Содержанке
2
стр
Введение..........................................................3
Глава 1 Литературный обзор
1.1 Общие сведения о магнитных коллоидах.........................9
1.2 Поведение капли магнитной жидкости во внешних полях ... 21
1.3 Получение и исследоваь-ие эмульсий магнитной жидкости . . 30 Глава 2 Динамика формы капли магнитной жидкости в
магнитном и электрическом полях
2.1. Объект исследований ......................................... 38
2.2. Методика исследования динамики формь: капли МЖ во внешних полях......................................................... 39
2.3 Динамика фермь: капли МЖ во зращающемся магнитном поле...........................................................44
2.4 Динамика формы капли МЖ во вращашемся магнитном и стационарном электрическом полях...............................56
2.5 Динамика формы капли магнитной жидкости во вращающемся и стационарном магнитных полях.....................69
Глава 3. Магнитные эмульсии и их макроскопические свойства
3.1 Эмульсии на оснозе магнитной жидкостей........................83
3.2 Экспериментальные установки и методики исследования сзойств магнитных эмульсий ................................... 88
3.3. Магнитные свойства магнитных эмульсий........................95
3.4 Свойства эмульсий с магнитной жидкостью в качестве
дисперсионной среды ......................................... 104
Заключение.......................................................117
Список литературы ............................................
ВВЕДЕНИЕ
3
Актуальность проблемы. Магнитные жидкости - мелкодисперсные коллоиды ферро- и ферримагнетиков к настоящему времени хорошо изучены. Многолетний повышенный интерес к магнитным жидкостям и синтезированные на их основе разнообразные средам со стороны теоретиков и экспериментаторов, перспектива их широкого применения привели к тому, что наука о них выделилась в самостоятельную область. ОС этом говорит все возрастающее количество научных школ и публикаций по этой теме. Магнитные жидкости и синтезированные на их основе среды на или широкое применение при контроле полей рассеяния магнитных головок и
магнитных лент в приборостроении, при заполнении многоступенчатых магнитожидксстных уплотнений в машиностроении, для очистки загрязненных нефтью водоемов, при направленной транспортировке лекарств в медицине и других областях. При этом, ряд научных и прикладных проблем магнитных коллоидов связан с исследованиями равновесных форм ограниченных объемов (макро- и микрокапель) таких сред при зоздейстзии на них как стационарных, так и
изменяющихся во времени и в пространстве электрических и
магнитных полей. Особый интерес представляют исследования вращающихся объемов магнитных жидкостей в электрическом и
магнитном полях, в связи с перспективами моделирования на основе их результатов форм вращающихся небесных тел. Не которые эффекты, наблюдающиеся в магнитных. коллоидах и их приложение, непосредственно связаны с наличием в них. микрокаг.ельных образований, с более высокой концентрацией магнитной дисперсной фазы. Это привело к необходимости искусственного создания магнитных жидкостей с хорошо развитой микрокапельной структурой, а также непосредственно магнитных эмульсий, в которых магнитная
4
жидкость гложет играть как роль диспергированной фазы, так и дисперсионной среды. Несмотря на перспективность применения таких сред, их физические свойства к настоящему времени изучены недостаточно. Таким образом, в настоящее время актуальными являются исследования динамики фор^ы отдельно взятой капли магнитной жидкости, устойчивости и ее потере при воздействии на нее вращающихся и стационарных магнитных и электрических полей. Креме того, несомненный интерес представляет также изучение и ансамблей капель магнитных жидкостей (магнитных эмульсий), в частности их электрических и магнитных свойств. Результаты исследований в этом направлении могут иметь как чисто научное, так и практическое значение.
Целью настоящей работы является изучение динамики и условий устойчивости формы отдельной взятой капли магнитной жидкости, вращающейся в электрическом и магнитном полях, а также исследование электрических, магнитных и структурных свойств ансамблей микрокапель магнитной жидкости - магнитных эмульсий.
Научная новизна диссертации состоит в следующем.
Впервые экспериментально исследована динамика и характер изменения формы капли магнитной жидкости, условия потери ее устойчивости во вращающемся магнитном при дополнительном воздействии стационарных электрического и магнитного полей. Установлено, что вс вращающемся магнитном поле при наличии дополнительного воздействия со стороны электрического поля деформация капли с увеличением частоты поля гложет как увеличиваться с достижением разрыва капли, так и уменьшаться вплоть до стягивания первоначально деформированной капли в форму, близкую к сферической.
Исследованы электрические и магнитные свойства многофазных жидких намагничивающихся ссед - магнитных эмульсий, связанные с
5
прсисходяиз>о.с1 под воздействием магнитного поля процессами структурсобразозания. Определен вид функциональных зависимостей магнитной восприимчивости магнитной эмульсии с магнитной жидкостью в качестве диспергированной среды от температуры и концентрации микрокапель. Исследованы структурные и электрические свойства эмульсий с магнитной жидкостью в качестве дисперсионной среды. Показано, что в магнитном поле диэлектрическая восприимчивость таких сред становится тензорной величиной.
Практическая ценность диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования динамики формы капель магнитной жидкости, а также электрических и магнитных свойств их ансамблей (эмульсий) представляют самостоятельный научный интерес и вносят вклад в развитие теории межфазных явлений на границе жидких намагничизаюпихся сред.
Обнаруженные особенности изменения формы вращающейся капли магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях могут быть использованы для прогнозирования работоспособности устройств и установок, в которых используются ограниченные объемы магнитной »идкости.
Полученные результаты исследования электрических и магнитных свойств эмульсий, синтезированных на основе магнитных жидкостей, могут служить основой для совершенствования методов магнитной дефектоскопии, контроля работы различного рола устройств, в которых под воздействием внешних воздействий может происходить эмульгирование используемой магнитной жидкости, а также создания элементов с управляемыми с немощью магнитного поля электрическими параметрами.
6
Автор защищает:
• экспериментальные результаты исследования динамики и характера изменения формы капли магнитной жидкости, условия потери ее устойчивости во вращающемся магнитном при дополнительном воздействии стационарных электрического и магнитного полей;
• результаты исследования структурных и магнитных свойства многофазных жидких намагничивающихся сред -магнитных эмульсий;
• экспериментальные результаты исследования и теоретическое обоснование обнаруженных особенностей структурных и электрических свойств эмульсий с магнитной жидкостью в качестве дисперсионной средь: и сделанный на их основании вывод о том, что в магнитном поле диэлектрическая восприимчивость таких сред становится тензорной величиной.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 111 наименований. Материал диссертации содержит 131 страницу, 37 рисунков.
Во введении обоснована актуальность разрабатываемой тег*ы, сформулированы цель работы и основные положения, Еыносимые на защиту.
Первая глава носит обзорный характер. В ней проведен анализ работ, посвященных основным свойствам магнитных жидкостей. Обращено внимание на работы, посвященные межфазным явлениям в магнитных жидкостях, в частности, поведению капли магнитной жидкости во внешних полях. Кроме того, рассмотрены имеющиеся в литературе сведения о
7
физических свойствах и перспективах применения созданных на основе магнитных жидкостей магнитных эмульсий. Глаза закончена анализом проведенного литературного обзора и постановкой задач, решаемых в диссертации.
Во второй главе описан объект исследования, методика и экспериментальные установки для изучения поведения капли магнитной жидкости во внешних полях. Приведены результаты исследования динамики формы капли МЖ во вращающемся магнитном поле без и при дополнительном воздействии стационарных электрического и магнитного полей.
В третьей главе приведены результаты изучения физических свойств системы (ансамбля) магнитных капель, способных взаимодействовать между собой в результате приобретения ими магнитных или электрических моментов при воздействии внешних полей. Наибольшую устойчивость такие системы получают в случае микронных размеров капель, взвешенных в несмешивающейся с ними жидкой среде, получившие название магниточувствительные (магнитные) эмульсии.
3 заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
Личньй вклад соискателя представляет следушее: планирование экспериментальных исследований, разработка основных экспериментальных установок для изучения поведения капли магнитной жидкости во внешних полях. Лично автором или при его участии синтезированы все образцы исследованных магнитных эмульсий, проведен их гранулометрический анализ, проведена основная часть экспериментальных исследований, а также обсуждение и интерпретация основных результатов экспериментальных
8
исследований, разработаны методики и проведены все представленные в диссертационной работе расчеты.
Основные результаты работы опубликованы в 16 научных трудах. Они были представлены в качестве тезисов и докладов на: международной научно-технической конференции «Актуальные проблем фундаментальных наук», Техносфера-информ- 1994; на ХЫ1 научно-методической конференции «Университетская наука - региону в апреле 1997г в Ставрополе; на 8-ой Международной конференции по магнитным жидкостям в Румынии 29-30 шаля 1998 года; на ХЫИ научно-методической конференции «Университетская наука - региону» в апреле 1998г в Ставрополе; на 8-ой Международной Плесской конференции по магнитньм жидкостям в сентябре 1998 пода; на XXIX научно-технической конференции в Ставрополе в 1999 г.; на ХЫХ научно-методической конференции в Ставрополе в 1999 году; на 9-ой Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям в сентябре 2000 пода; на 1-ой Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе» в Ставрополе в 2001 году; на 9-ой Международной конференции по магнитным жидкостям в городе Бремене в июле 2001 года.
Результаты работы также опубликованы в журналах: "Магнитная гидродинамика", "Коллоидный журнал", "Вестник СГУ".
Основные результаты и выводы диссертационной работы получены и сформулированы лично автором.
9
Глава 1 Литературный обзор.
1.1 0б1цие сведения о магнитных коллоидах
В 60 -7 Ох годах 20 века внимание ученых привлекли
уль традисперсные композиционные материалы, получившие позже название - магнитные жидкости.
Магнитные жидкости (МЖ) - это высокоустойчивые
коллоидные растворы твердых магнитных материалов в
различных жидкостях-носителях, их свойства определяются
содержанием твердой магнитной составляющей, которая может достигать 25 объемных процентов. МЖ представляют собой
ззвесь однодоменных микрочастиц ферро- и ферромагнетиков в жидкой немагнитной среде {керосине, воде, толуоле, минеральных и кремнийорганических маслах и.т.п.). В качестве магнетика используется высоколисп ерсн ое железо, ферромагнитные окислы Ге^О?, Ге30.;, ферриты никеля, кобальта. Дисперсные частицы, вследствие малости их размеров (около 10 нм), находятся в интенсивном броуновсксм движении. Агрегативная устойчивость коллоидных систем с магнитными частицами обеспечивается
адсорбционными слоями, препятствующими сближению частиц на такие расстояния, при которых энергия притяжения будет больше, чем разупорядочивахшая энергия теплового движения. С этой целью, т.е. для устойчивости по отношению к укрупнению частиц вследствие их слипания, в коллоид вводится определенное количество
стабилизатора - поверхностно-активного вещества (ПАВ). Как правило, в качестве ПАВ используют вещества, состоящие из
полярных органических молекул, которые и создают на поверхности
10
дисперсных частиц адсорОиионно-соль Еатньге слои. В качестве стабилизатора чаще всего используется олеиновая кислота.
Магнитные жидкости сразу же вызвали огромный интерес у ученых, так как они обладают уникальными свойствами сохранять однородность в течение многих лет и иметь в жидком состоянии сравнительно высокие магнитную восприимчивость и намагниченность насыщения, что позволяет широко использовать их в технике и современных технологиях. Основным средством управления магнитными жидкостями является магнитное поле. Например, с помощью воздействия на них. неоднородного магнитного поля можно достичь объемных пондеромоторных сил, на несколько порядков превыиаюших силу тяжести. Эти силы используются в магнитожидкостных сепараторах, датчиках ускорений и т.д. Вследствие возможности локализации МЖ полем были разработан-ы магнитожидкостные уплотнения, управляемые смазочные материалы,
магниточувствительные жидкости дня дефектоскопии и др. На практике применяются самые разнообразные магнитные жидкости, среди которых следует выделить МЖ на основе минеральных масел и кремнийорганических сред. Вязкость таких магнитных жидкостей {при намагниченности насыщения 20-40 кД/м) может достигать величины 10' Па*с, поэтому их иногда идентифицируют с магнитными пастами. Для нужд медицины разрабатываются МЖ на пищевых растительных маслах. На основе магнитных жидкостей учеными получены такие вещества как магнитные эластики, магнитные пасты, магнитные аэрозоли, магнитные эмульсии и т.д. Можно выделить следуксдае области применения магнитных жидкостей и веществ, синтезированных на их основе:
1. Визуализация доменной структуры магнитных материалов и при магнитной дефектоскопии.
11
2. Герметизация вакуумных вводов вращательного движения в течение длительного времени /1-3 года/ без замены рабочей жидкости.
3. Разделение материалов по плотности в градиентном магнитном поле с точность» до 50кг/м, причем материалы могут иметь плотность до 23000кг/м3.
4. Ультразвуковая дефектоскопия сварных швов, литья в качестве иммерсионной среды.
5. В качестве магнитоуправляемого рентгеноконтрастного средства при рентгенографическом исследовании полых немагнитных объектов, в том числе и полых органов человека.
6. Создание эффективных кровоостанавливающих средств и кровоостанавливающих, антибактериальных перевязочных материалов и раневых покрытий, предназначенных для обычной практики и для применения в медицине катастроф, экстренной и военно-полевой хирургии.
7. Регулируемый местный нагрев тканей и органов в высокочастотном электромагнитном поле при лечении онкологических и других заболеваний.
Намагниченность концентрированных магнитных жидкостей может достигать ЮС кА/м в магнитных полях напряженностью 10 А/м при сохранении текучести МК. Магнитная восприимчивость магнитных жидкостей на несколько порядков выше, чем у гомогенных парамагнитных жидкостей и достигает значения 10-15. Ее величина зависит от размера частиц и их объемной концентрации. Однако, увеличение размера частиц ограниченно из-за возможности слипания частиц за счет их большого магнитного момента или нарушения условия однодсменнссти. Поэтому, з устойчивых коллоидах обычно размер частиц не превыиает 10-15 нм. Максимальная концентрация
- Київ+380960830922