Produkt / Ferrofluid

Ferrofluidtechnik im Überblick

Ein Ferrofluid ist eine magnetisierbare Flüssigkeit, und im Gegensatz zu magnetorheologischen Flüssigkeiten (MRF) die Viskosität nur minimal mit dem Magnetfeld ändert. Sie verhält sich also mit und ohne Magnetfeld wie eine Newtonsche Flüssigkeit. Ein Magnetfeldgradient übt eine Kraft auf die Flüssigkeit aus, die technisch nutzbar ist. Streng genommen handelt es sich eher um eine superparamagentische Flüssigkeit, da Ferrofluide im Gegensatz zu Ferromagnetika keine Hysterese zeigen.
Ein Ferrofluid ist ein stabiles Kolloid aus Nanopartikeln subdomäner Grösse in einer Trägerflüssigkeit. Die Partikel haben einen durchschnittlichen Durchmesser von 10 nm und sind mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, die eine Aglomeration der Teilchen auch in Kraftfeldern verhindert. Diese Oberflächenbeschichtung muss an die jeweilige Trägerflüssigkeit angepasst sein, und muss die Van der Vaals Anziehungskräfte zwischen den Partikeln aufnehmen. Die Kolloidstabilität und die thermische Stabilität sind stark von der Wahl dieser Beschichtung abhängig. Ein typisches Ferrofluid enthält 5% magnetischen Festkörperanteil, 10% Oberflächenbeschichtung und 85% Trägerflüssigkeit.

In Abwesenheit eines Magentfeldes ist die Richtung der Magnetisierung der Partikel im Raum gleichverteilt, und Makroskopisch ist ist keine Polarisation vorhanden.

Wird ein äusseres Magentfeld angelegt so richten sich die Partikel bzw. deren Magentisierung im Feld aus. Wenn alle Partikel ausgerichtet sind spricht man von magnetischer Sättigung. Wird das äussere Magentfeld entfernt, so tritt sofort wieder die gleichverteilung der Richtungen der Magnetisierung der Partikel ein.

In einem Gradientenfeld erfährt das Ferrofluid eine Kraft in Gradientenrichtung. Dadurch kann Das Ferrofluid exakt positioniert und festgehalten werden. Die Kraft die auf das Ferrofluid wirkt ist proportional dem Magnetfeldgradienten und der Sättigungspolarisation des Ferrofluids.

Ferrofluid wird als Teilkomponente in einem technischen System verstanden, in dem es gewisse Spezifikationen erfüllen muss. Die Auswahl des richtigen Ferrofluids hängt von entsprechend vielen Faktoren ab, wie Lebensdauererwartung, Einsatztemperatur, Feuchte etc. Zwei Hauptparameter des Ferrofluids sind zur Anpassung an eine Anwednung in einem gewissen Bereich wählbar: Sättigungspolarisation und Viskosität.

Die Lebensdauererwartung eines Produktes hängt von der Verdampfungsrate des Ferrofluids ab. Auch Dichtungen für Hochvakuuum müssen ein Ferrofluid mit niedrigem Dampfdruck erhalten. Andererseits muss die Trägerflüssigkeit einee Ferrofluids zur Sichbarmachung magnetischer Domänen schnell verdunsten, und dabei muss die Kolloidstabilität versagen, damit die Teilchen agglomerieren.

Die thermische Leifähigkeit des Ferrofluids hängt im Wesentlichen vom Festkörpergehalt ab. Ferrofluide auf Flourkohlenstoffbasis haben die niedrigste Wärmeleitung, weshalb diese für Wärmeleitung ungeegnete Typen sind.

In den Anwendungen kommt Ferrofluid üblicher Weise mit einigen Stoffen in Kontakt. Deshalb ist es unabdingbar, dass die Kompatibilität mit jedem dieser Werkstoffe getestet wird. Die Ferrofluide sind in Anwendungen der Halbleiterindustrie eventuell agressiver Atmosphäre ausgesetzt, Flüssigkeitsnebel in Luft- und Raumfahrtanwendungen oder Schmierstoffdämpfen in Computeranwedungen oder diversen Klebstoffdämpfen bei der Lautsprecherproduktion. Einige Kunststoffe und Überzugsmaterialien können mit ferrofluid in Kontakt kommen. Die Oberflächenstruktur kann ebenso das Verhalten des Ferrofluids beeinflussen. Der Auswahlprozess für das Ferrofluid ist deswegen immer ein Konstruktionsprozess wie für andere Komponenten auch.

Zudem können Ferrofluide hohe Temperaturen von 150°C dauerhaft oder 200°C als Spitzenwert ausgesetzt sein. Winterbedingungen (-20°C) oder Luftfahrtumgebung (-55°C). Ebenso kann es erforderlich sein dass das Ferrofluid radioaktiver Bestrahlung widersteht.

Die thermische Stabilität eines Ferrofluids hängt von der Partikeldichte ab. Die Partikel verhalten sich ähnlich einem Katalysator und erzeugen freie Radikale, die eine Vernetzung der Moleküle auslöst, was zu einer Gelierung des Ferrofluids führt. Je höher die Temperatur desto mehr wird dieser Prozess beschleunigt.

Oxidation ist ein weitzerer Mechanismus der zur Materialalterung beiträgt. Auch hier steigt die Prozessgeschwindigkeit mit der Temperatur. Ferrofluid widersteht hohen Temperaturen unter Luftabschluss (Sauerstoff) wesentlich länger als an freier Luft.

Ferrofluide mit hoher Sättigungspolarisation sind interessant weil sie einen Beitrag zur Flussverbesserung im Spalt liefern können, der zu leichteren oder kostengünstigeren Konstruktionen führen kann. Auch kann Ferrofluid das äussere Streufeld verringern. Die Grenze der für ein Ferrofluid erreichbaren Sättigungspolarisation ist durch die Sättigungspolarisation des Magnetits gegeben.

Zusammenfassen kann gesagt werden, dass Ferrofluid ein einzigartige Materialklasse darstellt. Ferrofluidtechnik ist etabliert und kann die Lösung einer vielzahl technischer Problemstellungen sein. Es gibt viele erfolgreiche Anwendungen dieses Materials, und ein grosses Zukunftspotential.