Введение к работе
Актуальность темы
Магнитные жидкости - это коллоиды, обладающие сильными магнитными свойствами. Ферромагнитный материал коллоидных частиц определяет основные магнитные свойства жидкости, а жидкость-носитель обуславливает эксплуатационно-технические характеристики коллоида: рабочий температурный диапазон, давление насыщенных паров, применимость в биологических средах и т.п.
На практике магнитные жидкости используются исключительно совместно с магнитным полем, призванным управлять течениями жидкости и изменять ее вязкость. В свою очередь действие внешнего магнитного поля на первоначально однородную жидкость приводит к ее расслоению по концентрации за счет магни-тофореза частиц (дрейфа частиц в жидкости-носителе под действием внешнего неоднородного магнитного поля). При отсутствии конвективного движения градиентная диффузия является единственным фактором, препятствующим концентрационному расслоению. В этом случае перераспределение твердой фазы не связано с макроскопическими движениями образца жидкости и определяется только его свойствами (дисперсный состав, числовая плотность частиц). К сожалению, на сегодняшний день отсутствуют в достаточном объеме данные (теоретические и экспериментальные) о том, как происходит расслоение магнитных жидкостей: расчеты проведены только для разбавленных жидкостей и без учета агрегирования частиц. Пренебрежение внутренней микроструктурой жидкости приводит к большому расхождению теории и эксперимента, так как агрегаты приводят к многократному ускорению магнитофореза и замедлению диффузионного процесса. Влияние наноскопических агрегатов, включающих в себя до нескольких десятков частиц, на процесс расслоения жидкости и структура этих агрегатов до сих пор являются предметом изучения. Экспериментальные результаты и теоретические изыскания, посвященные вопросам расслоения магнитных жидкостей с учетом наноскопической структуры, делают выбранную тему диссертации актуальной как с научной, так и практической точек зрения.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с планом работы Института механики сплошных сред УрО РАН по темам ГР № 01.20.0 500086 «Микроструктура и межчастичные взаимодействия в магнитных жидкостях» и ГР № 01.20.0 800293 «Динамика магнитных наносуспензий во внешнем поле».
Цель исследования
Целью настоящей работы является получение экспериментальных данных о концентрационном расслоении магнитных жидкостей под действием неоднородного магнитного поля; выбор теоретической модели, адекватно описывающей экспериментальные данные, с учетом микроструктуры магнитной жидкости и межчастичных взаимодействий; анализ динамики расслоения жидкостей с целью получения информации об ее микроструктуре; определение степени влияния межчастичных взаимодействий на миграцию частиц в концентрированных жидкостях.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые: - Создана и апробирована экспериментальная установка для измерения поперечной восприимчивости Xiift) магнитных жидкостей в скрещенных полях с хо-
рошей точностью, а также предложена методика вычисления кривой намагничивания магнитных жидкостей;
Показано, что наличие в магнитной жидкости наноскопических агрегатов, состоящих из нескольких десятков частиц, является необходимым условием для удовлетворительного описания экспериментальных концентрационных профилей. При этом небольшая (несколько процентов) доля агрегированных частиц может увеличить перепад концентрации в образце на порядок, сделав концентрационный профиль нелинейным;
Проведен анализ динамики расслоения магнитной жидкости с учетом ее микроструктуры. Показано, что наноскопические агрегаты представляют собой квазисферические глобулы;
Разработана и апробирована двухфракционная модель для описания магнито-фореза в концентрированных магнитных жидкостях, описывающая экспериментальные данные с учетом межчастичных взаимодействий и микроструктуры магнитных жидкостей.
Автор защищает:
-
Методику измерения поперечной восприимчивости магнитных жидкостей в скрещенных полях, позволяющую вычислять кривую намагничивания;
-
Методику исследования магнитофореза в тонком слое магнитной жидкости;
-
Экспериментальные концентрационные профили магнетитовых магнитных жидкостей, измеренные на собственноручно сделанной установке;
-
Вывод о том, что двухфракционная модель магнитной жидкости адекватно описывает расслоение разбавленных и концентрированных магнитных жидкостей;
-
Вывод о том, что в магнитных жидкостях содержатся стабильные наноскопические агрегаты, включающие в себя до нескольких десятков частиц, которые значительно усиливают расслоение образцов, делая концентрационный профиль нелинейным даже при небольших (1-2 мм) размерах образца;
-
Вывод о том, что содержащиеся в жидкости агрегаты представляют собой квазисферические глобулы;
-
Вывод о том, что концентрационный профиль в сильноконцентрированных жидкостях в значительной мере определяется характеристиками наноскопических агрегатов: они определяют конечный перепад по концентрации, форму и кривизну профиля.
Достоверность результатов
Достоверность результатов обеспечивается хорошо продуманными методиками измерений и расчетов, согласованностью экспериментальных данных с предсказаниями теоретических моделей, и согласием полученных результатов с известными данными других авторов.
Практическая ценность
Разработанная методика измерения поперечной магнитной восприимчивости позволяет упростить и ускорить расчет кривой намагничивания магнитных жидкостей и магнитогранулометрический анализ при сохранении высокой точности результатов.
Полученные экспериментальные данные позволяют выбрать теоретическую модель, описывающую расслоение реальных магнитных жидкостей, и объяснить с позиции микроструктуры коллоидов, почему реальные жидкости расслаиваются значительно сильнее, чем это предсказывается теорией полидисперсных коллоидов. Причиной этому служат квазисферические агрегаты, объединяющие в себе от нескольких до нескольких десятков частиц. Показано, что на практике расслоение сильноконцентрированных коллоидов происходит в основном благодаря наноскопическим агрегатам, а конечный концентрационный профиль определяется параметрами агрегата: долей агрегированных частиц, числом частиц, входящих в агрегат, и плотностью упаковки частиц внутри агрегата.
Эти выводы являются важными для понимания причин изменения со временем технических характеристик устройств и измерительных приборов, использующих магнитную жидкость в качестве рабочего тела.
Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на XII международной конференции по магнитным жидкостям ICMF12 (Япония, г. Сендай, 2010 г.), на XV, XVI и XVII Зимних школах по механике сплошных сред (г. Пермь, 2007, 2009, 2011 гг.), Всероссийской конференции "Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем" (г. Ставрополь, 2011 г.), на конференции молодых учёных «Неравновесные процессы в сплошных средах» (г. Пермь, 2005 г.) на XIII и XIV плёсской научной конференции по магнитным жидкостям (г. Плес, 2008, 2010 гг.), на семинаре Учреждения Российской академии наук Института механики сплошных сред (г. Пермь, 2011 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 работ [1-14].
Личный вклад автора
Во всех работах автор единолично изготовил, апробировал и отъюстировал экспериментальные установки, получил и обработал экспериментальные данные, провел численные расчеты, участвовал в обсуждении результатов.
Структура и объем
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем диссертации 148 страниц машинописного текста. Она содержит 40 рисунков, 7 таблиц и 143 ссылки на литературные источники.
