铁基非晶纳米颗粒增强磁性纳米流体热物性研究

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磁性液体因其独特的热物性在能源、生物医学及电气等领域得到了广泛的应用和研究。Fe304磁性纳米颗粒制备简单、生物相容性和生物可降解性好、且表现出超顺磁性,因此成为磁性液体热物性研究的主要载体。可是受限于Fe304半导体性和亚铁磁性的本征属性,Fe304基磁性液体热物性的提升已接近天花板。因此,需要开辟具有优良热物性的新体系。本研究用化学还原法制备了 FeZrB非晶磁性纳米颗粒,并对制备的工艺进行了系统研究。结果表明,溶剂的添加方法、浓度、温度以及气氛会对产物的形貌、成分、组织、热稳定性以及磁性产生重要影响。不同于铁基非晶条带,我们所制备的FeZrB非晶颗粒表现出更加优异的磁热稳定性,且在晶化过程中磁化强度表现出剧烈的转折:在晶化峰附近磁化强度先迅速跌落、后快速上升。用FeZrB非晶磁性纳米颗粒制备了磁性纳米流体,研究了其在交流磁场下的磁致热效率。在50 kHz、250 Oe的交流磁场下,FeZrB磁性纳米流体(FeZrB MNF)表现出更高的致热速率,其比吸收速率(SAR)约为Fe304磁性纳米流体(Fe3O4 MNF)的2.4倍。通过调节交流磁场的强度,FeZrB MNF的温度可稳定在癌细胞热疗所需区间(42~47℃)。相比于Fe3O4 MNF的驰豫致热,FeZrB MNF的磁致热源于驰豫、磁滞损耗以及颗粒间的相互作用。研究发现FeZrB非晶磁性纳米颗粒提高了磁性纳米流体的热导率。在低浓度下,FeZrB非晶纳米颗粒的加入降低了基液的热导率;随着浓度的增加,FeZrB MNF的热导率先降低、后增加。我们通过瞬态平面热源法和瞬态热丝法证明了磁性液体与探测器间的Kapitza热阻是导致低浓度下FeZrB MNF热导率负增长的原因。2 vol.%FeZrB MNF的热导率提高率达到34.0%,远高于相同浓度下的Fe304 MNF。在外加磁场下,在FeZrB MNF中也观察到了链状结构的存在,但热导率并未发生明显提升。本研究的目的是通过FeZrB非晶磁性纳米颗粒增强磁性液体的热物性,以提高磁性液体的磁致热效率以及热导率,探索非晶磁性纳米颗粒在磁热疗及换热方面的应用潜力。
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