Введение к работе
Актуальность проблемы и направление исследований. Магнитные жидкости - это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий текучестью и магнитоуправляемыми свойствами с широкими возможностями применения в технике, биологии, экологии, медицине. В магнитной жидкости необычно сочетаются свойства твердого тела и жидкости, что позволяет управлять магнитным полем её ориентацией в пространстве, вязкостью, намагниченностью, тепловыми, оптическими и акустическими свойствами. Совершенствование технологии синтеза магнитных жидкостей позволило получить высококонцентрированные многокомпонентные дисперсные среды на их основе, а развитие информационных технологий - не только автоматизировать классические методы измерений, но и значительно расширить их возможности. Интеллектуализация и автоматизация методов неразрушающего контроля и диагностики требуют разработки принципиально новых индикаторных сред с управляемыми свойствами. Поэтому разработка и совершенствование магниточувствительных жидкостей, технологий, средств и методов контроля, в том числе автоматизированного и с обратной связью является актуальной задачей.
В последнее время все больше внимания уделяется изучению межфазных явлений, происходящих на границах магнитная жидкость - немагнитная среда и магнитная жидкость - магнитная среда. Научный интерес представляет исследование явления левитации, возникающего при взаимодействии погруженных в магнитную жидкость тел произвольной формы с магнитным полем и с границами раздела. Актуальность исследования и моделирования процесса левитации связана с широким применением этого эффекта в магнитоуправляемых демпферах, высокоточных магни-тожидкостных датчиках угла наклона, магнитных сепараторах и других устройствах. Наличие краевых условий сопряжения на границах магнитно-неоднородных сред осложняет решение задачи левитации для тел произвольной формы, что определяет актуальность как теоретических, так и экспериментальных исследований этого процесса.
Научный и практический интерес представляют межфазные явления на границе раздела слабо и сильно концентрированных фаз, которые образуются в магнитной жидкости под действием межчастичных взаимодействий. Концентрированная фаза в этом случае сосредоточена в микрокапельных агрегатах размером ~ 1 мкм, которые представляют собой капли высококонцентрированной магнитной жидкости с необычно высокими для жидких сред значениями магнитной проницаемости, взвешенными в жидкости слабой концентрации. Изучение статики и динамики деформирования микрокапельных агрегатов в магнитном поле является одним из наиболее информативных и надежных методов исследования сильных магнитных свойств конденсированной фазы, а возможность управления микрокапельной структурой слабым внешним магнитным полем позволяет использовать магнитные жидкости, содержащие микрокапельные агрегаты в качестве датчиков магнитного поля для контроля магнитных полей рассеяния, в частности, в магнитной дефектоскопии.
В данной диссертационной работе изложены результаты исследований, выполненных в 1985 - 2006 годах. Работа выполнялась в соответствии с Координацион-
ными планами АН СССР по направлению 1.3 «Физика твердого тела», постановлением Госкомитета СССР по науке и технике N678 от 21.12.83 г. «О развитии работ по созданию и внедрению в народном хозяйстве оборудования, машин и приборов с использованием магнитных жидкостей», Комплексной программой Минвуза РСФСР на 11-ю пятилетку и на период до 1990г. по проблеме «Магнитные жидкости», планами НИР СевКавГТУ.
Целью диссертационной работы является:
Разработка новых намагничивающихся жидких дисперсных сред с управляемыми межфазными границами, а также методов и моделей для исследования и применения явлений, возникающих на границах раздела намагничивающихся сред.
Реализацию поставленной цели осуществляли путем:
разработки магнитных жидкостей с микрокапельной структурой и легко деформируемыми межфазными границами, у которых величину межфазного натяжения можно менять в широких пределах и исследования их физических свойств;
выяснения механизма и установления основных закономерностей возникновения нестабильностей межфазной границы раздела намагничивающихся сред в ограниченном объеме при изменении коэффициента межфазного натяжения о;
исследования возможности получения, моделирования и применения самоподобных периодических структур в магнитных жидкостях при различных температурах и значениях о;
исследования динамических свойств межфазной границы раздела намагничивающихся сред и установления корреляции между динамикой микрокапельных агрегатов и оптическими свойствами магнитных жидкостей;
исследования явлений, возникающих на границах магнитно-неоднородных сред при погружении в магнитную жидкость тел произвольной формы;
разработки новых практических приложений, основанных на межфазных явлениях.
Научная новизна:
Разработаны новые намагничивающиеся дисперсные среды, представляющие собой магнитные жидкости, содержащие микрокапельные агрегаты у которых коэффициент межфазного натяжения на границе микрокапельный агрегат - окружаю-щая жидкость изменялся в широких пределах от 10" Н/м до 10" Н/м.
Определены предельные значения межфазного натяжения, при которых качественно изменяется поведение микрокапельного агрегата в магнитном поле, как без ограничения растяжения агрегатов стенками контейнеров, так и при развитии неус-тойчивостей межфазной границы в тонких капиллярах и плоских щелях. Установлено, что пороговые топологические нестабильности межфазной поверхности микрокапельных агрегатов возникают в слабом магнитном поле, что позволяет их использовать в качестве датчиков магнитного поля.
Проведено систематическое исследование межфазных явлений на границе раздела намагничивающихся сред при различных значениях коэффициента межфазного натяжения, позволившие установить критическое влияние межфазного натяжения на характер деформации и определить предельное значение величины межфазного натяжения окр=10" Н/м, при котором изменяется характер зависимости удли-
нения от поля. Установлено, что при о
Получены экспериментальные данные по статической деформации микрокапельных агрегатов при различных температурах, показывающие монотонное уменьшение коэффициента межфазного натяжения на границе агрегат - окружающая жидкость для углеводородных магнитных жидкостей типа «магнетит в керосине» с ростом температуры. Получена аналитическая аппроксимация зависимости о от температуры, которая использована для прогнозирования температурной стабильности магниточувствительных датчиков магнитного поля.
Установлено, что с ростом температуры изменяются форма и площадь петли гистерезиса зависимости отношения полуосей микрокапельного агрегата от внешнего магнитного поля: при увеличении внешнего магнитного поля резкий скачок удлинения сохраняется; при уменьшении поля резкий скачок порогового сжатия сглаживается. Установлено, что площадь петли гистерезиса, которая соответствует зависимости удлинения от поля, увеличивается при нагревании от 293 К до 323 К.
Проведено систематическое изучение гексагональной решетки, возникающей в тонких слоях магнитных жидкостей с микрокапельной структурой в постоянном и переменном магнитном поле, перпендикулярном плоскости слоя, позволившее определить предельные значения межфазного натяжения и толщины слоя, при которых многократные разрывы микрокапельных агрегатов приводят к пороговым изменениям периода структуры. Построена модель управляемой гексагональной микрокапельной структуры в тонких плоских слоях магнитных жидкостей, учитывающая зависимость межфазного натяжения от температуры и особенности таких структур в условиях ограничения удлинения агрегатов: неизменность длины агрегата и равенство ее толщине слоя; образование новых агрегатов за счет разрыва имевшихся; изменение размагничивающего фактора за счет искажения формы агрегата. Проведена оценка вклада энергии взаимодействия агрегатов в развитие разрыва во внешнем поле.
Установлено влияние межфазного натяжения на пороговый характер возникновения анизотропного рассеяния света магнитными жидкостями с микрокапельной структурой в слабых магнитных полях порядка 200 А/м и корреляция между деформацией микрокапельных агрегатов и характеристиками анизотропного светорассеяния. Показано, что пороговые удлинения агрегатов сопровождаются пороговым появлением светорассеяния, а гистерезис удлинения является причиной гистерезисно-го характера изменения светорассеяния. Разработана методика и оценена вязкость агрегатов по времени восстановления равновесной формы после выключения магнитного поля.
Впервые исследована деформация микрокапельных агрегатов в переменных магнитных полях низкой частоты от 0,01 до 400 Гц и изучена зависимость проявляющихся при этом гистерезисных эффектов от частоты внешнего поля и коэффициента межфазного натяжения.
9. Впервые исследованы вынужденные колебания микрокапельных агрегатов и сделан вывод о том, что при большой амплитуде колебаний микрокапельные агрегаты приобретают свойства нелинейных динамических систем, для которых характерно: появление высших гармоник и субгармоник; резкое изменение амплитуды колебаний при плавном увеличении внешней силы; более длительное пребывание в удлиненном состоянии, чем в сжатом. Показано, что малые колебания при частоте поля f < 1 Гц носят синусоидальный характер и удовлетворительно описываются соотношениями, полученными для линейных осцилляторов. Установлено, что после резкого выключения внешнего магнитного поля характер восстановления сферической формы микрокапельного агрегата является апериодическим.
10.Впервые решение задачи левитации тел проведено для топологии, когда постоянный магнит и сосуд имеют замкнутую поверхность, представленную множеством прямоугольных граней, каждая из которых перпендикулярна одной из координатных осей. Разработан алгоритм расчета скалярного магнитного потенциала, описываемого уравнением Лапласа в бесконечной области с условиями сопряжения на границах раздела магнитно-неоднородных сред. Алгоритм основан на дискретизации исходной задачи методом конечных разностей на квазиравномерных сетках и модифицирован для применения в рамках реляционной архитектуры. Разработан алгоритм расчета силы магнитной левитации, действующей на постоянный магнит, по известным дискретным значениям скалярного магнитного потенциала, адаптированный к возможностям реляционной архитектуры. Получены данные о распределении скалярного магнитного потенциала и вычислена пондеромоторная сила для задач с различной геометрической топологией. Проведено сравнение полученных результатов с данными физического эксперимента.
11 .Разработаны новые индикаторные среды, которые можно применять в магнитной дефектоскопии, способы, методы и устройства для визуализации и определения полей рассеяния микроскопических намагниченных объектов, магнитных головок, магнитных аудио- и видеосигналограмм, контроля записи информации на магнитный носитель.
12.Разработан и обоснован метод определения магнитной проницаемости вещества //на образцах из сендаста, используемых для изготовления магнитопроводов магнитных головок и имеющих форму иголок, на основе выполненных индукционным методом двух измерений: в воздухе и при погружении образца в магнитную жидкость при одинаковых значениях напряженности внутреннего поля. Разработан алгоритм, позволяющий определять напряженность магнитного поля внутри образца, имеющего форму иголки, и вычислена магнитная проницаемость образцов из сендаста разных размеров, имеющих форму иголок.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны новые магниточувствительные жидкости (А.с.[2]), обладающие высокой чувствительностью и разрешающей способностью, позволяющие визуализировать аудио, видео, цифровые сигналограммы, поля рассеяния магнитных головок и сигналограмм, дефекты ферромагнитных изделий размером как более, так и менее 1 мкм, которые внедрены в производственную практику Вильнюсского конструкторского бюро магнитной записи, п/о «Вильма» (г. Вильнюс), п/о «Маяк» (г. Киев).
Разработан способ определения полей рассеяния магнитных головок (А.с.[1]), использующий в качестве датчика поля, магнитную сигналограмму с намагниченными ячейками. Разработана методика измерения и выявления дефектов полей рассеяния магнитных головок, основанная на воздействии поля исследуемой магнитной головки на периодическую визуализированную сигналограмму.
Установлены закономерности порогового появления нестабильностей микрокапельных агрегатов в постоянном и в переменном магнитном поле, которые позволили предложить новые устройства для контроля магнитных полей рассеяния магнитных головок и сигналограмм (Патенты[29,30]).
Разработаны алгоритмы, которые можно использовать для решения широкого круга задач математической физики, описываемых уравнением Лапласа в неограниченной области с условиями сопряжения на границах физически неоднородных сред (многофазные задачи) и программный комплекс, позволяющий использовать получаемые численные результаты для прогнозирования характеристик устройств и технологических процессов, принцип действия которых основан на явлении магнитной левитации.
Положения, выносимые на защиту:
Способ получения микрокапельной структуры в магнитных жидкостях, позволяющий изменять коэффициент межфазного натяжения на границе раздела высококонцентрированной и слабоконцентрированной фаз на порядок.
Результаты исследования межфазных явлений на границе раздела намагничивающихся сред при различных значениях коэффициента межфазного натяжения и температуры. Положение о критическом влиянии межфазного натяжения на характер деформации и предельное значение величины межфазного натяжения окр=10" Н/м, при котором изменяется характер зависимости удлинения агрегатов от поля: при о <окр деформация носит гистерезисный характер; при о >окр - становится без-гистерезисной. Вывод о том, что начальная стадия деформации микрокапельных агрегатов при различных значениях коэффициента межфазного натяжения и температуры удовлетворительно описывается соотношениями, которые были получены в предположении о том, что форма агрегатов при слабых деформациях соответствует эллипсоидальной. Методику определения магнитной проницаемости fi и межфазного натяжения о микрокапельных агрегатов, основанную на изменении линейных размеров деформированного агрегата в слабом магнитном поле при ограничении его удлинения стенками контейнера.
Положение о корреляции между: скоростью нарастания интенсивности анизотропно-рассеянного света и типом агрегатов (твердые или капельные); деформацией микрокапельных агрегатов в постоянном и переменном поле и характеристиками анизотропно-рассеянного света. Вывод о зависимости значения порогового поля, в котором возникает анизотропное рассеяние света, от межфазного натяжения на границе раздела микрокапельный агрегат - окружающая жидкость. Результаты и методику оценки эффективной вязкости микрокапельного агрегата по спаду интенсивности анизотропно-рассеянного света после выключения магнитного поля.
Результаты экспериментального исследования статической деформации микрокапельных агрегатов при различных температурах, показавшие: монотонное
уменьшение коэффициента межфазного натяжения на границе агрегат - окружающая жидкость для углеводородных магнитных жидкостей типа «магнетит в керосине» с ростом температуры; изменение формы и площади петли гистерезиса зависимости отношения полуосей агрегата от внешнего магнитного поля и длительности нагревания.
Экспериментально установленные пороговые изменения гексагональной микрокапельной структуры в плоских слоях, происходящие за счет многократных разрывов агрегатов в постоянном магнитном поле, перпендикулярном плоскости слоя. Установленные предельные значения межфазного натяжения и толщины слоя, при которых многократные разрывы микрокапельных агрегатов приводят к пороговым изменениям периода структуры. Модель управляемой гексагональной микрокапельной структуры в тонких плоских слоях магнитных жидкостей, учитывающая: зависимость межфазного натяжения от температуры; особенности структур в условиях ограничения удлинения агрегатов, а именно, неизменность длины агрегата и равенство ее толщине слоя, образование новых агрегатов за счет разрыва имевшихся; изменение размагничивающего фактора за счет искажения формы агрегата. Результаты оценки вклада энергии взаимодействия агрегатов в развитие разрыва во внешнем поле.
Выявленные закономерности поведения микрокапельных агрегатов в переменном поле низкой частоты и зависимость проявляющихся при этом гистерезис-ных эффектов от частоты внешнего поля и межфазного натяжения. Положение о том, что при о<10" Н/м и частоте 0,01 - 0,1 Гц деформация носит гистерезисный характер, а при увеличении частоты становится монотонной, безгистерезисной, так же как и в постоянном поле с ростом коэффициента межфазного натяжения.
Положение о том, что в переменном магнитном поле для микрокапельных структур при ограничении объема жидкости в пороговых критических полях характерны: разрывы; вращения расщепленных торцов; колебания вытянутых пленок, причем возникающий волновой процесс в высококонцентрированной фазе в переменном магнитном поле определенной частоты, сохраняет свои характеристики, такие как период и амплитуда в установившемся режиме постоянными.
Методика и результаты впервые проведенных экспериментов по исследованию вынужденных колебаний микрокапельных агрегатов большой и малой амплитуды в переменном магнитном поле. Вывод о том, что при большой амплитуде колебаний микрокапельные агрегаты приобретают свойства нелинейных динамических систем, для которых характерно появление высших гармоник и субгармоник, а также резкие изменения амплитуды колебаний при плавном увеличении внешней силы. Положение о пороговом изменении характера вынужденных колебаний при достижении внешним магнитным полем критической напряженности, при которой микрокапельный агрегат скачкообразно удлиняется, принимая форму иголки. Выявленный апериодический характер восстановления сферической формы микрокапельного агрегата после резкого выключения внешнего магнитного поля. Установленные значения частоты поля f < 1 Гц, при которых можно получить синусоидальные колебания малой амплитуды удовлетворительно описываемые соотношениями, полученными для линейных осцилляторов.
Результаты моделирования процесса восстановления равновесной формы удлиненного микрокапельного агрегата после выключения магнитного поля, позволившие оценить вязкость микрокапельного агрегата.
Результаты экспериментального и теоретического изучения левитации постоянного магнита, помещенного в сосуд с магнитной жидкостью в магнитном поле, для топологии, когда постоянный магнит и сосуд имеют замкнутую поверхность, представленную множеством прямоугольных граней, каждая из которых перпендикулярна одной из координатных осей. Алгоритмы расчета скалярного магнитного потенциала и силы магнитной левитации, основанные на дискретизации исходной задачи методом конечных разностей на квазиравномерных сетках и модифицированные для применения в рамках реляционной архитектуры. Полученные данные о распределении скалярного магнитного потенциала и величине пондеромоторной силы для задач с различной геометрической топологией. Результаты сравнения полученных результатов с данными физического эксперимента.
Оптимальные составы и способы приготовления новых магниточувствитель-ных жидкостей для магнитной дефектоскопии и визуализации магнитных полей рассеяния микроскопических намагниченных объектов, позволяющих визуализировать цифровые, видео- и аудиосигналограммы с уровнем записи -23дБ, определять поля рассеяния магнитных головок с шириной рабочего зазора ~ 1мкм. Способ и устройства для определения напряженности магнитного поля.
Метод определения магнитной проницаемости разомкнутых ферромагнитных деталей, имеющих форму иголки, при котором величина размагничивающего фактора образца исключается из расчетов. Алгоритм, позволяющий определять напряженность магнитного поля внутри образца, имеющего форму иголки, и результаты вычисления магнитной проницаемости сендастовых образцов разных размеров, имеющих форму иголок.
Апробация работы проводилась на: Всесоюзных конференциях по магнитным жидкостям (Плес, 1985, 1988, 1991, 1996); Рижских совещаниях по магнитной гидродинамике (Юрмала, 1987,1990); Всесоюзном совещании по физике магнитных жидкостей (Ставрополь, 1986; Душанбе, 1988); Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Калинин, 1988, Ташкент, 1991); Всесоюзных конференциях в Вильнюсе: Проблемы конструирования и технологии производства сендастовых магнитных головок (1986). Математическое моделирование при проектировании магнитных головок для аналоговой и цифровой звукозаписи (1988); Всероссийском симпозиуме «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (Кисловодск, 2004); Международных конференциях по магнитным жидкостям (Riga, 1989, 1995; Paris, 1992; Timisoara, 1998; Bremen, 2001; Плес, 2002, 2004, 2006); Международных конференциях по моделированию (Seoul, 1994); Международной научно-технической конференции «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании» (Ставрополь, 2004, 2006); Международной конференции «Компьютерное моделирование 2005» (Санкт-Петербург, 2005); 13 Международной ежегодной конференции и выставки «Современные методы и средства неразру-шающего контроля и технической диагностики» (Ялта, 2005) Международной конференции «СО-МАТ-ТЕСН 2006» (Trnava, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы, из них 1 монография, 2 авторских свидетельства на изобретения и 2 патента.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 405 страниц, работа содержит 148 рисунков и 16 таблиц, в списке цитируемой литературы - 378 наименований.
