Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблемы агрегирования, вызывающие структурные изменения в коллоидных системах, могут приводить к кардинальному изменению их физических и механических свойств. В литературе основное внимание уделяется элементарному акту агрегирования - соединению двух (реже нескольких) частиц или объединению двух сформировавшихся агрегатов. Явления фазового расслоения, в которые вовлечено огромное число частиц, приводят к возникновению качественно нового состояния коллоида и исследованы гораздо меньше и явно недостаточно.
В значительной мере это относится и к магнитным коллоидам (магнитным жидкостям, феррожидкостям), активно используемым в современной технологии. Способность заметно взаимодействовать с внешним магнитным полем в сочетании с текучестью может сопровождаться явлениями фазового расслоения, в том числе, индуцированного магнитным полем. Последнее приводит к изменению макроскопических свойств феррожидкостей, поэтому весьма актуальными являются исследования, направленные на изучение условий расслоения и характеристик образующихся ферроколлоидных фаз.
Особенности микроскопической структуры магнитных жидкостей ответственны за проявление ряда нетрадиционных свойств, к числу последних относится и концентрационное фазовое расслоение в магнитном поле. Поэтому теоретический анализ физического механизма этого явления, а также исследование того, как процесс расслоения развивается во времени, является весьма важным с общенаучной точки зрения.
Цели работы. - Построение статистико-термодинамической модели магнитных жидкостей, адекватно учитывающей межчастичные магнитные взаимодействия и полидисперсность феррочастиц. Математический аппарат модели должен быть достаточно прост как для использования в анализе фазовой устойчивости феррожидкостей, так и для обобщения на иные коллоидные системы.
- Исследование на базе этой модели равновесных условий фазового расслоения типа "газ - жидкость" магнитных коллоидов
4 с различным типом агрегативной стабилизации (стерическим и электростатическим). Изучение особенностей фазовой устойчивости полидисперсных феррожидкостей. Определение характеристик сосуществующих ферроколлоидных фаз.
- Развитие методов кинетической теории фазовых переходов,
применимых к анализу изучаемых систем. Определение
основных закономерностей эволюции процесса фазового
расслоения магнитных жидкостей, в том числе в присутствии
внешнего поля. Подобная кинетическая теория должна давать
возможность предсказания и расчета эффективных свойств
феррожидкостей в условиях расслоения.
Научная новизна представленных материалов заключается в систематическом исследовании с единых позиций различных равновесных и кинетических аспектов явления фазового расслоения магнитных жидкостей. В работе получены следующие новые результаты:
- Создание статистической модели магнитной жидкости,
учитывающей межчастичное магнито-дипольное взаимодействие
на базе термодинамической теории возмущений в присутствии
внешнего магнитного поля произвольной напряженности. К
достоинствам модели необходимо отнести хорошее описание
экспериментальных данных по магнитостатическим свойствам
феррожидкостей, а также возможность ее легкого обобщения на
иные физико-химические ситуации и другие коллоидные
системы;
Теоретическое исследование процессов градиентной броуновской диффузии в концентрированных магнитных жидкостях, в том числе, в условиях метастабильности. Объяснение факта немонотонной концентрационной зависимости коэффициента градиентной диффузии феррочастиц, причиной которого является эффективное межчастичное диполь-дипольное притяжение;
- Анализ равновесных критериев концентрационного фазового
расслоения полидисперсных магнитных жидкостей и
теоретическое объяснение определяющей роли крупных частиц.
Демонстрация того факта, что при нормальных условиях
термодинамически неустойчивыми в ферроколлоиде являются
только крупнодисперсные фракции, объединяющиеся в
5 капельные агрегаты. Расчет свойств феррожидкостного вещества сильно концентрированной фазы;
Впервые построена статистическая модель ионной феррожидкости и проведено теоретическое исследование фазовой устойчивости. Продемонстрирован механизм влияния избыточного электролита, приводящий к фазовому расслоению. Изучен коллективный эффект обеднения электролита за счет интенсивной адсорбции ионов на развитой дисперсной поверхности. Показано, что с помощью этого эффекта объясняется факт лучшей фазовой устойчивости умеренно концентрированных ионных феррожидкостей по сравнению с разбавленными аналогичными системами;
Развитие асимптотического метода решения нелинейных кинетических задач на промежуточной стадии фазового перехода. В математическом плане это сводится к построению решения нелинейных интегральных уравнений с памятью. Точность подобных асимптотических решений контролируется путем сравнения с результатами численных расчетов;
Исследование кинетики протекания фазового перехода 1-го рода типа "ферроколлоидный газ - ферроколлоидная жидкость" на промежуточной стадии при диффузионно-лимитируемых условиях роста образований новой фазы (капельных агрегатов в магнитных жидкостях) и учете конечности размера критического зародыша, наличия флуктуации в скорости роста агрегатов и нелинейности диффузионных процессов в метастабильных системах;
Впервые построена кинетическая теория фазового перехода конденсационного типа, индуцированного внешним магнитным полем в феррожидкости в изотермо-изобарических условиях. Рассмотрены стадия нуклеации и этап выделения основной массы новой фазы. Проведенный анализ и полученные выражения, описывающие законы эволюции магнитной жидкости в процессе расслоения, позволили рассчитать временную зависимость некоторых эффективных свойств системы.
Достоверность полученных результатов обеспечивается следующими положениями:
- обоснованностью физических представлений и методов
статистической физики, используемых для анализа равновесных
и кинетических закономерностей процесса фазового расслоения ферроколлоидов;
хорошим соответствием полученных выводов экспериментальным данным и результатам компьютерного моделирования;
математической строгостью методов решения и согласованностью результатов, полученных различными способами.
Практическое значение. Результаты, изложенные в диссертации, позволяют определять области фазовой неустойчивости магнитных жидкостей и обеспечивать устойчивую работу различных технологических устройств и процессов с их использованием. Известные законы эволюции магнитной жидкости в условиях концентрационного расслоения позволяют рассчитывать и предсказывать изменение ее макроскопических свойств, что может быть использовано для управления характеристиками различных магнитожидкостных аппаратов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на представительных научных форумах:
- V-oe Всесоюзное совещание по физике магнитных
жидкостей (Пермь, 1990);
- Международная школа-семинар "Реофизика и теплофизика
неравновесных систем" (Минск, 1991);
- VII-ая Международная конференция по магнитным
жидкостям (Бхавнагар, Индия, 1995);
10-ая Зимняя школа по механике сплошных сред (Пермь, 1995);
Ш-я Международная конференция по жидкому состоянию (Норвич, Великобритания, 1996);
11-ая Международная зимняя школа по механике сплошных сред (Пермь, 1997);
Международная конференция по магнетизму INTERMAG-97 (Новый Орлеан, США, 1997);
- IX-ая Международная конференция по поверхностной и
коллоидной науке (София, Болгария, 1997);
- 2-ое Международное совещание по статистической физике в
университете Тохва (Фукуока, Япония, 1997);
- а также на научных семинарах кафедры математической
физики Уральского государственного университета, Института
теплофизики УрО РАН, Института механики сплошных сред
УрО РАН, кафедры молекулярной физики Уральского
государственного технического университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 научных работ, из низ 22 статьи, список которых прилагается в конце автореферата.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав основного содержания, заключения и списка цитируемой литературы. Оригинальный материал содержится в главах 2-5. Работа содержит 295 страниц, 57 рисунков, 11 таблиц и 256 библиографических ссылок.