在于：所述的视频光学显微镜(1)是由CCD摄像头、高倍单筒显微镜、显微镜支架组成，高倍单筒显微镜的物镜为100X平场消色差物镜，齐焦距离为95mm，工作距离为12.5mm，焦距长为2mm，显微镜支架的移动行程可达253mm，以提供足够的行程来设置底光源支架(3)和双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置(2)。
3.如权利要求1所述的一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置，其特征在于：所述的双回路液冷的恒温均匀磁场发生装置(2)，内部的线圈(24)均采用耐高温漆包线绕制，耐温180℃，线径1.4mm，绕制750圈；其循环空间的入口、出口方向与环形空间相切，冷却液在其中螺旋状单向流动；其中循环空间包括内循环空间和外循环空间的水冷液分别为冷却液、变压器油。
4.如权利要求1所述的一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置，其特征在于：所述的底光源支架(3)是由有机玻璃制成。
5.如权利要求1所述的一种用于研究磁流体微观结构与磁场关系的实验装置，其特征在于：所述的软光纤(12)的有效直径为6mm，长为800mm。
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