Введение к работе
Актуальность проблемы. До настоящего времени в природе не были обнаружены системы, обладающие одновременно свойствами текучести и способностью достаточно сильно взаимодействовать с магнитными полями. Однако в начале 60-х годов XX века такие среды были синтезированы и получили названия магнитные жидкости (МЖ), феррожидкости, ферроколлоиды. Такие вещества являются коллоидами ферри- и ферромагнетиков и, по щюшествии более чем 40 лет, привлекают достаточно большое внимание научных коллективов. Это связано с тем, что жидкие намагничивающиеся среды обладают целым рядом интересных свойств, проявляющихся при взаимодействии МЖ с электрическим и магнитным полями. Благодаря этому, появилась возможность их применения в машиностроении, технике и медицине.
В свою очередь, взаимодействие нанодисперсных магнитных частиц и происходящие в результате этого (а также при воздействии внешних силовых полей) структурные превращения во многом определяют физические свойства магнитных жидкостей. Некоторые свойства МЖ (электрофизические, реологические, оптические и др.) в настоящее время являются достаточно хорошо изученными. При этом исследование особенностей магнитных свойств, обусловленных взаимодействием магнитных жидкостей с электрическим и магнитным полями, а также проявлением релаксационных эффектов в системе дисперсных частиц в этих условиях, требует дальнейшего развития. В большинстве работ, посвященных изучению магнитных свойств таких сред, исслєдовішись МЖ с керосином в качестве дисперсионной среды. Однако, подавляющее большинство технических феррожидкостей синтезированы на гораздо более вязких материалах, таких как минеральные масла, кремнийорганические среды и т.д. При применении их в технических устройствах они могут подвергап>ся воздействию как внешних электрических и магнитных полей так и мехгіническим напряжениям, вызванных сдвиговыми деформациями и гидродинамическими течениями. Кроме того, их работоспособность должна быть обеспечена а достаточно широком температурном интервале. Однако, исследований особенностей магнитных свойств таких МЖ, связанных как с взаимодействием дисперсных частиц и обусловленных им структурообразованием, так и с проявлением того или иного механизма релаксации процесса намагничивания в такие магнитных жидкостях до настоящего времени проведено явно недостаточно.
Вышеизложенное позволяет заключить, что в настоящее время актуальными являются исследования особенностей магнитных свойств магнитных жидкостей, обусловленных взаимодействием дисперсных частиц и процессами релаксации их магнитных моментов. При этом наибольшую научно- практическую
важность такие исследования имеют для магнитных жидкостей, применяющихся в технике, где они могут подвергаться воздействию внешних полей, изменению температуры, а также механических напряжений сдвига и гидродинамических течений, возникающих в жидкой среде при вращении.
Целью настоящей работы является изучение особенностей функциональных зависимостей комплексной магнитной восприимчивости магнитных жидкостей на различных основах, обусловленных взаимодействием частиц и релаксационными процессами намагничивания,
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
- изучение особенностей функциональных зависимостей комплексной
магнитной восприимчивости магнитных жидкостей на различных основах без
и при наличии в них структурных образований от температуры при дополни
тельном воздействии постоянного магнитного и электрического полей;
-установление на основе анализа температурных зависимостей магнитной восприимчивости магнитных жидкостей на основе керосина и полученного из них сухого порошка возможности изменения характера магнитного состояния таких сред при изменении температуры;
- исследование магнитной восприимчивости магнитной жидкости
при условии ее вращения без и при дополнительном воздействии постоянного
магнитного поля, а также при наличии сдвигового течения, проведение анализа
причин и механизмов наблюдающихся зависимостей.
Научная новизна диссертации состоит в следующем.
Обнаружены неизвестные ранее особенности хода температурных зависимостей комплексной магнитной восприимчивости "классических" магнитных жидкостей на основе керосина: появление минимума действительной части восприимчивости при температуре затвердевания образца при дополнительном наложении постоянного магнитного поля и смещение ранее обнаруженного максимума температурной зависимости этого параметра при увеличении напряженности подмагничивающего поля в область более высоких температур.
Установлено наличие максимума на температурной зависимости магнитной восприимчивости сухого порошка однодоменных наночастиц при некоторой температуре, понижающейся при увеличении напряженности подмагничивающего поля. Сделано заключение, что при температуре, соответствующей обнаруженному максимуму происходит изменение магнитного состояния системы.
Обнаружено, что температурные зависимости действительной и мнимой частей магнитной восприимчивости магнитных жидкостей на основе крем-нийоргашіки и минерального масла имеют максимумы в области температур,
соответствующей их жидкому состоянию. Температурная зависимость действительная часть магнитной восприимчивости этих образцов, кроме того, имеет плато в области температуры затвердевания.
Установлено влияние электрического поля на процессы релаксации намагниченности магнитной жидкости на основе минерального масла, проявляющееся в смещении при воздействии электрического поля максимума температурной зависимости действительной части магнитной восприимчивости в область более высоких температур.
Установлена корреляция полученной экспериментально темперагурной зависимости комплексной магнитной восприимчивости образцов, содержащих: агрегаты частиц с законом Вогеля-Фулчера, характерного для температурной зависимости восприимчивости систем с ближним порядком — дипольных стекол.
Обнаружено явление резонансного возрастания действительной части комплексной аксиальной магнитной восприимчивости вращающейся в постоянном поле магнитной жидкости на основе ПЭС-3 и керосина при совпадении ча лоты вращения контейнера с образцом с частотой магнитного измерительного поля. Проведен анализ обнаруженного эффекта на основе модельньїх представлений автора и теории аксиальной магнитной восприимчивости.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью использованных методик исследования, применением стандартных приборов и оборудования при проведении измерений, анализом погрешностей измерений. Основные результаты и выводы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научных конференциях.
Научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования особенностей магнитных свойств магнитных коллоидов на различных основах, обусловленные процессами релаксации наночастиц и их агрегатов при воздействии электрических, магнитных полей и деформаций сдвига внесли определенный вклад в развитие фундаментальных проблем жидких намагничивающихся сред.
Результаты исследования эффектов релаксации намагниченности в магнитных жидкостях на вязких основах, получивших применение в технике, и их влияния на магнитные свойства этих сред могут служить основой при прогнозировании диапазонов параметров (температуры и частот магнитного поля) в которых гарантируется работоспособность технических устройств.
Показанная автором возможность определения среднего размера дисперсных частиц на основе анализа температурных зависимостей их комплексной магнитной восприимчивости является основой для разработки нового метода магнитной гранулометрии.
Автор защищает:
экспериментальные результаты исследования комплексной магнитной восприимчивости магнитной жидкости на основе керосина, обнаружившие появление минимума действительной части восприимчивости при температуре затвердевания образца при дополнительном наложении постоянного магнитного поля и смещение ранее обнаруженного максимума температурной зависимости этого параметра при увеличении напряженности подмагничивающего поля в область более высоких температур, а также проведенный на основе броуновского механизма релаксации их анализ;
обнаруженный максимум температурной зависимости действительной части магнитной восприимчивости сухого порошка однодоменных частиц, объяснение которого связано с возможностью фазового перехода системы в новое магнитное состояние;
установленные особенности температурной зависимости комплексной магнитной восприимчивости образцов на основе кремнийорганики и минерального масла и их анализ. Методику расчета размеров однодоменных дисперсных частиц разработанную на основе анализа температурной зависимости комплексной магнитной восприимчивости таких образцов магнитной жидкости;
результаты исследования температурных зависимостей магнитной восприимчивости магнитных диэлектрических коллоидов при дополнительном воздействии постоянного электрического поля, показавшие возможность влияния электрического поля на релаксационные процессы намагничивания таких систем.
- анализ обнаруженного резонансного эффекта в системе магнитных
наночастиц магнитной жидкости, подверженной вращению, связанный с
особенностями релаксации магнитного момента частиц.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены и обсуждались на представительных научных форумах: 12-я, 13-я Международная Плесская конференция по магнитным жидкостям (Плес, 2006,2008); I, II Всероссийская научная конференция «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь 2007,2009); Moscow international symposium on magnetism (Moscow, 2008); I Всероссийская конференция «Проблемы механики и акустики сред с микро- и наноструктурой: Наномех-2009» (Нижний Новгород 2009); конференция с элементами школы БелГУ; 52-55-я научно-методическая конференция «Университетская наука-региону» (Ставрополь, 2007-2010); Intermag 2010 (Washington, USA, 2010).
По теме диссертации опубликовано 20 работ: 5 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 14 работ в сборниках и трудах конференций, получен 1 патент.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 159 наименований. Материал диссертации изложен на 163 страницах и содержит 1 таблицу и 45 рисунков.
Личный вклад соискателя.
Автором лично проведены все экспериментальные исследования и обработка результатов измерений и все, представленные в диссертационной работе расчеты. Лично автором проведено сравнение полученных им результатов исследования с результатами теоретических расчетов, проведённых при участии автора. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.
