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第25章 磁特性及磁性材料揭秘(3)

奥迪跑车和凯迪拉克等汽车已经使用磁流变技术的减震器。当电压变化引起磁场强度的变化时,会导致磁流变液的黏度发生变化,从而调节减震器的弹力和硬度。它的变化频率可以达到每秒几千次以上。即使路面再起伏不平,车辆行驶起来还是非常平稳。在日本新兴科学国家博物馆和中国洞庭湖桥上都安装了类似作用机理的装置,它们可以抵消由于地震和海啸引起的震动。

磁流变除用于运动减幅,还有更多使人感到惊奇的潜在应用价值。例如,一旦有一天磁流变液流过机器人的“血管”时,就会使机器人的四肢和人一样活动自如。但要实现以上的设想,还有很多问题需要解决。例如,如何控制磁场,使磁流变液中粒子按照人们的要求排列和传递?磁流变液的材料组分也是重要的问题。为了更好地将该技术应用到各个领域中,还需要了解的是关于磁流变液的基本物理学特点。

在地球上,要了解一些物理现象的真正起因是有困难的。因为由于地心引力的作用,物体本质的一些现象被扭曲了。科学家们在这种情况下进行研究,得出的往往是错误的结论。因此,美国的科学家盖斯特和同事们想到将这些液体送到太空中进行研究。在太空微重力的环境下,重力的作用基本消除,就可以了解到这些物理特性的本质了。于是,盖斯特与杰克研究中心的科学家和工程师制定了一项太空磁流变液的研究计划。

磁性液体是一种新型功能材料,顾名思义,它是一种液态的磁性材料。在航空航天、仪器仪表、各种转动密封、减震系统以及红外吸收器件方面都有广泛用途。通常它不显示磁性,只有在外加磁场中才显示超顺磁性。磁性液体从构造方面来说实际是一种磁性超微粒子的溶胶体,磁性超微粒子尺寸在l0nm左右,表面包覆一层界面活性剂分子,能够均匀分散悬浮在某种基液中构成溶胶,固-液浑然一体,即使在重力、离心力、磁力作用下也不互相分离,而是作整体运动。磁性液体是由磁性超微粒子、基液和界面活性剂三者组成的,后两者构成载液。在无外磁场时,由于超微磁性粒子在载液中剧烈的布朗运动,磁矩呈无规则分布。

磁性液体最初是在1965年美国宇航局为解决宇宙服的头盔转动密封问题而研制成功的。当时用磁铁矿石粉放入油液中再加油酸作界面活性剂。此混合物在球磨19天后,经离心分离得到铁氧体型磁性液体。以后研究采用的化学溶液反应法,制取速度大大加快,这是第一代磁性液体产品。1987年日本采用真空蒸发冷凝并经浓缩工艺制法研制成功的金属磁性液体为第二代产品。

综上所述,制取金属磁性液体必须具备两个条件。首要条件是要能制备平均粒径l0nm左右的铁磁性金属超微粒子,这是因为金属与基液油两者的比重相差约9倍时,超微粒子才能克服重力,依靠布朗运动悬浮在基液中;但粒子又不能太小,否则磁性下降太多。制取金属磁性液体的充分条件是要使用界面活性剂来包覆每一个超微粒子,产生位阻效应来阻止超微粒子因巨大表面能而自发地互相团聚的趋势。而磁性液体的饱和磁化强度则取决于磁性微粒子的材料性质及其在载液中的百分含量。

当磁性液体注入扬声器的音圈气隙时,能对音圈的运动起一定的阻尼作用,并能使音圈自动定位,同时音圈所产生的热量可以通过磁性液体耗散,因此加入磁性液体可以提高扬声器的承受功率,在同样结构条件下可使输入功率提高两倍,同时能改善频率响应,提高保真度;利用磁性液体可用做旋转与线性阻尼器;此外还可利用磁性液体的表观比重随外磁场的变化而改变的特点,来筛选比重不同的非磁性矿物。这些都属于传统应用了,此外,磁性液体还在许多新领域内有着广泛的应用前景。如:磁性液体印刷、磁性液体薄膜轴承、磁性液体人工发热器、磁性液体涡轮发电、光学开关、磁性液体刹车等等。近年来,磁性液体在医药中的应用,如对癌症病人的红血球细胞和白血球细胞的磁流体分离、肿瘤的磁栓塞封死治疗、磁流体在人体内受交变磁场的作用产生热量而实现的局部热疗和全身热疗、磁性靶向药物载体、用于视网膜修复手术的硅氧烷磁流体、磁示踪剂以及血流的磁测量等。可以预计,今后还可开拓出更多更新的用途。

八、奔向21世纪的磁悬浮列车

1825年英国人乔治·斯蒂芬森设计的“旅行”号蒸汽机车行驶在斯托克顿至达林顿的铁路上,从此开创了蒸汽机车的新纪元,他本人也被尊为“蒸汽机车之父”。随着科学技术的不断发展,机车的设计制造也在不断进步。原始的蒸汽机车不断改进,内燃机的发明又开创了机车的内燃时代,与此同时还出现了电力机车,使铁路进入了电气时代。交通发展的历史是速度不断提高的历史,也是人类文明不断提升的历史。目前,磁悬浮列车的出现,更使铁路运输发生了一场空前的革命。

磁悬浮铁路是一种新型的陆上交通运输方式,列车在铁轨上由电磁推动和牵引,悬浮在铁轨上行驶,实现了人类陆上飞行的梦想!它无可比拟的优越性在于:更快、更省、更安全。按悬浮方式分类,它主要有两种类型。

(1)常导电磁吸引式(或称EMS式)磁悬浮列车。磁悬浮列车由车上常导电流产生的电磁吸引力,吸引轨道下方的导磁体,使列车浮了起来,再由线电动机驱动前进。这种方式又称“电磁式悬浮”。其技术特点是常导电流比较容易获得,通常由蓄电池或感应式发电线圈等设备产生电流,供给同步直线电动机的转子,不需要高精尖的超导体技术。但由于这种常导系统的电磁吸引力相对较小,列车悬浮的高度约10mm,故控制精度要求很高。这种列车以德国的TR型磁悬浮列车为代表。

(2)超导推斥型(或称EDS式)磁悬浮列车。超导磁悬浮列车由车上强大的超导电流产生极强的电磁场,该电磁场相对线路侧墙上的8字形导电环(线圈)高速移动,使导电环感应出强大的环流,在8字形下半环中形成推斥磁场,上半环中形成吸引磁场,使列车悬浮。这种磁悬浮列车的超导系统电磁力强大,可使列车悬浮100mm,但超导技术相当复杂,并需屏蔽发散的强磁场。这种列车以日本山梨线的MLU型车为代表。此外还有永磁式悬浮型磁悬浮列车等,但没有得到充分的发展。

日本山梨线的超导磁悬浮列车与德国常导磁悬浮列车技术上的重大差别在于悬浮、驱动与导向三大技术中引进了超导技术,其悬浮与导向为EDS制式,即电动推斥式。而驱动方式则与TR型车相同,也用同步直线电动机,但它的转子,即直流励磁线圈,兼有悬浮和导向作用,是一个超导线圈,安装在超导磁悬浮列车的转向架(磁浮架)前后端的两侧。

利用侧墙安装的悬浮兼导向线圈的电磁力特别强大,这是超导磁悬浮列车系统的又一特点,从而可以降低车体高度。以前各种磁悬浮列车的悬浮线圈和电磁铁都是安置在线路的水平面上,悬浮力是垂直向上的。超导磁悬浮列车系统中兼有悬浮和导向两种功能的线圈由8字形线圈构成,在车上超导线圈磁场的高速切割感应下,上半个线圈对车体产生吸力,电流方向相反的下半个线圈则产生推斥力,而使列车悬浮。

目前,磁悬浮铁路的单向试验速度最高已达到500公里/小时以上。因为它在运行时宛如一架飞机贴着地面,沿一定轨道做超低空飞行,所以给予了它“陆上飞行器”的美称。笔者2006年5月,在上海浦东国际机场乘坐磁悬浮列车进入市区,看到铁路两旁房子都变倾斜,犹如进入了一个童话世界!当我坐在磁悬浮列车中,体会着那种因没有机械振动而带来的平稳而舒适的感觉,真是浮想联翩!

由于磁悬浮铁路无机械磨损,因而使维修任务大大减轻。对磁悬浮铁路的维修主要集中在电子技术方面,无需耗费大量的人力和物力资源。磁悬浮铁路以电力作为唯一的能源供应,不排放任何有害气体,十分干净、清洁。磁悬浮列车在行进中没有机械噪声产生,对周围环境的影响较小。磁悬浮铁路的这些优点引起了人们极大的兴趣。

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