Мессбауэровские исследования системы монодоменных магнетитовых частиц в конденсированных средах Школьников, Евгений Николаевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. Высокодисперсные системы, в частности, коллоидные взвеси частиц, широко распространены в природе. Это обычное состояние многих почвенных и биологических объектов. Не менее широко системы такого типа используются человеком. Известно, что диспергирование вещества приводит не только к количественным изменениям его физических характеристик, но и к появлению новых, присущих коллоидному состоянию, свойств. Указанные обстоятельства определяют актуальность темы данной диссертационной работы.

Примером коллоидного раствора являются магнитные жидкости (МЖ). Они представляют собой систему монодоменных магнитных частиц (МЧ), покрытых слоем стабилизирующего вещества, находящуюся в жидкости-носителе. МЖ обладают уникальным сочетанием жидкостных и магнитных свойств, которые могут варьироваться в широких пределах. Это обуславливает широкое практическое применение магнитных, жидкостей и неослабевающее внимание к ним как к модельным объектам, интересным с точки зрения различных разделов физики конденсированного состояния. В настоящее время недостаточно исследованы и вызывают интерес вопросы, касающиеся зависимости физико-химических свойств ферроколлоидов от типа жидкости-носителя, концентрации феррофазы и температурного интервала, в котором МЖ эксплуатируется в различных технических устройствах. Важной является информация о связи этих свойств со степенью агрегированностИ магнитных жидкостей и структурой агрегатов магнитных частиц, с распределением МЧ по размеру, с состоянием их поверхности и с внутренней структурой. Изучение данных вопросов представляет интерес с точки зрения физики МЖ и их применения в технике. Они важны для понимания процессов, происходящих в подобных природных объектах.

Большая часть магнитных жидкостей имеет в своем составе железо. Метод мессбауэровской спектроскопии, основанный на исследовании поглощения у-квантов ядрами ⁵Те, входящими в состав вещества, позволяет получить обширную информацию о локальных характеристиках вещества, существенную при изучении его магнитной и кристаллической структур, динамического состояния, дисперсности и ряда других параметров. Однако, при исследованиях МЖ до недавнего времени мессбауэровская спектроскопия применялась эпизодически, и ее возможности использованы далеко не должным образом. Важной задачей является раскрытие возможностей метода ядерной у-резонансной спек-

троскопии (.ЯГРС) как неразрушающего метода исследования железосодержащих коллоидов.

Цель работы. Раскрыть возможности мёссбауэровской спектроскопии, как метода диагностики состояния системы дисперсных железосодержащих частиц в конденсированных средах. В рамках этой задачи:

1. установить связь параметров мессбауэровских спектров МЖ с их магнитными и вязкоуцругимн свойствами и провести сопоставление полученных результатов с данными магнитных и акустических измерений;

2. методом ЯГРС изучить влияние концентрации дисперсной фазы на магнитные, вязкостные и агрегативные характеристики ферроколлои-

ДОВ.

Научная новизна.

3. Впервые проведены мёссбауэровские исследования серии магнитных жидкостей на основе керосина с различной концентрацией дисперсной магнетитовой фазы, полученных разбавлением одной высококонцентрированной МЖ.

4. В магнитных жидкостях на основе керосина с концентрациями магнетитовой фазы 6-5-14 объемных % обнаружена особенность температурных зависимостей параметров мёссбауэровского спектра, которая может быть связана с кооперативным переходом в системе дипольных моментов МЧ.

3. Разработаны методы оценки коэффициента диффузии МЧ и их агрегатов в ферроколлоидах, а также модуля упругости этих веществ по температурным зависимостям параметров мёссбауэровского спектра. Получены зависимости этих величин от концентрации для исследованных феррожидкостей.

4. Показана возможность оценки агрегированности ферроколлоида на основе данных ЯГРС и измерения вязкости этих материалов.

Практическая ценность. В работе показаны возможности мёссбауэровской спектроскопии как метода исследования структуры и динамического состояния МЖ. предосожена методика сравнительной оценки агрегированности однотипных магнитных жидкостей на основе параметров ЯГР-спектров и данных по измерению вязкости этих материалов. Данная методика может найти применение при определении качества промышленных МЖ и их устойчивости к агрегированию.

На основе данных мёссбауэровской спектроскопии получены оценки вязкостных и упругих характеристик ферроколлоидов. Метода-

ка такой оценки перспективна для диагностики вязких магнитных жидкостей, для которых затруднено применение альтернативных диагностических методов.

На защиту выносятся слудующие результаты исследований системы монодоменных магнетитовых частиц в ферроколлоидах на основе керосина и кремнийорганики методом мессбауэровской спектроскопии:

5. На основании исследованных в работе температурных зависимостей параметров ЯГР-спектров определены величины температуры отвердевания исследованных ферроколлоидов Т₀, показано, что величина То возрастает с ростом концентрации магнитной фазы.

6. Обнаружено, что в керосиновых МЖ с концентрацией магнитной фазы 6-г14 объемных % имеют место особенности температурных зависимостей ширины линии мессбауэровского спектра и эффективных магнитных полей на ядрах ⁵⁷Fe. Эти особенности могут быть связаны с кооперативным температурным переходом в системе дипольных магнитных моментов частиц магнетита.

7. Сделана оценка коэффициента диффузии D магнетитовых частиц и их агрегатов в исследованных веществах, основанная на анализе температурной зависимости уширения спектральной линии, обусловленного броуновским движением указанных частиц.

8. На основе анализа концентрационной зависимости коэффициента диффузии D и данных о вязкости исследованных коллоидов сделаны оценки эффективного размера агрегатов в них.

9. Получены оценки модуля упругости исследованных магнитных жидкостей, основанные на анализе зависимости площади мессбауэровского спектра от температуры.

Апробация работы. Результаты данной диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по прикладной мессбауэровской спектроскопии (г. Казань, 1990), на V Всесоюзном совещании по физике магнитных жидкостей (г. Пермь, 1990), на 13-м Рижском совещании по магнитной гидродинамике (г. Салалспилс, 1990), на VI Всесоюзной конференции по магнитным жидкостям (г. Плёс, 1991), на XIX Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (г. Ташкент, 1991), на Российской научно-технической конферен-

ции "Применение мёссбауэровской спектроскопии в материаловедении" (г. Ижевск, 1993), на V Международном совещании по ядерно- спектроскопическим исследованиям сверхтонких взаимодействий (г. Дубна, 1993), на VII Российской научно-технической конференции " Демпфирующие материалы" (г. Киров, 1994), на III Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" ("Яльчик", 1996), на VII Международной конференции по магнитным жидкостям (г. Плес, 1996).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, краткого изложения основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Содержание работы изложено на 114 страницах машинописного текста с 30 рисунками и 1 -ой таблицей. Список литературы включает 118 наименований.