用磁体阵列进行聚合物磁浮试验外文翻译资料

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用磁体阵列进行聚合物磁浮试验

摘要：标准的磁悬浮（MagLev）装置是由两块相同的方形永久磁铁组成，两极相向，极相互对峙。但是受限于永磁体的尺寸，标准磁悬浮装置无法承担大尺寸样品的悬浮。为了实现大尺寸样品的悬浮。本文提出了一种新型的(MagLev)磁悬浮装置，使用磁铁阵列来代替原有的磁悬浮方式。本文提出的一种新的(MagLev)装置，是使用磁铁阵列来代替整个永久磁铁，这是一种很有前途的方法，用来构建大规模样品的装置。这种方法与使用N极和S极交替排列的磁铁阵列不同。阵列中的所有磁铁都在同一方向。磁铁之间存在着排斥力，所以需要一个特定的夹具来固定它们。磁铁阵列产生的磁场与标准磁铁的磁场相似。在磁铁阵列装置形成的磁场中，聚合物可以被浮动到顺磁溶液中的平衡位置。顺磁溶液中的平衡位置，悬浮高度与它的密度有关。根据模拟结果，可以得到密度和悬浮高度之间的方程式。不同浓度的溶液被用来测量不同密度的。所提出的方法可以测量所有种类的聚合物，精度为准确度为plusmn;0.0003 g/cm3。非破坏性测试可以通过聚合物部件的悬浮姿态来实现。通过高分子材料的悬浮姿态来实现非破坏性测试。磁铁阵列的使用避免了制造大型磁铁的麻烦，使其有可能实现对聚合物的测试。从而实现了大尺寸聚合物的检测和磁悬浮检测的工业化。

1. 简介

聚合物的密度测量和质量控制在科学研究和工业生产中非常重要。物理[1-4]和化学[5-8]聚合物的变化总是伴随着密度的变化。而聚合物样品的内部缺陷可以始终反映在密度分布的不均匀性上。因此，密度可以用来判断聚合物是否有变化以及聚合物产品是否合格。磁性具有在非接触控制方面有很大的优势[9-11]，而且容易调整[12-14].因此，磁学被广泛用于蛋白质检测[15]、疾病诊断[16]，等等。磁悬浮（MagLev）方法可以有效地实现密度测量。与其他测量方法相比,如密度梯度法和密度计法相比[17-19]，磁悬浮法更快、更敏感、更便宜、更容易操作。[20,21]。标准的MagLev测试装置有两个永久的NdFeB磁铁，它们以一定的距离[22,23]相互对立。一个装有顺磁性溶液的容器被放置在两块磁铁之间。顺磁物体会受到设备中的顺磁力的影响和器件中的顺磁力的影响，并且该物体可以在一个平衡的位置上被悬浮起来，达到平衡位置。物体的悬浮高度与密度有关。因此，物体的密度可以通过其悬浮高度精确获得。对于MagLev测试方法，其优点是高精度、高灵敏度，以及测量微小物体密度的可行性。由于MagLev测试方法具有高精度、高灵敏度和测量微小物体密度的可行性，它已被广泛地应用于基于密度的食品和水的测试[24]。、法医证据[25]、裂缝标准物质的密度分布[26]、和药物[27]。关于优化MagLev装置的研究的装置我们也进行了研究，以获得更好的特性。为了获得适当的灵敏度和检测范围，我们改变了两块不同磁铁之间的距离。通过增加两个磁铁之间的距离，来获得更高的灵敏度。通过减少距离可以获得更大的检测范围。[28].我们找出不同的介质，用于适应不同种类的的样品[29]。为了提高操作的便利性，轴向的磁铁[30-32]被用来代替方形磁铁。小条形磁铁也被应用于MagLev测试方法，以实现对疾病的诊断。MagLev方法可用于缺陷诊断[23,33]。非破坏性测量[34,35]、非破坏性质量控制[36,37]和聚合部件的表征[38]。非接触定向测定[39-41]和不同聚合物的分离[42,43]可以通过磁悬浮实现。用磁悬浮方法检测的聚合物的尺寸取决于磁铁的大小[44,45]。然而，大型磁铁的制造过程是非常困难和昂贵的。因此，由MagLev检测装置检测的聚合物样品的尺寸是有限的。

在这项研究中，我们制造了一个用于聚合物测量的磁铁阵列装置，以探索一种可能的方式来克服MagLev装置的限制。磁铁阵列中的每块磁铁都具有以下优点：体积小、易于制造和价格低。一个带有磁铁阵列的装置阵列的装置，并通过实验证实，磁铁阵列和整个磁铁阵列都是在40毫米的距离内进行的。同时，磁铁阵列和整个单一磁铁可以实现类似的功能。该方程是由模拟结果得出的该方程由模拟结果得出，并通过对几组标准密度珠的测量进行了验证。进行了几个聚合物材料和聚合物部件的实验来验证所提出的方法。该磁阵列方法为实现大规模的MagLev测量系统提供了可能性。

1. 实验方法

2.1设备结构

一个MagLev装置需要两块相同的方形磁铁，磁极相向。互相对峙的磁铁[18]。在本文中，两个磁铁阵列，每个阵列由8个相同的N35磁铁组成，尺寸为20*20*10毫米。被用来取代MagLev装置中的集成磁铁。值得注意的是，跟先前研究中报告的已知磁铁阵列相比，与以前的研究[46]不同，本文中使用的磁铁阵列有如图1所示，磁铁的北极在同一方向。(a).该装置的框架是通过3D打印技术制作的

(3DP200CMQ-C)。两个磁铁阵列的距离为40毫米。一个厚度为5毫米的0235钢板被用来固定每个阵列的磁铁。。样品可以在设备中稳定地悬浮起来。在顺磁溶液的帮助下，样品可以稳定地悬浮在设备中。一个透明的容器用来盛放顺磁溶液和样品，以允许通过视觉观察来测量悬浮高度。实验装置的中心线与重力场对齐。

一台数码相机被放置在MagLev装置的前面，以记录实验结果。

2.2理论和方法

有三种力作用于悬浮在装置中的样品上：阿基米德力Ff、重力Fg和反磁力Fg，如图所示图1(b)。反磁力是由磁感应强度的差异和不均匀的磁场造成的。这三种力的方程式如公式（1）~3）所示：

其中Fmag是反磁力，Ff是阿基米德力，Fg是重力。重力，Xs表示样品的易感性，Xm表示顺磁的易感性。Ho（41times;10°N/A-）表示真空的磁导率。

真空的磁导率，V代表样品的体积，B代表磁感应强度，pm代表顺磁介质的密度，ps代表样品的体积。，ps是样品的密度，g（9.8米/秒？）代表由于重力引起的加速度。当样品处于平衡位置时，三个力处于平衡状态，如公式（4）所示。

F F; Fmag = 0 (4)

根据安培分子电流假说，磁场可以被认为是由安培分子电流产生的。可以假定磁场是由磁铁表面周围的等效电流产生的。围绕磁铁表面产生的。在磁铁阵列中，相邻表面的等效电流。在磁铁阵列中，磁铁相邻表面上的等效电流相互抵消。(图1(a)中的黑色箭头)。外侧的其余等效电流表面的其余等效电流在磁铁阵列周围形成一个大的电流圈，这与磁铁阵列产生的等效电流相同。这与相同大小的集成方形磁铁所产生的等效电流相同。磁铁产生的等效电流是相同的。因此，可以得出这样的结论磁铁阵列产生的磁力场与集成磁铁产生的磁力场相等。为了验证这一结论，利用COMSOL对磁铁阵列和集成磁铁的磁场分布进行了模拟。其结果如图2所示。(a)和(b)。很明显，这两个分布是相同的，这表明使用磁铁阵列来形成大型磁铁可能是一种办法来扩大MagLev装置。与普通MagLev装置类似，使用磁铁阵列的装置也可以提供精确的密度测量。结合公式(1)~3），公式。(4)可以被改写为（5），其中（B. V）B可以表示为公式（6）。

图1.实验装置的结构图a) 黑色箭头代表水平方向相邻磁体的等效电流。相邻磁铁在水平方向上的等效电流，这些电流相互抵消。黄色箭头是集成磁铁组的等效电流。蓝色和红色部分代表小磁铁的N极和S极。b) 图中蓝色箭头方向的装置的观察方向。图1（a）中蓝色箭头的方向。Fmag是反磁力。F是阿基米德力。Fg是重力。反磁力、阿基米德力和作用在聚合物上，聚合物被稳定地悬浮起来。(关于本图例中颜色的解释，请读者在阅读时注意。关于本图例中颜色的解释，请读者参阅本文的网络版）。

图2.磁体的等效电流示意图a) 磁铁阵列围绕磁铁阵列的磁感应强度分布。b) 磁体周围的磁感应强度分布c) 磁阵列周围的磁感应强度梯度分布d) 磁体阵列周围的磁感应强度梯度分布。为了使图片更生动，图2(a)和(b)中磁场大于0.4T的区域为红色，而而梯度大于1公斤/秒的区域则为红色。梯度大于1 或小于1 的区域为红色。图2(c)和(d)分别为红色和蓝色。(为了解释图例中的颜色参考，读者可以参考本文的Web版本。)

注意到样品的平衡位置是沿着中心线的。其中Bx=By=0因此，（B. V）B可以写成公式(7)，密度测量的方程式可以表示为公式（8）。

众所周知，普通的MagLev装置使用集成的方形磁铁可以使样品沿中心线稳定地悬浮[21]。A进行了模拟，以证明使用磁铁的装置阵列的装置也可以产生同样的效果。图2(c)显示的是模拟在MagLev装置中水平方向上的Bamp;分布情况使用磁铁阵列。图中的暖色表示B的方向。B. dz B向右，而冷色则有相反的意思。因此，在两个磁铁阵列之间的大部分区域。作用在样品上的Fmag导致样品朝向中心线，这可以确保样品的平衡位置在中心线上。注意到磁铁阵列具有相同的磁通量分布。同时注意到磁铁阵列的磁通强度分布与一个完整的方形磁铁相同，因此可以预测，带有磁铁阵列的MagLev装置的Ba 92的分布与磁铁阵列的分布相同和集成方形磁体的MagLev装置相同。使用单个磁铁的MagLev装置的模拟结果a

证明了这个预测，它呈现的结果与使用磁铁阵列的MagLev装置的结果几乎相同。

使用磁铁阵列的MagLev装置。如图2（d）所示。与标准的MagLev装置相比，使用磁铁阵列的MagLev装置的B, la应该与使用方形磁铁的MagLev装置相同。

使用方形磁铁。然而，根据图2(c)和(d)，这两个装置之间存在着微小的差异。

分布之间的差异。这是由每个小磁铁上的倒角造成的，这导致了阵列上表面的不平整。沿着中心线的磁通强度的测量揭示了这种微小的差异，如图2（e）所示。然而，值得注意的是，沿中心线的磁通强度是线性的。因此，密度计算公式可以得到公式（9）。

1. 结果和讨论

3.1磁铁阵列装置的可行性验证实验

标准密度的玻璃珠的密度测量是通过一个使用磁铁阵列的装置来进行的，以验证理论。通过一个使用磁铁阵列的装置进行，以验证理论上的分析。为了比较，同样的实验也被使用方形磁铁重复实验了。标准密度的标准珠子是从美国密度材料公司购买的。从American Density Materials,Inc.那里购买的，这些珠子是根据美国测试协会规定的方法认证的，使用的是可追溯到国家标准和技术研究所的测量和重量的标准和技术研究所规定的方法进行认证。不同浓度的氯化锰水溶液被用作顺磁介质。密度为1.19g/cm-1.27g/cm³的珠子在不同设备中的悬浮结果显示。如图3（a）和（b）所示。不同特性的顺磁溶液具有不同的Pm和Xm。根据公式(8)，不同种类的溶液会影响悬浮高度的测量。然而，不同的密度结果通过使用不同种类的溶液，可以得到不同精度的密度结果。根据公式（10）。在这些实验中，顺磁介质被选择为MnCl。不溶性的杂质不会影响结果（不溶性的杂质可以沉淀或浮动）。可溶性杂质可以分为磁性杂质和非磁性杂质。根据公式（8），含有磁性杂质的顺磁溶液具有不同的pm和Xm--非磁性杂质只影响顺磁溶液的Pm。非磁性杂质只影响顺磁溶液的Pm。因此，杂质会影响最终的结果。然而，为了防止这种情况，我们使用了纯的氯化锰和去离子水。

去离子水，溶液中没有杂质。结果的准确性可以得到保证。计算和测量的结果都在图3(c)中报告了计算和测量结果。很明显测量结果与模拟结果是一致的。

正如预期的那样，悬浮的高度与珠子的密度成正比。珠子的密度。测量结果与模拟结果有很好的一致性。作为比较，同样的实验是在使用方形磁铁的设备中进行的。在使用方形磁铁的设备中进行了相同的实验。正如在理论分析中所讨论的。

这两个装置的计算公式有轻微的差异，从彼此的差异。结果验证了这一预测。因此，可以得出两个结论。(i)这两个装置具有类似的悬浮能力。这意味着使用磁铁阵列的设备可以承担密度测量，以及使用方形磁铁的设备；(ii)模拟可以很好地再现沿中心线，这可以为密度测量提供一个准确的计算方法使用不同磁铁阵列的装置。此外，还进行了不同介质中标准密度珠的测量，以证明使用磁铁阵列的装置的灵活性。MnCl₂溶液的浓度，图3(d)显示了密度和沥滤之间的相互关系。图3(d)显示了在不同溶液中密度和悬浮高度之间的相互关系。

图3所示。可行性验证实验。a)磁铁阵列的结果。b)方形磁铁的结果。c)实验数据对比图。d)不同浓度的结果。其中点为测量结果，线为图3(c) (d)中理论模型的仿真结果。浓度结果表明，测量结果与仿真结果吻合较好。在一定浓度范围内，试样的悬浮高度与密度成正比，线性的斜率取决于浓度。溶液中顺磁介质浓度越高，密度越大，检测范围越大，灵敏度越低。因此，可以通过改变实验中使用的溶液的浓度来平衡测量的灵敏度和量程。

3,2高分子材料的密度测量

在本节中，使用磁铁阵列的MagLev装置被应用于聚合物材料的密度测量。六种不同的聚合物，包括聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）。热塑性聚氨酯（TPU）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。热塑性聚酯弹性体（TPEE）和聚碳酸酯（PC）。实验中采用了这些材料。根据标称密度，2.00MnCl2水溶液进行制备。材料的悬浮结果显示在图4(a)，实验数据显示在图4(b)。

图4所示。高分子材料的密度测量。a)高分子材料的悬浮结果。b)高分子材料的密度。橙色的聚合物是PLA。红色的聚合物是PLC。蓝色聚合物是TPU。灰色聚合物是PET。绿色聚合物是TPEE。紫色的聚合物是PC。(为了解释图例中的颜色参考，

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