WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВЕГЕРА Жанна Геннадьевна ЭФФЕКТЫ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ И МИКРОЧАСТИЦ ДИСПЕРСНОГО НЕМАГНИТНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ В МАГНИТНОЙ

ЖИДКОСТИ ПРИ ЕЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ И МАГНИТНЫМ ПОЛЯМИ 01.04.13. – электрофизика, электрофизические установки Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Диканский Ю.И.

Ставрополь 2004 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………4 ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. 1.1. 1.2. 1.3 1.4 1.5 Общие сведения о магнитных коллоидах………………………………11 Структурные превращения в магнитных жидкостях и обусловленные Электрофизические свойства магнитной жидкости……………………30 Особенности реологических и теплофизических свойств магнитной жидкости, связанные с их структурой…………………………………..35 Немагнитные включения в магнитной жидкости………………………41 ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. Объект исследования……………………………………………………..48 Методика исследования структуры магнитной жидкости……………..52 Методика и техника реологических исследований магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях………………………..58 Методика и техника исследования теплопроводности магнитных жидкостей………………………………………………………………….62 Методика исследования магнитных свойств магнитной жидкости…...65 ГЛАВА 3. СТРУКТУРНОЕ И МАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ. 3.1. Эффекты деформации микрокапельных агрегатов в магнитной жидкости при воздействии сдвиговых напряжений, магнитного и электрического полей…………………………………………………….68 3.2. 3.3. Структура и особенности реологических свойств магнитной жидкости в электрическом поле…………………………………………………….86 Эффекты структурообразования и особенности процесса переноса заряда в тонких слоях магнитной жидкости…………………………… ими оптические эффекты……………………………………………………..... 3 3.4. Структурные превращения и магнитное упорядочение в магнитной жидкости…………………………………………………………………105 ГЛАВА 4. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЧАСТИЦ МЕЛКОДИСПЕРСНОГО НЕМАГНИТНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ В МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЯХ. 4.1. 4.2. 4.3. Особенности взаимодействия и ориентации немагнитных частиц в магнитной жидкости в магнитном поле……………………………..…119 Особенности взаимодействия и ориентации немагнитных частиц в магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях…………..129 Особенности теплопроводности магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях………………………………………………..…..136 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..….144 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………..……. 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность проблемы. Магнитные жидкости (МЖ), представляющие собой коллоиды ферри- и ферромагнетиков, проявляют ряд интересных эффектов при взаимодействии с электромагнитным полем. Уникальность свойств таких жидких намагничивающих сред открыла возможности их применения в машиностроении, технике и медицине. Благодаря этому, исследованию магнитных жидкостей уделено достаточно большое внимание как со стороны отечественных, так и зарубежных ученых. Физические свойства МЖ во многом определяются взаимодействием частиц и происходящими в результате этого (а также при взаимодействии с внешними полями) структурными превращениями в таких средах. В настоящее время некоторые свойства магнитных жидкостей считаются хорошо изученными (магнитные, реологические, оптические и др.). Вместе с тем, исследование особенностей взаимодействия МЖ с электрическим и с совместно действующими электрическим и магнитным полями, связанной с этим взаимодействием структурной организации коллоидных частиц требует дальнейшего развития. В реальных условиях, при применении магнитных жидкостей в технике, их структурное состояние, обусловленное действием магнитного и электрического полей, может претерпевать существенные изменения за счет действия сдвиговых деформаций и течений. Эти процессы необходимо учитывать как для прогнозирования работоспособности уже известных устройств, так и при проектировании новых. Однако эти вопросы остаются неисследованными. В последнее время предпринимаются попытки создания новых жидких композиционных намагничивающихся сред на основе МЖ. В частности, к таким системам относятся магнитные жидкости с немагнитным мелкодисперсным наполнителем. В магнитном и электрическом полях происходит ориентация и объединение частиц немагнитного наполнителя в структурные образования анизотропной формы, наличие которых может приводить к ряду особенностей физических свойств 5 таких сред. Все это позволяет заключить, что в настоящее время актуальными являются исследования структурной организации коллоидных частиц в магнитных жидкостях при воздействии на них электрического и магнитного полей, структурные превращения при воздействии сдвиговых напряжений и их влияние на реологические и электрические свойства таких сред. Кроме того, представляет также интерес исследование структурной организации частиц немагнитного наполнителя в МЖ, связанных с ней особенностей Целью обусловленных физических настоящей структурной свойств работы жидких является намагничивающихся изучение эффектов, частиц и композиционных сред, созданных на основе магнитных жидкостей. организацией коллоидных микрочастиц немагнитного наполнителя в магнитной жидкости при ее взаимодействии с электрическим и магнитным полями. В соответствии с целью работы, были поставлены следующие задачи:

- изучение особенностей деформации микрокапельных агрегатов при совместном воздействии на них магнитного поля и вязких напряжений, исследование влияния этих процессов на вязкость и оптические свойства магнитных жидкостей с хорошо развитой микрокапельной структурой;

- исследование процессов образования структурных решеток в тонких слоях магнитной жидкости в электрическом поле и их трансформации в поле сил тяжести и под воздействием сдвиговых течений, установление влияния подобных структурных превращений на реологические свойства магнитных жидкостей;

- изучение дифракционных явлений, обусловленных возникновением структурных решеток, как в переменном, так и в постоянном электрическом полях, с целью выяснения возможности управления такими регулярными структурами путем дополнительного воздействия магнитным полем и сдвиговым течением;

- проведение на основе результатов экспериментальных исследований анализа причин и механизмов возникновения структурных образований в 6 магнитных жидкостях при воздействии электрического поля, а также при его отсутствии, выяснение возможности магнитного упорядочения частиц однодоменных частиц в образующихся агрегатах;

исследование структурной организации немагнитных различной формы, помещенных в магнитную жидкость и обусловленных ею особенностей физических свойств (светорассеяния и теплопроводности) тонких слоев таких систем. Научная новизна диссертации состоит в следующем. Впервые магнитным изучены особенности ориентации агрегатов в деформированных плоском течении. полем микрокапельных Обнаружено, что в этом случае, при определенных условиях, наблюдается их упорядоченное расположение в виде структурной регулярной решетки. Показана зависимость вязкости магнитной жидкости с микрокапельной структурой от величины и направления постоянного магнитного поля, обусловленная деформацией микрокапельных агрегатов. Экспериментально показана и теоретически обоснована зависимость вязкости магнитной жидкости от воздействия электрического поля, обусловленная возникновением при некотором критическом значении напряженности электрического поля структурной решетки лабиринтного типа, трансформирующейся в потоке в полосовую структуру. Впервые обнаружено магнитное упорядочение в агрегатах магнитной жидкости, возникающих при избытке поверхностно-активного вещества. На основе моделирования процесса межчастичного взаимодействия путем построения потенциальных кривых взаимодействия системы двух частиц, проведен анализ причин и механизмов структурообразования магнитной жидкости в случае избытка ПАВ в электрическом поле и при его отсутствии. На основе результатов экспериментальных исследований показана возможность управления структурной организацией помещенного в магнитную жидкость ансамбля немагнитных частиц различной формы с помощью одновременного воздействия электрическим и магнитным полем.

7 Обнаружено поля. Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью использованных методик исследования, применением при проведении измерений стандартных приборов и оборудования, анализом погрешностей измерений. Основные результаты и сделанные выводы доложены и обсуждены на Всероссийских научных конференциях. Научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования структурной организации дисперсных частиц магнитных коллоидов при совместном действии электрических, магнитных полей и сдвиговых течений, а также процессов структурного упорядочения немагнитых включений, помещенных в магнитные жидкости при воздействии электрических и магнитных полей внесли определенный вклад в развитие фундаментальных проблем жидких намагничивающихся сред. Обнаруженные решеток создания На при эффекты на образования магнитные регулярных коллоиды решеток структурных воздействии электрического, и устройств, возникновение анизотропии светорассеяния и теплопроводности в таких системах при воздействии на них магнитного магнитного полей и сдвиговых напряжений могут служить основой для регулируемых основе дифракционных предназначенных для управления световыми потоками. результатов магнитных исследования при теплопроводности на них композиционных жидкостей воздействии электрического и магнитного полей показана возможность создания на основе таких сред устройств управления процессами теплообмена. Автор защищает: экспериментальные результаты исследования особенностей деформации микрокапельных агрегатов при совместном воздействии на них магнитного поля и вязких напряжений и влияния этих процессов на вязкость 8 и оптические свойства магнитных жидкостей с хорошо развитой микрокапельной структурой;

- экспериментальные результаты, выявившие зависимость вязкости магнитной жидкости от воздействия электрического поля, обусловленную возникновением структурной решетки лабиринтного типа, трансформирующейся в потоке в полосовую структуру;

- экспериментально обнаруженное явление возникновения магнитного упорядочения в агрегатах магнитных жидкостей, образующихся при избытке ПАВ;

- анализ механизмов возникновения структурных образований в магнитных жидкостях при воздействии электрического поля, а также при его отсутствии, проведенный на основе моделирования процесса межчастичного взаимодействия путем построения потенциальных кривых взаимодействия системы двух частиц;

экспериментальные результаты исследования структурного упорядочения дисперсных немагнитных частиц, помещенных в магнитную жидкость в электрическом и магнитном полях и сделанный на их основе вывод о возможности регулирования процессом теплообмена за счет этих процессов. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 195 наименований. Материал диссертации содержит 165 страниц, 45 рисунков. Во введении обоснована актуальность разрабатываемой темы, сформулирована цель работы, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. В первой главе приведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященный физике магнитных жидкостей. Обращено внимание на работы, в которых исследуется образование агрегатов в магнитных коллоидах, а также поведение микрокапельных агрегатов в магнитном поле.

9 Рассмотрены работы, в которых указывается на возможность формирования периодических структурных решеток не только в магнитных, но и в электрических полях. Кроме этого, проведен анализ работ, посвященных электрофизическим свойствам магнитных жидкостей. Обращено внимание на работы, в которых указывается на особенности реологических и теплофизических свойств магнитной жидкости при воздействии внешних силовых полей. Рассмотрены также работы посвященные структуре немагнитных дисперсий в магнитных жидкостях. Глава закончена анализом проведенного литературного обзора и постановкой задач, решаемых в диссертации. Во второй главе описан объект исследования, методы и установки для исследования структуры и оптических свойств магнитных жидкостей при воздействии на них постоянного и переменного электрического и постоянного магнитного полей, а также сдвигового течения. Описаны методы и установки для исследования реологических, электрофизических и теплофизических свойств магнитных жидкостей. Также приведено описание установок и методик для контроля параметров исследуемых образцов – объемной концентрации, намагниченности насыщения, магнитной проницаемости. В третьей главе приведены результаты исследования особенностей деформации микрокапельных агрегатов при совместном воздействии на них магнитного поля и вязких напряжений. Установлено влияние этих процессов на вязкость и оптические свойства магнитных жидкостей с хорошо развитой микрокапельной структурой. Обнаружена зависимость вязкости магнитной жидкости от воздействия электрического поля, обусловленная возникновением структурной решетки при некотором критическом значении напряженности электрического поля. Исследованы процессы агрегирования в магнитной жидкости, обусловленные избыточным содержанием в ней поверхностно-активного вещества.

10 Четвертая глава посвящена исследованию структурного упорядочения в системе дисперсных немагнитных частиц, помещенных в магнитную жидкость, подверженную действию магнитных и электрических полей и его влиянию на теплопроводность композиционной магнитной жидкости. Проведен анализ наблюдаемых явлений. В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы. Личный вклад соискателя. Лично автором 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, проведенных при участии автора. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.

11 ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1.

Общие сведения о магнитных коллоидах Магнитные жидкости (МЖ) – это высокоустойчивые коллоидные растворы твердых однодоменных магнитных частиц в некоторой жидкости – носителе (керосине, воде, минеральных и кремнийорганических маслах, толуоле и т.п.). Основной компонент МЖ, от которого зависят ее магнитные свойства, - дисперсный ферро- или ферримагнетик, в качестве которого используются магнетит (FeO·Fe2O3), ферриты–шпинели (MFe2O4), ферритыгранаты (MFe5O12), а так же переходные металлы, железо, кобаль, никель. Магнитные свойства МЖ определяются объемным содержанием твердой магнитной фазы, которое может достигать 25 процентов. Седиментационная устойчивость МЖ достигается использованием дисперсных частиц малых размеров (около 10 нм). Для агрегативной устойчивости коллоидных систем с магнитными частицами необходимо, чтобы сближение частиц вызывало появление сил отталкивания между ними, что достигается путем введения в коллоид определенного количества стабилизатора – поверхностно-активного вещества (ПАВ). Образованный на поверхности частиц молекулами ПАВ адсорбционный слой создает структурно-механический барьер, препятствующий укрупнению частиц вследствие их слипания. Как правило, в качестве ПАВ используют вещества, строение которых характеризуется наличием короткой функциональной группы (щелочной, кислотной и др) и длинной хвостовой цепочки (углеводородной, фторуглеродной и др.);

классическим стабилизатором для МЖ является олеиновая кислота. Впервые методика получения стабилизированного коллоидного раствора магнетита была предложена в конце 30-х годов Элмором [1, 2]. В настоящее время такие жидкости получают путем конденсации при осаждении магнетита щелочью из водного раствора солей двух- и трехвалентного железа.

Подробное описание большинства 12 подобных методик приведено в работе [3]. В результате использования таких методик получают МЖ, вязкость, которой при намагниченности насыщения Н=50-60 кА/м может быть сравнима функцией с вязкостью воды. Полидисперсность с шириной магнетитовых частиц, полученных описанными способами, определяется колоколообразной распределения частиц распределения порядка среднего размера частиц (10 нм). В столь малых частицах при сохранении в них самопроизвольной намагниченности возрастает вероятность тепловых флуктуаций магнитного момента частицы [4]. В результате этого появляется возможность вращения магнитного момента относительно твердой матрицы. Впервые на этот тип вращения магнитного момента было указано Л. Неелем [5], а такие частицы получили название «суперпарамагнитные» [6]. Время неелевской релаксации магнитного момента определяется выражением:

N=01/2 e, где =Кэф.V/kT – константа суммарной анизотропии, V – объем частицы, 0=10-9 секунд. В жидкой среде возможна также вращательная диффузия самих частиц. В этом случае может проявляться броуновский механизм релаксации магнитного момента. Преобладание того или иного механизма релаксации зависит от соотношения времен релаксации Нееля N и вращательной диффузии D=3V/kT, где - вязкость несущей жидкости. Магнитные Основным жидкостей свойства МЖ определяются магнитными размерами, жидкостями магнитной является структурой ферромагнитных частиц, а так же их взаимодействием. средством управления магнитное поле. В магнитном поле физические свойства магнитных (оптические, Процессы магнитные, электрические, теплофизические) определяются связана с анизотропны. момента. установления анизотропии явлений в броуновским движением частиц и тепловыми флуктуациями их магнитного Специфика теплофизических МЖ 13 зависимостью намагниченности от температуры, концентрации частиц, а также с действием пондеромоторных сил их собственного поля. Для описания магнитных жидкостей применимы общие принципы описания взаимодействия магнитного поля со средой. В общем случае учет взаимодействия между частицами представляет собой сложную задачу, для решения которой используются различные модели. В простейшей модели магнитная жидкость представляет собой однородный дипольный газ, состоящий из однодоменных дисперсных частиц. Закон намагничивания при этом описывается функцией Ланжевена L(), причем намагниченность M=nm(cth-1/)=ML(), частицы, =µ0mH/kT, М=nm - намагниченность насыщения коллоида. В слабых полях (<<1) функция Ланжевена может быть представлена первым членом разложения в ряд Тейлора L()=/3, при этом М=[µ0nm2/(kT)]H=H, где - начальная магнитная восприимчивость МЖ. Предполагая, что форма частиц близка к сферической, с учетом m=MSV (MS - намагниченность насыщения исходного диспергированного вещества, V – объем частицы) получим для магнитной восприимчивости выражение: (1.1) где n – число частиц в единице объема, m – магнитный момент дисперсной =µ0ММSd3/18kT, где d - диаметр частицы.

(1.2) При >>1 функция Ланжевена может быть представлена в виде L=11/, при этом уравнение (1.1) принимает вид:

M = M 6 M kT µ 0 M S Hd.

Экспериментальное изучение магнитных свойств магнитных жидкостей начато в работе [2], где получено хорошее согласие зависимости намагниченности от напряженности поля с функцией Ланжевена. Как показано в работе [7], экспериментальные данные намагниченности, 14 полученные в работе [2] с учетом распределения частиц по размерам, определяемого формулой Гаусса, могут быть описаны формулой d n(a ) µ M M = M L 0 S a 3 H da, da n 0 6kT где n – полное число частиц в единице объема, n(а) – число частиц, диаметр которых удовлетворяет условию d<а. В дальнейшем магнитные свойства изучались в работах [8-10]. В работе [8] различие между значениями объемной концентрации, вычисленными независимо по плотности МЖ и ее намагниченности насыщения, объясняется тем, что молекулы стабилизатора могут образовывать в результате реакции с магнетитом немагнитное соединение – олеат железа. Вследствие этого происходит уменьшение диаметра магнитного керна на величину d, половина которой, по предположению авторов работы, примерно равна постоянной решетки кристаллического магнетита (0,83 нм). Выражение для намагниченности в этом случае принимает вид:

µ M H M = M S / ni d i ni (d i d )2 L 0 S (d i d )3, i kT где ni – число частиц диаметром di. Согласование экспериментальных данных с рассчитанными по этой формуле получено также в работе [10]. Магнитогранулометрические расчеты, проводившиеся в ряде работ [8, 9, 11], показали, что значение для диаметра частицы, найденное по магнитным измерениям в слабых полях, всегда больше найденного по магнитным измерениям в сильных полях. Как правило, это объясняется тем, что в слабых полях намагниченность магнитной жидкости определяется ориентацией наиболее крупных частиц, а в области насыщения вдоль поля ориентируются более мелкие частицы. В реальных к ферроколлоидах межчастичные начальной взаимодействия приводят сильным отклонениям восприимчивости от формулы (1.2) [12, 13, 14]. Введение поправки на межчастичные взаимодействия позволяет получить следующую зависимость магнитной восприимчивости от температуры (модель Вейсса):

= L 1 k L, где k – константа эффективного поля. Более совершенными моделями являются среднесферическое приближение [15], теория возмущений [16], разложение Борна-Майера [17]. Согласно теории возмущений [16] и модифицированному варианту среднего поля [18] начальную восприимчивость концентрированных магнитных жидкостей можно представить в виде:

=L(1+L/3+L2/144+…).

В работах [19, 20] показана возможность существования в магнитных жидкостях коротких цепочечных агрегатов, оказывающих сильное влияние на магнитостатические характеристики за счет взаимных внутрицепочечных корреляций магнитных моментов феррочастиц внутри цепочек. В слабых и умеренных полях быстрый рост намагниченности агрегируемой феррожидкости объясняется как внутрицепочечными корреляциями в направлениях магнитных моментов агрегированных феррочастиц, так и общим удлинением цепочек. В сильных полях это удлинение прекращается, и приближение к насыщению определяется только ориентацией отдельных магнитных моментов. Таким образом, до некоторых пор считалось установленным фактом, что магнитная жидкость ведет себя в магнитном поле как однородная суперпарамагнитная среда, в которой элементарным носителем магнетизма являются дисперсные частицы. Однако, в дальнейшем, вместе с осуществлением синтеза более концентрированных жидкостей, стало появляться все больше работ, ставящих под сомнение применимость описания свойств МЖ в рамках модели однородной среды, подчиняющейся классической особенностей теории парамагнетизма. свойств Стало очевидным, жидкостей частиц, что связан ряд с физических магнитных малых магнитодипольным взаимодействием которое может приводить к процессам агрегирования в таких системах. Вследствие этого 16 исследование процессов структурообразования стало весьма актуальным для дальнейшего развития физики магнитных жидкостей.

1.2.

Структурные превращения в магнитных жидкостях и обусловленные ими оптические эффекты 1.2.1. Возникновение агрегатов в магнитной жидкости Современные успехи в области синтеза магнитных жидкостей позволяют получать магнитные коллоиды устойчивые к расслоению и сохраняющие свои свойства длительное время. Тем не менее, даже в таких МЖ не исключена возможность объединения частиц в агрегаты, когда расстояние между ними соответствует вторичному минимуму энергии их взаимодействия при сохранении барьера отталкивания. Эти процессы исследованы в ряде экспериментальных работ, анализ которых неоднократно проводился в обзорах [21-23] и в диссертациях (например, [24-26]). Де Жен [27] рассмотрел коллоид, состоящий из идентичных ферромагнитных частиц, взвешенных в пассивной по отношению к магнитному полю жидкости. Для характеристики диполь-дипольного взаимодействия, приводящего к агрегированию, введен параметр, называемый константой спаривания b=m2/d-3kT. При условии b=1, т.е. m2d-3~kT возможен фазовый переход с образованием для верхнего предела плотности решетки антиферромагнитного типа. При этом реализация антиферромагнитного упорядочения предполагается в цепочечной структуре, среднее число частиц в которой зависит от напряженности внешнего поля и величины параметра магнитодипольного взаимодействия. Следует отметить, что полидисперсность частиц в реальных магнитных жидкостях вносит существенные трудности в разработку предложенной авторами модели, что понижает достоверность сделанных ими выводов о возможности реализации в МЖ антиферромагнитного состояния. В работе [28] А.О. Цеберс, 17 рассматривая магнитную жидкость как идеальный многокомпонентный газ, исследовал ассоциации частиц и возможность образования нитевидных агрегатов в магнитном поле. В частности, им показано, что с увеличением концентрации твердой фазы среднее число частиц в агрегате возрастает. Д. Крюгером [29, 30] было указано, что образование агрегатов начинается с небольших образований из крупных частиц, которые присутствуют в МЖ даже при отсутствии магнитного поля. В магнитном поле сильное взаимодействие агрегатов приводит к их слиянию и образованию агрегатов веревочного типа. Д. Крюгером и Р. Петерсоном [31] отмечено, что для понимания процессов агрегирования необходимы исследования характерных времен агрегирования и влияния сдвиговых усилий на агрегаты. Экспериментальное исследование возникновения агрегатов, проведенное в работе [32] в некоторых случаях дало качественное согласие с выводами, сделанными в теоретических работах. Так, отмечено, что при увеличении среднего размера дисперсных частиц образование цепочечных структур происходит даже в слабых полях, что удовлетворяет теории [27]. Большое внимание исследованию агрегирования магнитных жидкостей уделено в работах Чеканова В.В. [33, 34, 35]. В работе [34] отмечена возможность образования в МЖ на основе керосина агрегатов двух типов: каплеподобных, изменяющих свою форму при наложении поля, и квазитвердых, которые в некоторых случаях при выключении поля остаются намагниченными. С возникновением, при некотором пороговом значении напряженности магнитного поля, вытянутых вдоль поля капельных структур, авторами [35] связывается обнаруженный ими изгиб на кривой намагничивания магнитной жидкости на основе керосина с объемной концентрацией магнетита 15%. Изучению процессов возникновения и развития микрокапельной структуры в первоначально однородной магнитной жидкости посвящена работа [36]. Исследовались образцы МЖ с объемной концентрацией магнетита m от 4 до 7% и смесью керосина с минеральным маслом в качестве дисперсионной среды.

Установлено, что при 18 понижении температуры образцов в них при некоторой температуре Ткр, зависящей от m, происходит образование микрокапельных агрегатов с объемной концентрацией С~20-30%. Обнаруженное при Ткр отклонение от линейности температурного структурными параметром хода обратной магнитная восприимчивости восприимчивость: связывается оказалось, со что изменениями является системы. Чувствительным структурным зависимость ’(Н) имеет перегиб, а ”(Н) – максимум в области полей, соответствующих агрегированию. Глубокое теоретическое обоснование подобных явлений последовательно предпринималось в работах [37-40]. В работе [40] рассмотрено фазовое расслоение магнитных жидкостей как без, так и при дополнительном воздействии магнитного поля, приведены фазовые диаграммы сосуществования сильно- и слабоконцентрированных фаз. Отметим, что образование микрокапельной структуры в магнитных жидкостях не всегда связано с понижением температуры или воздействием магнитного поля. Например, оно может наблюдаться при разбавлении магнитных жидкостей дисперсионной средой (керосином) [41] или другими углеводородами, в частности минеральными маслами [42]. По видимому, образование микрокапельной структуры является уникальным процессом, характерным только для дисперсных систем с магнитодипольными частицами. Попытка теоретического обоснования физического механизма этого процесса неоднократно предпринималась в ряде работ [42-47], среди которых следует отметить работу А.О. Цеберса [46], где в основу положено явление вытеснительной флокуляции. Вытеснительная флокуляция может иметь место, если дисперсные частицы находятся в растворе достаточно крупных молекул [48]. В этом случае, при сближении дисперсных частиц до расстояний, меньших диаметра растворенных клубков, последние не в состоянии заполнить зазор между частицами, который играет роль своеобразной мембраны, и осмотическое давление раствора создает силу, приводящую к притяжению частиц. При этом, при наличии магнитных межчастичных растворенных взаимодействий, клубков, значение критической началу 19 концентрации агрегирования, соответствующее уменьшается. Действительно, возникновение микрокапельных агрегатов наблюдается в магнитных жидкостях при разбавлении их чистым ПАВ или его раствором в дисперсионной среде [41]. Вместе с тем, является установленным фактом и возможность возникновения микрокапельной структуры при разбавлении МЖ чистым растворителем. По-видимому, причиной этого являются процессы мицеллообразования ПАВ в результате добавления керосина в магнитную жидкость. Именно с возникновением микрокапельной структуры при изменении концентрации магнитной жидкости на основе керосина путем ее последовательного разбавления связанны особенности концентрационной зависимости ее восприимчивости [42]. Следует отметить, что концентрация частиц в микрокаплях может быть значительно выше, чем в омывающей среде, а магнитная проницаемость микрокапель достигает нескольких десятков единиц. 1.2.2. Оптические эффекты, обусловленные структурными образованиями в магнитной жидкости Во многих работах, посвященных экспериментальному исследованию процессов агрегирования использованы оптические методы. В работе [49] изучалось обратимое образование цепочечных агрегатов в магнитной жидкости на основе воды. Было обнаружено изменение интенсивности света, прошедшего через кювету с магнитной жидкостью в магнитном поле, которое объясняется образованием агрегатов. Интенсивность рассеянного света изменялась в соответствии с выражением Ф = Ф sin d, где Ф0 – интенсивность падающего света, =hsin/, – длина волны света, угол между рассеянным и проходящим светом, h – ширина цепочечного агрегата. Наблюдения в оптический микроскоп показали, что образование агрегатов является обратимым, их длина зависит от напряженности 20 магнитного поля, а число частиц в агрегате во всех случаях превосходит значения, которые дает теория [27, 29-31]. Оптический метод исследования агрегирования был использован в работах Бибика Е.Е. и др. [50, 51]. Было обнаружено уменьшение прозрачности магнитной жидкости при воздействии на нее магнитного поля, что связано авторами с происходящим при этом процессом агрегирования. Ими также рассмотрено влияние электрического поля, направленного перпендикулярно магнитному на магнитооптический эффект, обусловленный агрегированием. Процессы агрегирования с помощью дифракционного светорассеяния изучались в ряде работ [52-56]. Вследствие вытянутости агрегатов вдоль магнитного поля и соизмеримости их поперечных размеров с длиной волны, они в своей совокупности действуют как нерегулярная дифракционная решетка, значительно в (на 1-3 порядка) увеличивая полю. интенсивность Теоретически светорассеяния плоскости, перпендикулярной рассеяние света тонкими слоями МЖ, содержащими вытянутые вдоль поля агрегаты, было рассмотрено Райхером Ю.Л. [53]. При этом предполагалось, что слой магнитного коллоида представляет собой чередование параллельных цепочек из частиц, так, что межцепочечные промежутки образуют систему узких прозрачных щелей, рассеивающих свет. Была рассчитана угловая зависимость интенсивности монохроматического света, рассеиваемого такой системой, когда отсутствует порядок в расположении щелей. Дифракционное рассеяние света тонкими слоями МЖ, подверженных действию магнитного поля, исследовано в работе [56], в которой предположено, что толщина агрегатов может удовлетворять статистическому распределению Лоренца:

f (b) = (b b0 ) 2 + * [ * ].

(1.3) В этом случае индикатриса рассеяния имеет вид:

21 I ( ) = (1 + )x Im 1 (cos x + sin x )e t, [ ] (1.4) где b0 – наиболее вероятная толщина агрегатов, * - полуширина кривой распределения на половине высоты, n – показатель преломления жидкости, x=2nb0-1, =*b0-1, - длина волны света в вакууме. Использование формулы (1.4) позволяет рассчитать структурные параметры деформированных агрегатов по экспериментально найденной зависимости I(), а анализ семейства таких кривых, соответствующих различным напряженностям поля, позволяет установить зависимость наиболее вероятной толщины агрегата от величины напряженности магнитного поля. Обработка полученных экспериментально индикатрис рассеяния с применением теоретических выводов, полученных в [53], позволила авторам получить информацию о процессах агрегирования и динамике трансформации агрегатов в магнитном поле. Исследование структурной анизотропии коллоидных систем возможно также с помощью изучения явления двойного лучепреломления в таких средах. Исследованию этого эффекта, возникающего в магнитных жидкостях при воздействии магнитного поля посвящен ряд работ [33, 57-68]. Отметим, что во многих работах причиной оптической анизотропии считается неидеальная форма частиц, которую можно охарактеризовать отношением полуосей b/a некоторого эквивалентного эллипсоида вращения. В работах [63, 64] исследовано двойное лучепреломление в магнитных жидкостях в магнитном и электрическом полях, интерпретация полученных результатов построена на одночастичной модели. Вместе с тем, ряд экспериментальных результатов оказалось затруднительным объяснить на основе этой модели. Например, в работе [61] указано, что для коллоидов магнетита в углеводородных средах интерпретация магнитооптических эффектов на основе ориентационной модели для независимых частиц приемлема, однако для образцов на водной основе становится затруднительной. Было предложено, что это связано с существованием в 22 коллоиде анизотропных цепочечных агрегатов. Эффективная константа магнитной анизотропии подобных структур Кэ=3пК(п)m2/dc3, где dс – расстояние между центрами диполей в цепочке, а К(п)~1,2 при п. Подобная модель использована для объяснения двулучепреломления и в работах [65], где отмечается, что величина магнитооптических эффектов нелинейно зависит от толщины образца, что может быть связано с концентрацией цепочек в приграничном слое у стекла. В работе [69] показано, что оптическая анизотропия в магнитных коллоидах определяется ориентацией во внешних полях агрегатов магнитных частиц. Определено количество частиц, входящих в такой агрегат в зависимости от его вытянутости. Рассеяние света структурированными магнитными жидкостями подробно изучалось в работах [55, 70-72]. Возникновение анизотропии светорассеяния под действием магнитного поля позволило обнаружить порог расслоения жидкости и измерить величину критического магнитного поля, при котором возникает анизотропное светорассеяние. В работе [72] исследовано дифракционное рассеяние света магнитной жидкостью с микрокапельными агрегатами при наличии магнитного поля и сдвигового течения. Найдено, что одновременное действие магнитного поля и сдвигового течения приводит к появлению некоторой регулярной структуры в ней. При этом параметры такой структуры можно регулировать изменением магнитного поля или градиента скорости течения. 1.2.3. Интерпретация структурных превращений в магнитных жидкостях на основе представлений о фазовых переходах Развитие экспериментальных работ в области физики магнитных жидкостей привело к появлению представления об агрегировании в МЖ как возникновении гетерофазных включений. По-видимому, впервые оно было сформулировано В.В.Чекановым [73] на основе результатов магнитных измерений и наблюдений агрегатов в оптический микроскоп. Образование 23 агрегатов рассматривалось им как появление новой фазы из раствора, близкого к насыщению. На основе анализа условия фазового равновесия сделана попытка выяснить влияние процессов агрегирования на магнитные характеристики МЖ. Термодинамическая модель магнитной жидкости, показывающая, что при определенных значениях концентрации, температуры и напряженности магнитного поля появляется возможность расслоения МЖ на высоко- и слабоконцентрированные фазы, построена в работах Цеберса А.О. [74, 75]. Отметим, что принципиально важным следствием рассмотренной им модели является возможность потери термодинамической устойчивости коллоида лишь с наложением поля. На основе таких же как в [75] представлений, построено объяснение распада при воздействии постоянного магнитного поля плоского слоя некоторых, слабоустойчивых жидкостей на периодическую гексагональную систему доменов (агрегатов) с повышенной концентрацией в них дисперсных частиц [76]. В дальнейшем развитие теории фазовых переходов в магнитных жидкостях предпринято в работе [77], где образование крупных конгломератов магнитных частиц рассматривается с точки зрения роста зародышей новой фазы при расслоении МЖ, возникающем вследствие действия магнитных сил. Отметим, что экспериментальных исследований, направленных проводилось. В рамках модели среднего поля для системы взаимодействующих диполей построена теория агрегирования в работе [78], где возникновение структурных образований также интерпретируется как фазовый переход первого рода. В некоторых работах агрегирование в магнитных жидкостях отождествляется с процессом конденсации, при этом предполагается, что этот процесс идет с формированием того или иного упорядочения. Так, в работе [44] явление агрегирования интерпретируется как конденсация в антиферромагнитную фазу, при этом утверждается, что в отсутствие на проверку этих теоретических представлений не магнитного основе поля антиферромагнитные теоретических каплевидные автором поле 24 агрегаты проведены перехода параметры термодинамически более выгодны, чем ферромагнитные иглообразные. На полученных результатов найдены соответствующие оценки;

вычислено критическое антиферромагнетик-ферромагнетик, критические температуры, концентрации и осмотического давления, соответствующие началу расслоения на низко- и высококонцентрированные фазы. Следует заметить, что экспериментального подтверждения выводы работы [44] до настоящего времени не получили. Во многих работах процессы агрегирования в магнитных жидкостях связываются с параллельным переходом системы в новое магнитное состояние. При этом, в некоторых из них предполагается переход в ферромагнитное состояние [74-75], в других в антиферромагнитное [44, 79]. Прямого экспериментального подтверждения той или иной точки зрения до настоящего времени не получено, что может быть связано как с несовершенством выдвинутых теоретических моделей, так и с недостаточностью экспериментальных исследований в этой области.

1.2.4. Структурное упорядочение в магнитной жидкости;

образование регулярных структурных решеток При воздействии на тонкий слой магнитной жидкости постоянного магнитного поля, деформированные им микрокапельные агрегаты могут образовывать структурные решетки. В ряде экспериментальных работ [76, 80-83] обнаружено, что в плоских слоях магнитной жидкости при напряженностях полей больших некоторого критического возникают периодические структуры включений с более высокой концентрацией частиц, чем в окружающей их среде. Теоретические представления об образовании подобных структур исходят из предположения, что их образование обусловлено потерей термодинамической устойчивости 25 однородного состояния коллоида в поле [75, 84]. Период структуры при этом определяется балансом сил магнитодипольного отталкивания включений и поверхностного натяжения их границ. При пропускании света через тонкий слой жидкости обнаруживаются дифракционные эффекты, наблюдение которых позволяет изучить особенности упорядочения и трансформации структурной решетки с ростом магнитного поля. Существует некоторое критическое значение напряженности магнитного поля, направленного перпендикулярно слою жидкости, при котором происходит образование игольчатых агрегатов в первоначально «однородной» магнитной жидкости, которые располагаются в узлах гексагональной решетки [86], либо деформированные микрокапли трансформируются в лабиринтную структуру, в зависимости от размера агрегатов, их магнитных свойств и межфазного натяжения [71, 81, 86]. При дальнейшем увеличении поля характерный размер лабиринтов уменьшается. Пропускание лазерного луча через тонкий слой таких магнитных жидкостей обнаруживает дифракционную картину в виде одного или нескольких дифракционных колец, радиусы и интенсивность которых зависят от напряженности магнитного поля. В работе [87] путем изучения дифракции луча лазера, поперечного плоской щели с магнитной эмульсией и параллельного вектору напряженности магнитного поля, найдено уменьшение периода решетки микрокапель с ростом поля. Теоретическое представлении обоснование о полученного результата основано на возникновении периодической концентрационной структуры, определяемой балансом сил межчастичного взаимодействия, ее собственного поля и поверхностного натяжения. Полученные условия равновесия фаз в полосовой структуре ферроколлоида и рассчитанные на их основе зависимости периода структуры и объемных содержаний фаз находятся в качественном соответствии с данными эксперимента. В [88] сообщается, что при воздействии на тонкую пленку магнитной жидкости перпендикулярно ее плоскости магнитного поля, часть магнитных частиц конденсируется из первоначально монодисперсной магнитной жидкости, образуя цилиндрические магнитные домены.

С 26 ростом напряженности поля магнитные домены из неупорядоченной колумнарной фазы перестраиваются в двухмерные упорядоченные структуры, которые можно характеризовать расстоянием между доменами, расположенными в узлах структурной решетки. Величина этого характерного расстояния оказывается зависимой от многих факторов – напряженности приложенного магнитного поля, скорости установления поля, толщины пленки магнитной жидкости, концентрации и температуры жидкости. На основе проведенных в работе [89] экспериментальных данных (магнитная жидкость типа магнетит в октане, стабилизированная олеиновой кислотой, массовая доля магнитной фазы 30%), сделан вывод, что магнитным жидкостям в присутствии внешних магнитных полей напряженностью до 80 кА/м свойственны четыре качественно различных состояния. Переход из одного состояния в другое характеризуется определенным значением магнитного поля. Первый переход соответствует образованию в почти однородной жидкости макроструктур – доменов;

второй – это переход к упорядоченному состоянию с фиксированным числом доменов (гексагональная решетка);

третий переход – слияние доменов – является инверсным по отношению к решетке доменов: область с повышенной концентрацией частиц из дискретной превращается в непрерывную. Представляет также интерес теоретически описанное в [90] фазовое расслоение магнитного коллоида в ячейке Hele-Shaw, вызванное магнитным полем. Автором получены уравнения, описывающие кинетику разделения фаз под действием магнитного поля различной по отношению к границам ячейки ориентации: нормального, тангенциального, вращающегося в плоскости, нормальной к границам ячейки, наклонного и конического. Численным моделированием изучены явления формирования структур различного вида и отмечены следующие узловые моменты: под действием нормального поля, в зависимости от величины отклонения от критической точки, формируются лабиринтные и гексагональные структуры;

под 27 действием тангенциального поля формируется система параллельных полос;

под действием вращающегося в плоскости, нормальной к границам ячейки, магнитного поля формируется периодическая система параллельных полос. При изменении ориентации и величины магнитного поля наблюдаются различные процессы преобразования структур – из первоначальной системы параллельных полос, сформировавшихся во вращающемся магнитном поле, под действием нормального магнитного поля, соответствующего большему числу Бонда, формируется шевронная структура, испытывающая с ростом числа Бонда вторичную неустойчивость, ведущую к формированию вилок. При воздействии наклонного поля на гексагональную структуру при достаточно большом угле наклона формируется система параллельных полос. Структурные превращения претерпевают и магнитные жидкости, помещенные во внешнее электрическое поле. По видимому, впервые исследование деформационных эффектов микрокапельных агрегатов и формирование структурных решеток из них при воздействии электрического и магнитного полей проведено в [91, 92]. Было установлено, что характер деформации микрокапельных агрегатов существенно зависит от частоты электрического поля: при низких частотах происходило сплющивание капли вдоль вектора напряженности электрического поля в диск, тогда как при высоких частотах капля вытягивалась вдоль силовых линий поля. В более сильных полях, при значениях напряженности электрического поля выше некоторого критического значениях в магнитных жидкостях с микрокапельной приводили работы [93]. Исследование характера электрогидродинамических (ЭГД) неустойчивостей и рассеяния света при их возникновении проводилось в [94]. В достаточно слабых переменных электрических полях низкой частоты к структурой разрушению возникали микрокапель. вихревые течения, которые Теоретическое обоснование полученных результатов приведено в [92] при использовании основных идей 28 на поверхности слоя жидкости появляется подвижная сотовая структура, характерная для неустойчивости Бенара. Возникновение неустойчивости связано с процессами релаксации заряда в слабо проводящей несущей среде. А.О. Цеберсом было показано [95], что положение частицы в электрическом поле устойчиво, когда характерное время ее поворота в вязкой среде велико по сравнению со временем релаксации заряда, в противном случае развивается неустойчивость. В результате систематического исследования особенностей деформации микрокапли магнитной жидкости в переменном электрическом поле, проведенного в работе [96], установлено различие зависимости характера деформации от температуры при низких и высоких частотах (ниже и выше некоторой критической частоты). Изучение процессов компенсации деформации микрокапли, с помощью дополнительного воздействия постоянным магнитным полем в широком температурном интервале показало, что условия компенсации при низких и высоких частотах различным образом изменяются при повышении температуры. Этот факт подтверждает правомерность сделанного вывода о различии механизмов деформации капли при частотах выше и ниже критической частоты. Обнаружено, что, как и предсказывалось ранее в работе [95], при повышении напряженности электрического поля развивается колебательная неустойчивость формы капли. Исследование влияния на характер этой неустойчивости дополнительного воздействия магнитного поля показало, что в некоторых случаях неустойчивость приобретает вращательный характер. В работе [97] обнаружен эффект возникновения в первоначально однородной магнитной жидкости лабиринтной и полосчатой структурной решетки в результате действия постоянного электрического поля. Показано, что размерным фактором сформировавшейся в электрическом поле решетки возможно управлять с помощью дополнительного воздействия магнитным полем. В работе [98] при исследовании формирования структурных решеток под воздействием переменного электрического поля в тонких слоях магнитной жидкости, предварительно расслоенной на 29 сильно- и слабоконцентрированную фазы, установлено, что в зависимости от частоты электрического поля возможно формирование как лабиринтной, так и гексагональной структуры. Изучены особенности трансформации структурных решеток, полученных в переменном электрическом поле при дополнительном воздействии постоянного магнитного поля. Следует отметить, что, несмотря на внешнюю схожесть структурных решеток, формирующихся в магнитном и электрическом полях механизмы их образования, по-видимому, имеют различный характер, при этом причины структурных превращений в электрическом поле к настоящему времени остаются неизученными. Таким образом, до настоящего времени достаточно хорошо исследованы процессы возникновения агрегатов и их деформация в магнитном поле. Исследование подобных процессов в электрическом поле, а также при совместном действии электрического и магнитных полей, начатое в работе [96] показало, что причины возникновения различных структурных образований в первоначально однородной МЖ, и МЖ с микрокапельными агрегатами, требуют дополнительного исследования. Так же практически не изученными остаются физические свойства тонких слоев жидкости, в частности, изменение реологических свойств при образовании структуры во внешних электрическом свойств и магнитном полях. Так в этом случае связаны с как особенности реологических появляется трансформацией микрокапельных структурных образований, находящихся в движущейся магнитной жидкости, необходимость исследования поведения агрегатов при одновременном воздействии на них сдвигового течения и магнитного поля.

1.3. Электрофизические свойства магнитной жидкости Интерес к исследованию электрофизических свойств магнитных жидкостей возник в связи с перспективами синтеза жидких сред с управляемыми с помощью магнитного поля электрическими свойствами. Современное состояние экспериментальных исследований и практического применения магнитных жидкостей характеризуется наибольшим интересом и степенью исследования таких электрофизических проницаемость, свойств как электропроводность, диэлектрическая электрическая прочность и тангенс угла диэлектрических потерь. Так как магнитная жидкость является сложной гетерогенной средой, то электрофизические параметры определяются свойствами основы, ПАВ и твердой фазы, вклад которых в суммарные свойства, очевидно, различен. В многочисленных экспериментах было обнаружено, что электропроводность магнитной жидкости зависит от объемной концентрации немонотонным образом [99, 100]. Изменение электропроводности, измеренной при постоянном токе, в концентрационном интервале = 0,4-9%, происходит по аналогии с истинными растворами и дисперсными системами, т.к. увеличивается концентрация носителей заряда (по видимому, без образования агрегатов). Дальнейший рост концентрации приводит к росту агрегатов, подвижность носителей заряда, связанных с частицами магнетита, уменьшается, электропроводность падает. В [101, 102] также указывается на существование максимума проводимости в области концентраций 12-15%. Аналогичный вид зависимости электрической проводимости свойственен растворам сильных электролитов и снижение проводимости в области высоких концентраций объясняется падением подвижности ионов при увеличении общего числа носителей заряда. Теоретические исследования зависимости проводимости магнитной жидкости от параметров жидкости носителя и дисперсной фазы были проведены в работе [103]. Получены выражения для проводимости и диэлектрической диэлектрического проницаемости слоя магнитной жидкости в 31 переменном (ПАВ) электрическом поле с учетом покрывающего частицы ферромагнетика поверхностно-активного вещества произвольной толщины. Рассмотрены предельные случаи высоких и низких частот. В высокочастотном пределе увеличение толщины слоя ПАВ сильно влияет на вклад частиц в макроскопическую проводимость среды, вклад поляризации в эффективные характеристики среды пренебрежимо мал. В пределе низких частот эффективная проводимость среды не зависит от толщины слоя ПАВ, однако существенна поляризация поверхности частиц, что приводит к существенной зависимости диэлектрической проницаемости от толщины защитной оболочки дисперсных частиц. Влияние магнитного поля на электропроводность магнитной жидкости неоднозначно: для ряда жидкостей эта зависимость не наблюдается, для других существует в более или менее явном виде [101, 102, 104]. Так, в [102] указывается увеличением на увеличение электропроводимости заряда за при счет изменении перехода в напряженности Н магнитного поля от 0 до 200 кА/м, что объясняется концентрации носителей дисперсионную среду из стабилизирующей оболочки под действием магнитного поля. Дальнейшее увеличение Н до 600 кА/м практически не влияло на проводимость, а с ростом концентрации зависимость удельной электропроводности от Н ослабевала. В [101] указывается на аналогичное влияние магнитного поля на проводимость и на связь проводимости магнитной жидкости с возникновением в ней объемных зарядов, а также с поляризационными процессами. Другой поляризации электрический диэлектрика параметр, – характеризующий процессы диэлектрическая проницаемость.

Диэлектрическая проницаемость зависит от поляризуемости молекул, их концентрации, температуры и частоты изменения электрического поля. Так как магнитная жидкость многокомпонентная среда, то ее диэлектрическая проницаемость будет различной в зависимости от состава и процентного 32 соотношения основы, дисперсной фазы и ПАВ. В [21, 22] приведены результаты экспериментального исследования диэлектрической проницаемости магнитной жидкости при изменении концентрации твердой фазы. Измерения, проведенные на частоте электрического поля 100 Гц, показали, что при увеличении объемной концентрации твердой фазы от 5 до 19,5 % диэлектрическая проницаемость магнитной жидкости возросла от 3 до 9 единиц. Частотные исследования диэлектрической проницаемости показали, что при увеличении частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость уменьшается [21], причем наибольший спад наблюдался при частотах электрического поля 102 – 103 Гц, а в диапазоне частот 105 – 107 Гц диэлектрическая проницаемость образцов была постоянна и практически не зависела от концентрации магнетита [99]. Напротив, тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 105 Гц высок и сильно зависит от концентрации магнетита. Дополнительное воздействие магнитного поля приводит к увеличению диэлектрической проницаемости магнитной жидкости [105, 106], причем, при частоте электрического поля 10 кГц и при дополнительном воздействии магнитного поля в диапазоне от 20 до 800 кА/м наблюдался гистерезис диэлектрической проницаемости. В последнее время появилось большое количество работ, посвященных изучению электрофизических свойств тонких слоев магнитных жидкостей при воздействии поляризующего напряжения разной величины. Как и в любой коллоидной системе в магнитной жидкости в электрическом поле наблюдается электрофорез, то есть действие электрического поля приводит к миграции заряженных частиц, а, следовательно, к изменению концентрации твердой фазы в приэлектродных слоях. Таким образом, при помещении плоскопараллельной ячейки с магнитной жидкостью в постоянное электрическое поле у электродов формируется область с повышенным сопротивлением и большей плотностью объемного заряда. Этот процесс исследован в [107]. Авторами экспериментально была определена 33 концентрация магнитной жидкости вблизи электродов (30%) в электрическом поле напряженностью 105 В/м и время релаксации объемного заряда для магнитной жидкости типа «магнетит в керосине» (порядка 10 – 50 мс). Так же определены концентрация и подвижность заряженных частиц в плоскопараллельной ячейке с магнитной жидкостью в диапазоне частот от 0,5 до 220 Гц [108]. В работе [109] проведены комплексные исследования электрических и оптических свойств электрофоретической ячейки с магнитной жидкостью. На основе проведенного экспериментального изучения кинетики процесса изменения отражательной способности ячейки с магнитной жидкостью в электрическом поле проведены оценки величины и размеров локализации объемного заряда, и его зависимости от концентрации дисперсной фазы. В работе [110] проведено экспериментальное изучение свойств приэлектродного слоя магнитной жидкости в электрическом поле на основе исследования изменения эллипса поляризации света, отраженного от приэлектродной приэлектродном проводимостью средой. Эксперименты с тонкими слоями магнитных жидкостей показали, что уменьшение межэлектродного расстояния вызывает рост величин электроемкости, эффективной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь [111, 112], а так же уменьшение удельной электропроводности магнитной жидкости. Это объясняется соизмеримостью межэлектродного расстояния с размерами приэлектродных слоев, проводимость которых понижена. Так, в [113, 114] отмечено, что при воздействии на измерительную ячейку с МЖ поляризующего напряжения от 0 до 20 В наблюдалось снижение величины удельной электропроводимости, причем с уменьшением межэлектродного расстояния до 100 мкм снижение удельной электропроводимости на 20% больше, чем в слое толщиной 200 области порядка МЖ. Сделан вывод при о существовании барьера м и 510-8 в с о пространстве структурно-механического толщине 10-10(Омм)-1, правомерности представления концентрированного слоя жидкости сплошной 34 мкм. В работах [112, 115, 116] показано, что включение постоянного поляризующего электроемкости наблюдается напряжения слоя приводит к нелинейному а с изменению уменьшением в области магнитной жидкости, межэлектродного расстояния до 100 мкм на этой нелинейной зависимости выраженный максимум электроемкости напряженности электрического поля 60 – 80 кВ/м. Такое изменение электроемкости измерительной ячейки авторами связывается с изменением эффективной диэлектрической проницаемости исследованных образцов МЖ. Проведенные в [117-120] исследования показали, что изменение эффективной диэлектрической проницаемости при изменении напряжения на электродах ячейки обусловлено появлением структуры в приэлектродном слое. Наличие трансляционных степеней свободы магнитных частиц в МЖ позволяет им ассоциироваться в агрегаты, что и приводит к образованию приэлектродных структур. В работах [117, 119] сообщается о наблюдении возникновения структурных решеток вблизи стеклянного электрода с токопроводящим покрытием. Так, при включении постоянного поляризующего напряжения в тонком слое первоначально однородной магнитной жидкости возникают различные структурные образования, форма которых зависит от толщины слоя жидкости, величины напряжения на электродах ячейки и дополнительного воздействия магнитного поля. Авторы приводят фотографии различных видов структуры, наблюдаемой ими в зависимости от условий наблюдений ( «чешуйчатой», «планарной» или «гантелевидной»). Следует, однако, отметить, что формирование структуры наблюдались ими при одновременном воздействии постоянного и переменного электрических полей (переменное поле использовалось для одновременного измерения емкости исследуемого слоя МЖ). При этом, амплитудное соизмеримым значение с напряженности переменного постоянного поля поля. оказалось Наличие напряженностью дополнительного переменного поля может вносить существенные изменения в процесс формирования структурных решеток и оказать влияние на их 35 характер, что делает затруднительным анализ причин и механизмов наблюдающихся процессов структурообразования. Образование структурных решеток в тонком слое магнитной жидкости при воздействии электрического поля должно оказывать также влияние и на другие ее свойства – теплофизические, магнитные, оптические. При этом особенности этих свойств (например, оптических) должны определяться характером особенности образовавшихся формирования структурных таких решеток. Вместе с тем, структурных решеток остаются невыясненными. Таким образом, несмотря на начавшееся исследование электрофизических свойств магнитных жидкостей, мало изучен вопрос о механизме формирования лабиринтных и полосчатых структур в однородной магнитной жидкости при воздействии постоянного электрического поля и влияние таких структур на электрофизические параметры тонкого слоя магнитной жидкости. Остаются невыясненными вопросы взаимосвязи структурообразования с электрической проводимостью и формированием свободного заряда в приэлектродном пространстве, роль поверхностноактивного вещества, присутствующего в свободном состоянии в магнитной жидкости, а также влияние процессов структурообразования под воздействием электрического поля на оптические и реологические свойства тонких слоев магнитных жидкостей.

1.4. Особенности реологических и теплофизических свойств магнитной жидкости, связанные с их структурой Весьма актуальными представляются задачи исследования реологических свойств коллоидных магнитных систем, которые позволяют рассматривать вопрос об их динамической структуре. Полученное в работе [121] несоответствие зависимости вязкости МЖ от концентрации твердой фазы формуле Эйнштейна связывается с образованием квазиустойчивых агрегатов вследствие неупругого столкновения частиц, 36 возникающего в движущейся жидкости за счет различной скорости соседних частиц. По мнению авторов работы [122] наиболее вероятной причиной аномально высокой вязкости ферроколлоидов является высокое содержание в жидкости квазисферических агрегатов с неелевским механизмом релаксации намагниченности, образующихся в процессе приготовления МЖ за счет молекулярных сил. Предположив, что 60% всех частиц объединено в агрегаты с объемной долей магнитной фазы 0,16 - 0,18 авторы получили концентрационную зависимость вязкости, совпадающую с эйнштейновской. Реологическое поведение феррожидкостей в магнитном поле имеет ряд особенностей. Как показывают эксперименты, вязкость феррожидкости зависит не только от величины магнитного поля, но и от его ориентации относительно геометрии течения [123, 124]. Кроме того, магнитная жидкость в магнитном поле становится неньютоновской средой – ее вязкость зависит от скорости сдвига [124-127]. Экспериментальные исследования реологических свойств концентрированной магнитной жидкости (m=25%), проведенные в работе [128] показали, что исследованная ими магнитная жидкость в области скоростей сдвига от 100 до 5000-1 является псевдопластичной, степенная зависимость касательных напряжений которой описывается уравнением для жидкости Оствальда-де-Ваале: Dn ( напряжение сдвига, D – скорость сдвига, n – показатель поведения жидкости, значение которого лежит в пределах 0,5-0,95). При малых скоростях сдвига использовалось представление образца в виде тела Шведова – Бингама с начальным напряжением сдвига 0. Отмечается резкое уменьшение 0 при температуре около 30°С, что может свидетельствовать об изменении структуры коллоидного раствора, причем это изменение является обратимым. Наложение магнитного поля перпендикулярно плоскости сдвига приводит к смещению скачка 0 в область более высоких температур. Различные аспекты теории магнитовязкого эффекта с учетом теплового движения коллоидных частиц рассматривались в книге [23]. При отсутствии 37 взаимодействия частиц изменение вязкости МЖ описывается уравнением [129]: /0=3/2(-th)/(+th), (1.5) где 0 – вязкость жидкой фазы МЖ, - объемная концентрация твердой фазы с учетом стабилизирующей оболочки, =mН/kT. В работе [130] установлено, что при <0,02 экспериментальной увеличение вязкости магнитной жидкости совпадает с выражением (1.5). В диапазоне концентраций 0,02<<0,03 для каждого значения необходимо подбирать поправочный множитель для согласования с формулой (1.5). По-видимому, это связано с гидродинамическим взаимодействием частиц в магнитном поле, что аналогично увеличению эффективного диаметра. При >0,03 приращение вязкости соответствует выражению (1.5) с использованием поправочного множителя лишь до некоторого значения магнитного поля Н, при котором в жидкости появляются предельные напряжения сдвига. Зависимость вязкости во внешнем магнитном поле от скорости сдвига можно связать с взаимодействием частиц коллоида [131], с образованием в ней термодинамически устойчивых агрегатов из исходных дисперсных частиц [132-137]. Магнитодипольное взаимодействие при наличии магнитного поля приводит к образованию цепочечных агрегатов частиц, вытянутых вдоль поля. Вязкость такой суспензии отличается от вязкости суспензии неагрегированных частиц и зависит от длины образовавшихся цепочек. В сдвиговом потоке цепочки разрушаются, при увеличении скорости сдвига их средняя длина уменьшается, что приводит к снижению эффективной вязкости суспензии. В теоретической работе [138] рассмотрено плоское течение Куэтта жидкости, состоящей из МЖ и взвешенных в ней частиц из магнитомягкого материала микронных размеров в перпендикулярном стенкам канала однородном магнитном поле. На микронные частицы в окрестности канала действует магнитная сила (пристеночный эффект). Пристеночный эффект приводит к отсутствию начального напряжения сдвига такой среды, даже при 38 достаточно больших полях, перпендикулярных стенкам, когда суспензия структурируется. Исследованные в [139] эмульсии по магнитнореологическому эффекту превосходят магнитореологические суспензии. Увеличение эффективной вязкости в магнитном поле и ее уменьшение с ростом скорости сдвига обусловлены процессом образования и разрушения магнитных структур, деформацией и распадом капель при воздействии магнитных и гидродинамических сил. Приращение вязкости магнитожидкостной эмульсии сильно зависит от соотношения вязкостей магнитной жидкости и основы /0. При соотношении /090 деформированные полем капли магнитной жидкости вносят заметные возмущения в основной поток;

для значений /00,04 воздействие гидродинамических сил приводит к значительной циркуляции внутри капли, а возмущения в потоке незначительны. Согласно вышеизложенному, особенности реологических свойств магнитных коллоидов, наблюдающиеся при воздействии на них магнитного поля в основном определяются происходящими при этом структурными изменениями системы. Однако, как показано выше (п.1.2-1.3) процессы структурообразования в МЖ могут наблюдаться и в электрическом, а также в совместно действующих электрическом и магнитном полях. Отсюда следует вывод, что электрическое поле, также как и магнитное должно оказывать влияние на реологическое поведение магнитных коллоидов. В зависимости от характера изменения структуры электрические поля могут как повышать, так и снижать эффективную вязкость дисперсных систем [140]. Любые разделения фаз в электрическом поле значительно уменьшают сопротивление системы деформированию в результате появления эффекта пристенного или объемного скольжения [141]. Повышение вязкости дисперсных систем связано с ориентацией частиц, деформацией двойных электрических слов, межэлектродной [141, 142]. посвященные осцилляцией отметить, частиц однако, и что структурообразованием экспериментальные Следует работы, исследованию влияния электрического, а также совместно действующих 39 электрического и магнитного полей на реологические свойства магнитных жидкостей к настоящему времени практически отсутствуют. Структурные изменения магнитной жидкости должны сказываться и на другом теплофизическом параметре – коэффициенте теплопроводности, в связи с сильным различием между f (коэффициент теплопроводности жидкой фазы) и р (коэффициент теплопроводности частицы), особенно при воздействии магнитного поля. Присутствие твердой фазы в магнитной жидкости увеличивает ее теплопроводность, так как коэффициент теплопроводности ферромагнетика среднем более чем на порядок превышает теплопроводность используемых жидких основ. Например, коэффициент теплопроводности магнетита при комнатной температуре равен m=6,27 Вт/(мК), а вакуумного масла ВМ-1 – приблизительно 0,13 Вт/(мК). В работе [143] на основании экспериментальных исследований получена следующая концентрационная зависимость (0

2 f + P 2cm ( f P ) =. f 2 f + P + cm ( f P ) Более существенным является вопрос о зависимости коэффициента теплопроводности от магнитного поля, которая наблюдается, если коллоидные частицы несферические или поле вызывает структурные изменения дисперсии. Анизотропия теплопроводности в разбавленной 40 суспензии эллипсоидальных частиц рассмотрена в [23, 145]. Тепловой поток определяется соотношением jq=-T-(-)h(hT) (h=H/H).

Поперечный и продольные (относительно направления магнитного поля) коэффициенты теплопроводности следующие:

= f + cm L ( ) 3 L ( ) 1) ik ei ek ] ( P f )[(1 + ) ii + ( L ( ) || = f + cm ( P f )[ ii + ( 3 L ( ) ) ik ei ek ] где е – единичный вектор, направленный вдоль магнитного момента частицы;

i k – симметричный тензор теплопроводности, главные значения которого определяются коэффициентами размагничивания nk:

( n ) = f [ f + (P f )nk ]1.

Для эллипсоида вращения (1) = 1 k cthk 1 ( 1) ;

( 2) = (3) = (1 (1) ), 2 k 1 k 1 где k – его относительное удлинение. Результаты экспериментального измерения коэффициента теплопроводности коллоидного раствора магнетита в керосине в магнитном поле [146] свидетельствуют об отсутствии влияния поля, что говорит о слабой зависимости структуры исследованного коллоида от величины его напряженности. Однако, в более поздних работах [147, 148] указывается на рост коэффициента теплопроводности с увеличением магнитного поля. В [147] выявлена корреляция МЖ В и их между степенью влияния поля чем на теплопроводность теплопроводность. магнитными объяснения свойствами: полученного выше намагниченность насыщения, тем заметнее влияние магнитного поля на качестве результата выдвинуто предположение об образовании агрегатов, вытянутых вдоль поля.

41 В работе [148] методом нагретой проволоки измерялся коэффициент теплопроводности МЖ и его зависимость от направления и величины приложенного магнитного поля. В качестве объекта исследования была выбрана МЖ типа магнетит в керосине, стабилизированная олеиновой кислотой (=940 кг/м3, m=0,02, намагниченность насыщения IS=10 кА/м). В случае достаточно больших полей возрастает вдвое при совпадении направления вектора напряженности магнитного поля и температурного градиента;

в поперечном магнитном поле уменьшается на 50%. Таким образом, анализ рассмотренных работ указывает на обнаруженное в ряде случаев влияние магнитного поля на теплопроводность магнитных жидкостей. Однако, можно предположить, что такое влияние можно существенно увеличить при добавлении в магнитную жидкость в качестве наполнителя мелкодисперсных немагнитных частиц с высокой теплопроводностью. В этом случае анизотропия теплопроводности в магнитном поле может быть связана с образованием цепочек из частиц наполнителя вдоль силовых линий внешнего магнитного поля [149]. Отметим, внимание. что к настоящему времени исследованию особенностей теплопередачи в таких средах при воздействии силовых полей уделено малое 1.5. Немагнитные включения в магнитной жидкости Интересные структуры образуют дисперсии немагнитных частиц в плоских слоях магнитной жидкости [150-153]. Введение немагнитных частиц («магнитных дырок») в магнитную жидкость эквивалентно образованию в ней «диамагнитных» частиц, имеющих намагниченность, направленную противоположно намагниченности окружающей ее жидкости. Магнитное взаимодействие «дырок», которое в первом приближении можно считать 42 магнитодипольным, определяет появление структуры дисперсии во внешнем поле. С использованием решения магнитостатической задачи о возмущении однородного поля Н [23], помещенной в бесконечную среду с магнитной проницаемостью µ, магнитный момент частицы m можно записать в виде m= µVH = µV e H. (1 + 8 / 3) магнитного поля в слое с учетом Напряженность поперечного размагничивающего эффекта зависит от внешнего поля Н0 и магнитной проницаемости µ: Н=Н0/µ. В таком случае для энергии взаимодействия частиц в магнитодипольном приближении получено выражение V 2 e 2 H 0 2 cos µr + µV 2 e 2 H 0 2 sin 2 1 3 cos r ( ), (1.6) где - угол, составляемый вектором напряженности поля с нормалью к границе слоя, а - угол между радиус-вектором, соединяющим центры частиц, и компонентой вектора напряженности поля вдоль границ слоя. Учет поправок в потенциале взаимодействия частиц, связанных с конечной толщиной слоя, осуществлен в работе [154]. Соотношение (1.6) показывает, что в случае поперечного поля взаимодействие частиц в слое носит характер отталкивания. В этом случае образуются двумерные структуры, аналогичные тем, которые возникают при фазовом расслоении коллоидов в тонких щелях. Принципиальный интерес к описанным системам для исследования структурных превращений в двумерных системах обусловлен возможностью простого управления параметром межчастичного взаимодействия =V2e2H02/µa3 магнитным полем, что привлекает внимание к дисперсии немагнитных частиц в плоских слоях магнитной жидкости с точки зрения исследования особенностей превращений в двумерных системах. Из соотношения (1.6) видно, что характер взаимодействия частиц изменяется от отталкивания к их притяжению вдоль направления вектора поля и отталкиванию в поперечном 43 направлении при изменении ориентации внешнего поля от поперечной к продольной границам слоя. Это явление отражено в [150]. На использовании сил отталкивания между немагнитными сферическими частицами основана методика проведения физического моделирования фазовых переходов в веществе, состоящем из атомов. Если рассматривать немагнитные шары, диспергированные в магнитной жидкости, в качестве атомов и наложить магнитное поле перпендикулярно пленке МЖ, то, считая силы отталкивания между немагнитными шарами аналогичными силам отталкивания между атомами, можно наблюдать упорядоченное расположение немагнитных сферических частиц, которое моделирует структуру кристаллического твердого тела. Подобные эксперименты впервые были проведены Скьелторпом [150]. Исследуемая пленка магнитной жидкости на основе воды с взвешенными в ней полистирольными сферическими частицами диаметром d=110 мкм помещалась на столик оптического микроскопа для наблюдения за распределением частиц. Количество частиц на наблюдаемом участке составляло 106, что примерно в 103 раз превосходит число частиц, которое берется при численном моделировании подобных фазовых переходов на ЭВМ. Оказалось, что при напряженности магнитного поля Н=1,6104 А/м расположение частиц соответствует кристаллической решетке, а дифракционная картина – рентгенограмме, полученной методом Лауэ. При уменьшении напряженности поля до Н=1,2104 А/м расположение частиц и дифракционная картина изменились: возник кольцеобразный ореол вокруг центрального пятна – дебаеграмма, которая показывает, что расположение частиц по-прежнему обладает некоторой упорядоченностью. Таким образом, при уменьшении напряженности магнитного поля можно изучать явления, происходящие в данной структурированной системе частиц при изменении температуры от низких значений к высоким. Скьелторп проводил эксперименты для случая скрещенных магнитных полей [155], когда в качестве Н использовалось постоянное и переменное 44 магнитные поля. В случае дополнительного воздействия постоянного магнитного поля, направленного вдоль слоя расположение частиц является упорядоченным. дислокации, в При уменьшении Н вначале появляются становится краевые почти дальнейшем расположение частиц некристаллическим. Существует теория, согласно которой при фазовых переходах из кристаллического в некристаллическое или жидкое состояние внутри кристалла появляются дефекты решетки и по мере увеличения их числа происходит переход к жидкой или другой фазе. Описанные выше результаты согласуются с выводом об увеличении количества дефектов решетки при переходе в жидкую фазу. В работе [155] приведены результаты численного моделирования расположения немагнитных сферических частиц в пленке МЖ при воздействии достаточно сильного магнитного поля. При достаточно малой толщине пленки магнитной жидкости немагнитные частицы располагаются в одной плоскости и образуют треугольную решетку. При увеличении толщины пленки частицы распределяются по трем уровням и образуют треугольную решетку. При дальнейшем увеличении толщины пленки решетка из треугольной превращается в четырехугольную с распределением по двум уровням. Физические свойства магнитных жидкостей с немагнитными включениями мало изучены. В этом аспекте следует отметить работы [156, 157]. В [156] установлено, что введение немагнитных коллоидных частиц в магнитную жидкость значительно увеличивает магнитореологический эффект – приращение вязких напряжений в поле в такой суспензии сравнимо с приращением для суспензий ферромагнитных частиц. Это явление объясняется структурированием немагнитных частиц в магнитной жидкости, что подтверждается количественными оценками. Заметим, что введение немагнитных частиц в магнитные жидкости может приводить к особенностям не только реологических, но и других физических свойств таких систем. Как уже было указано ранее, магнитные жидкости с 45 немагнитными включениями, обладающими высокой электропроводностью и теплопроводностью могут быть использованы для создания пленок с магнитоуправляемыми электрическими и теплофизическими свойствами, а использование частиц анизотропной формы может обнаружить особенности оптических свойств тонких пленок магнитных жидкостей при воздействии на них магнитного и электрического полей. В связи с этим, исследование поведения немагнитных частиц различной формы, помещенных в магнитную жидкость при воздействии на нее силовых полей, процессов их структурной организации, а также обусловленных ею, особенностей физических свойств таких жидкостей в настоящее время является актуальным.

Выводы Проведенный обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных процессам структурной организации дисперсных частиц магнитных жидкостей, а также помещенных в такие среды мелких немагнитных частиц в качестве наполнителя, показал, что эти вопросы неоднократно рассматривались в ряде работ исследователей магнитных коллоидных систем. Интерес к этим проблемам связан с возникающими в результате этих процессов новыми физическими эффектами, имеющими как чисто научное, так и прикладное значение. Несмотря на развитие представлений о структурообразовании в магнитных жидкостях как фазовых переходах такая интерпретация содержит еще много неясного. Кроме того, основное внимание в существующих работах уделено процессам структурообразования под воздействием магнитного поля. Между тем, известно, что такие процессы возможны и при воздействии на магнитный коллоид электрического поля, магнитное поле в этом случае может выступать в роли дополнительного фактора. Однако исследованию подобных процессов к настоящему времени уделено малое внимание.

В ряде работ рассматривается упорядочивание 46 структурных образований в гексагональные или лабиринтные решетки, вызванное действием магнитного поля на тонкие слои структурированной магнитной жидкости. Однако, подобным процессы, происходящие в электрическом поле, а также при дополнительном воздействии магнитного поля остаются мало изученными. Практически не уделялось внимание исследованию трансформации структурных образований при возникновении вязких напряжений, их влиянию на оптические и реологические свойства магнитных коллоидов. Существует достаточно большое количество работ, посвященных электрофизическим свойствам магнитных коллоидов. Так в ряде работ обнаружено, что при помещении плоскопараллельной ячейки с магнитной жидкостью в постоянное электрическое поле у электродов формируется область с повышенным сопротивлением и большей плотностью объемного заряда. Однако механизмы формирования высококонцентрированного слоя в приэлектродном пространстве и объемного заряда, взаимосвязь этих механизмов остается неясной. Кроме структурной организации дисперсных частиц магнитной жидкости в ряде известных к настоящему времени работ рассмотрены ориентация и структурное упорядочение мелких немагнитных частиц помещенных в жидкую намагничивающуюся среду. При этом, в качестве такого наполнителя в основном рассматриваются сферические полистирольные частицы. Вместе с тем, использование в этом случае частиц с заданными электрическими и теплофизическими свойствами, не только сферических, но имеющих другую форму (например, эллипсоидальную или цилиндрическую) позволило бы открыть новые аспекты их применения. В соответствии с выше изложенным были сформулированы следующие задачи настоящей диссертационной работы:

- изучение особенностей деформации микрокапельных агрегатов при совместном воздействии на них магнитного поля и вязких напряжений, 47 обусловленных наличием сдвиговых течений, исследование влияния этих процессов на вязкость и оптические свойства магнитных жидкостей с хорошо развитой микрокапельной структурой;

- исследование процессов образования структурных решеток в тонких слоях магнитной жидкости в электрическом поле и их трансформации в поле сил тяжести и под воздействием сдвиговых течений, установление влияния подобных структурных превращений на реологические свойства магнитных жидкостей;

- изучение дифракционных явлений, обусловленных возникновением структурных решеток, как в переменном, так и в постоянном электрическом полях, с целью выяснения возможности управления такими регулярными структурами путем дополнительного воздействия магнитным полем и сдвиговым течением;

- проведение на основе результатов экспериментальных исследований анализа причин и механизмов возникновения структурных образований в магнитных жидкостях при воздействии электрического поля, а также при его отсутствии;

исследование структурной организации немагнитных частиц различной формы, помещенных в магнитную жидкость и обусловленных ею особенностей светорассеяния и теплопроводности тонких слоев таких систем.

48 ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1. Объект исследования В ходе выполнения настоящей диссертационной работы были исследованы магнитные жидкости, представляющие собой однородную взвесь однодоменных частиц магнетита в керосине, стабилизированные олеиновой кислотой. Такие магнитные жидкости являются наиболее устойчивыми и могут сохранять однородность и магнитные свойства в течение десятков лет [158]. Дисперсионная среда (керосин), как следует из [159] является смесью углеводородов преимущественно С9–С16, температура плавления которых Тпл.=200-230 К, температура кипения Ткип.=473-573 К, плотность к=0,79-0,846 г/см3. Массивный магнетит обладает кристаллической структурой типа обращенной шпинели, его плотность м=5,21 г/см3, постоянная кристаллической решетки dм=0,8 нм [160], точка Кюри Тс=858 К. Удельная электропроводность магнетита =2·102 См/м. Длина молекулы цис-изомера олеиновой кислоты, вычисленная по ее структурной химической формуле СН3(СН2)7СН=СH(СН2)7СООН, составляет 1,5 нм, за эффективную длину обычно берут 2 нм [158]. Плотность олеиновой кислоты, согласно [161] при Т=293 К равна 0=0,895 г/см3. Молекула олеиновой кислоты обладает полярной головкой и нейтральным хвостом. Во время стабилизации коллоида молекулы олеиновой кислоты за счет хемосорбции закрепляются на поверхности магнетитовой частицы, при этом нейтральные концы обращены в жидкость-носитель. В настоящее время такие жидкости синтезируются как в нашей стране (Краснодар, Москва, Нарофоминск), так и за рубежом. Нами были исследованы магнитные жидкости, полученные из Краснодарского НИПИ Газпереработка. Средний 49 размер магнетитовых частиц в таких МЖ составляет около 10 нм. В качестве примера на рисунке 2.1 представлена фотография частиц исследованного образца, полученная ранее в [162] с помощью электронного микроскопа типа УЭМВ-100, а на рис. 2.2 - гистограмма распределения дисперсных частиц по размерам. Для исследований в качестве исходного был использован образец магнитной жидкости с объемной концентрацией магнетита C = 11% (намагниченность насыщения М= 54 кА/м). Как показали наблюдения исследуемого образца с помощью оптического микроскопа он оставался однородным во всем исследованном интервале температур (297 – 363 К). Для изменения концентрации дисперсной фазы производилось разбавление магнитной жидкости авиационным керосином ТС1 (к= 0,810 г/см3), кроме того в некоторых случаях объемное содержание магнетита повышалось путем выпаривания жидкости носителя в сушильном шкафу при температуре 50°С. Плотность образцов магнитной жидкости определялась методом гидростатического взвешивания в них эталонного цилиндра известного объема с помощью торсионных весов. Плотность образца определяли по формуле:

= Pв Pж, gV где Рв и Рж - вес цилиндра в воздухе и в жидкости соответственно. Определение объемной концентрации коллоида осуществлялось с помощью выражения:

C= к, м к Рис.

2.1.

Электронная фотография частиц МЖ, приготовленной в Краснодарском НИПИ Газпереработки.

F,% 10 8 6 4 30 d, нм Рис. 2.2. Гистограмма распределения частиц по размерам в магнитной жидкости, фотография которой приведена на рис. 2.1.

51 где, к, м - плотность магнитной жидкости, керосина и магнетита соответственно. Кроме структурно однородных образцов были исследованы также магнитные жидкости с хорошо развитой микрокапельной структурой, т.е. при наличии в них микрокапельных агрегатов. Такие образцы приготавливались искусственно, по методике использовавшейся ранее в [163], путем смешивания исходного, однородного образца магнитной жидкости со специально подобранным коагулятором – минеральным маслом. Смесь подогревалась до температуры 315 - 320 К и перемешивалась в течение 15-20 минут с помощью электромеханической мешалки. В результате этого была получена магнитная жидкость, содержащая множество мелких (2-7 мкм) капельных агрегатов, имеющих более высокое объемное содержание магнетита, чем омывающая их среда. Такая магнитная жидкость может быть идентифицирована как магнитная эмульсия, уникальность которой состоит в том, что и эмульгированные капли и омывающая их среда одинаковы коллоидов, по в природе, но отличаются которого плотностью. По-видимому, роль играет образование микрокапельных агрегатов характерно лишь для магнитных механизме существенную магнитодипольное взаимодействие дисперсных частиц. Вследствие того, что вещество микрокапельных агрегатов и омывающая их среда имеют разную плотность, они отличаются также величиной других физических параметров, некоторые из которых представилось необходимым измерить. С этой целью часть объема полученной МЖ оставлялась для основных исследований, другая часть заливалась в стеклянную трубку диаметром 0,6 см и высотой 80 см и выдерживалась в течение месяца при вертикальном положении трубки с целью осаждения микрокапельных агрегатов. Наблюдение седиментационного распределения проводилось измерением индуктивности небольшой катушки (высотой 1 см) и послужило основанием для разделения фаз. Наблюдения в оптический микроскоп показали, что осажденная фаза магнитной жидкости представляет собой плотную упаковку капельных 52 агрегатов, близкую к сплошной среде. В слабоконцентрированной фазе агрегаты при комнатной температуре обнаружены не были, однако, они появлялись при ее понижении до 278 – 273 К. После разделения фаз проводилось определение концентрации, удельной проводимости, магнитной и диэлектрической проницаемостей полученных фаз, при этом, параметры сильноконцентрированной фазы считались такими же, как и у вещества капель, слабоконцентрированной фазы – как у омывающей капли среды.

2.2. Методика исследования структуры магнитной жидкости Размеры диспергированных частиц в магнитных жидкостях имеют величину порядка 10-2 – 10-3 мкм, и поэтому не могут наблюдаться в оптический микроскоп. Размеры структурных образований на 2 - 3 порядка выше, вследствие чего представляется возможным их визуальное наблюдение в обычный микроскоп при соответствующем увеличении. Подобные наблюдения дают возможность проследить динамику роста структурных образований и их трансформацию при воздействии сдвигового напряжения. Фотографирование позволяет получить количественную информацию о форме агрегатов, их распределении по размерам и положении относительно течения в момент фиксации картины. Для визуального наблюдения и фотографирования структуры МЖ был использован микроскоп типа "Биолам" с набором окуляров и объективов, позволяющих получать необходимое увеличение. Микроскоп 5 помещался между катушками Гельмгольца кюветы 4, с создающими магнитной однородное жидкостью поле 2, в месте которая расположения термостатировалась с помощью жидкостного термостата (рис. 2.3). В зависимости от объекта наблюдения и целей эксперимента использовалась одна из описанных ниже ячеек. Для наблюдения структуры магнитной жидкости и ее трансформации под воздействием электрического и Рис. 2.3. Схема установки для визуального наблюдения и фотографирования структуры в тонких слоях магнитных жидкостей: 1 – осветитель, 2 – ячейка с магнитной жидкостью, 3 – термостатирующая оболочка, 4 – катушки Гельмгольца, 5 – микроскоп, 6 – фотоаппарат, 7 – ПК.

Рис. 2.4. Схема измерительной ячейки для исследования структуры в тонких слоях МЖ: 1 – стеклянные пластинки с прозрачным токопроводящим покрытием, 2 – фторопластовая пленка.

54 магнитного полей использовалась ячейка представленная на рисунке 2.4. Она состояла из двух прямоугольных стеклянных пластин с прозрачным токопроводящим покрытием 1. Между стеклами помещалась фторопластовая пленка 2 с круглым отверстием посредине, которое заполнялось магнитной жидкостью. Толщина слоя магнитной жидкости составляла 30-40 мкм и регулировалась подбором пленок разной толщины. Собранная таким образом кювета прижималась медный с помощью (рис. 2.5), механического которая пазы зажима 2 к термостатирующей массивный системе представляла собой параллелепипед, через в толще которого прокачивалась вода с заданной температурой. Исследование поведения немагнитных включений при совместном действии переменного электрического и магнитного полей проводилось с помощью ячейки, схема которой приведена на рисунке 2.6. Ячейка представляла собой предметное стекло 1, на поверхность которого наклеены две прямоугольные металлические пластины 2 (медная фольга), в зазоре между торцами которых при подаче на них напряжения создавалось электрическое поле. Зазор между пластинами заполнялся магнитной жидкостью, сверху ее объем ограничивался покровным стеклом 3, после чего ячейка закреплялась на столике микроскопа. Оценка размеров структурных образований, их линейных и угловых перемещений, проводилась с помощью окулярных шкал или окулярного микрометра, предварительно проградуированных с помощью стандартных объектмикрометров. Фотографирование осуществлялось с помощью цифровой фотокамеры Panasonic DMC-LC43EN. Снимки заносились в память компьютера, где проводилась их обработка и редактирование. Важная информация о структуре МЖ и ее трансформации при воздействии различных факторов может быть получена на основе анализа результатов исследования рассеяния света ее тонкими слоями. Этот метод позволяет изучить не только характер возникающих структурных решеток, 55 3 2 Рис. 2.5. Схема термостатирующей оболочки: 1 – вводы для прокачивания жидкости при термостатировании, 2 – прижимная пластинка, 3 – ячейка с магнитной жидкостью.

Рис. 2.6. Схема ячейки для исследования поведения немагнитных включений в электрическом и магнитном полях: 1 – предметное стекло, 2 металлические пластины, 3 – покровное стекло.

56 но и проследить динамику их трансформации при воздействии различных факторов (электрического и магнитного полей, сдвиговых напряжений). Для исследования светорассеяния структурированными магнитными жидкостями была сконструирована установка, схема которой приведена на рисунке 2.7. В качестве источника света 1 использовался гелий-неоновый лазер типа ЛГ-78 с длиной волны излучения = 6328. Луч света, проходил через тонкий слой магнитной жидкости, рассеивался на структурных образованиях и попадал на экран 5 или фотоприемник, электрический сигнал с которого регистрировался цифровым прибором или самописцем. В качестве приемника света использовался фотоэлемент (типа ФЭС-25) или фотосопротивление (в зависимости от целей эксперимента). При этом, предварительно снималась интегральная характеристика светочувствительности фотоприемника с целью выбора приемлемого ее участка в качестве рабочего и учета, в случае необходимости, его нелинейности. Кювета 2 с магнитной 3, жидкостью ранее, прижималась через к термостатирующей системе описанной которую прокачивалась вода с заданной температурой с помощью жидкостного термостата. Для наблюдения светорассеяния в магнитном поле ячейка снабжалась намагничивающей системой (катушками Гельмгольца), создающей однородное поле в объеме, в несколько раз превышающем габариты кюветы. При исследовании светорассеяния структурированными МЖ при воздействии электрического поля использовалась кювета, аналогичная используемой для наблюдения структурных образований в МЖ в электрическом и магнитном полях с помощью оптического микроскопа, описание которой приведено выше (рис. 2.4). При исследовании зависимости интенсивности рассеянного света от угла рассеяния в качестве фотоприемника использовалось фотосопротивление типа ФС-1. Оно укреплялось на кронштейне, с помощью которого перемещалось по дуге окружности, центр которой находился в месте расположения кюветы с МЖ. Отсчет угла осуществлялся с помощью 4 1 Рис. 2.7. Схема установки для исследования светорассеяния тонкими слоями магнитных жидкостей: 1 – лазер ЛГ-78, 2 – ячейка с магнитной жидкостью, 3 – термостатирующая оболочка, 4 – катушки Гельмгольца, 5 – фотоприемник.

58 лимба с ошибкой, не превышающей 0,1. Фотосопротивление включалось в цепь последовательно с эталонным резистором и стабилизированным источником тока. Напряжение на эталонном резисторе, пропорциональное интенсивности рассеянного света, измерялось с помощью цифрового вольтметра с ошибкой не более 0,5 %. Индикатрисы рассеяния получали путем последовательного измерения напряжения на эталонном резисторе при изменении угла рассеяния. Для измерения интенсивности не рассеянного лазерного луча она предварительно ослаблялась с помощью калибровочных фильтров с известным коэффициентом ослабления. Визуальное наблюдение дифракционных картин, возникающих при рассеянии света на структурных образованиях в магнитной жидкости, и их трансформация наблюдались на экране, расположенном на расстоянии 1 м от кюветы с образцом. При этом, осуществлялось ее фотографирование с помощью цифрового фотоаппарата, а для анализа динамики структурных превращений осуществлялись съемки с помощью видеокамеры.

2.3. Методика и техника реологических исследований магнитных жидкостей в электрическом и магнитном полях Схема установки для исследования вискозиметрических свойств магнитной жидкости приведена на рис. 2.8. Два резервуара для исследуемой жидкости 1 соединены плоским каналом прямоугольного сечения 2, выполненным из стекла с токопроводящим покрытием. Для создания течения в канале одно плечо вискозиметра соединялось с системой сообщающихся сосудов 3, заполненных водой. Разность уровней жидкости, заполняющей сосуды, определяла то давление р, под действием которого осуществлялось течение магнитной жидкости в капилляре из одного резервуара в другой и обратно. Большая площадь поперечного сечения сосудов (около 60 см2) позволяла поддерживать постоянный перепад давления в течение всего цикла 6 4 Рис. 2.8. Схема вискозиметрической установки: 1 – резервуары для исследуемой жидкости;

2 – вертикальный канал;

3 – сообщающиеся сосуды;

4 – калиброванная трубка;

5 – кран для подачи давления;

6 – спускные краны.

60 измерения. Минимальное давление выбиралось таким, чтобы можно было пренебречь влиянием уровня в измерительных резервуарах на перепад давления в канале. Объем перекачиваемой жидкости составлял 0,1 cм3 и контролировался по перемещению керосиновой капли в калиброванной стеклянной трубке 4, соединенной с одним из резервуаров. Для устранения ошибок измерения, связанных выравнивался, электрического для поля чего на с неравенством объема жидкости краны 6. Для в резервуарах 1, после каждого цикла измерений уровень жидкости в них использовались внутренние создания подавалось стенки капилляра напряжение от высокостабилизированного источника, однородное магнитное поле создавалось с помощью катушек Гельмгольца. Измерительный канал представлял собой узкую щель шириной а=0,05 мм между двумя стеклянными пластинами, высота канала b=10 мм, длина L=35 мм. Ширина канала выбиралась в соответствии с его длиной, диапазоном скоростей и требованием минимума концевых потерь. Динамические потери для данного канала определялись также экспериментально при тарировке вискозиметра. В качестве эталонных жидкостей использовались дистиллированная вода и авиационный керосин ТС1. Для определения параметров вискозиметра через экспериментальные точки в координатах р/Q2 и /Q по методу наименьших квадратов проводилась прямая: р/Q2=А/Q+В, где р – перепад давления на канале, Q – объемный расход жидкости, – динамическая вязкость жидкости, – ее плотность, А – тарировочная константа вискозиметра, В – величина, характеризующая динамические потери [164]. Теоретическое значение величины А, определяемое по формуле А=12L/a3b, незначительно отличалось от экспериментального. Результаты тарировки позволяют заключить, что в рабочем диапазоне вискозиметрической установки динамическими потерями можно пренебречь, так как В<<р/Q2.

61 Длина участка неустановившегося течения на входе канала для ньютоновской жидкости оценивается по формуле Шлихтинга [165] l=0,04аRe. В данном эксперименте длина входного участка не превышала 0,3% от длины канала. Для определения вязкости = / & необходимо связать в какой-либо точке течения тангенциальное напряжение и скорость сдвига с & измеряемыми величинами р и Q. В случае малых динамических потерь величина на станке канала определяется перепадом давления на канале: =ар/2L при а<

6Q 1 d ln Q / p 1 +. a 2b 3 d ln p & = Вычисленные таким образом значения вязкости воды и керосина отличались от табличных не более, чем на 2%. Вследствие оптической прозрачности канала, установка позволяла одновременное с реологическими исследованиями осуществлять визуальное наблюдение возникающих и в МЖ под воздействием электрического поля и трансформирующихся в потоке структур. Использование описанной вискозиметрической установки давало возможность также проводить изучение оптических эффектов (п.2.2), возникающих при рассеянии лазерного луча на различным образом упорядоченных в потоке структурных образований. Прямоугольный канал вискозиметрической установки образует плоский конденсатор с площадью электродов (1035) мм2, что позволяет использовать его для измерения электрофизических характеристик тонкого слоя (0,05 мм) движущейся магнитной жидкости. Вольтамперные характеристики такой ячейки измерялись с помощью цифрового вольтметра постоянного тока Щ1516 и микроамперметра Ф195. В зависимости от целей 62 эксперимента для измерения электрофизических параметров магнитной жидкости использовалась также ячейка с круглыми медными электродами диаметром 30 мм и межэлектродным расстоянием 2 мм. Максимальная погрешность измерений при этом не превышала 3%.

2.4. Методика и техника исследования теплопроводности магнитных жидкостей Для исследования метод для теплопроводности исследований магнитной слоя прибор, жидкости [166, 167]. схематически использовался Применяемый плоского горизонтального проведения изображен на рис. 2.9. Он состоит из трех круглых латунных пластин 1, 2, 3, толщиной 5 мм и плексигласовыми диаметром 10 см, отделенных друг от друга Температура нижней пластины 3 прокладками.

поддерживалась постоянной за счет протекания холодной воды через прижатый к ней медный сосуд 4, температура верхней пластины (50°С) задавалась путем прокачивания воды через медный сосуд 5 с помощью жидкостного термостата. Для улучшения теплового контакта, в пространство между пластинами и сосудами 4, 5 заливалась высокотеплопроводная паста КПТ. Вся установка помещалась на столике с установочными винтами и уровнем. Зазор (1 мм) между верхним и промежуточным диском заполнялся исследуемой жидкостью. Между промежуточным и нижним диском помещался слой эталонного вещества – керосина. Для уменьшения отвода тепла с боковых поверхностей латунных дисков использовались охранные кольца, выполненные из оргстекла. В глубоких (15 мм) и узких (=1 мм) сверлениях дисков впаивались дифференциальные термопары 6 (медьконстантан), измеряющие разность температур в исследуемом и эталонном 6 5 1 2 3 К Д mV 9 Рис. 2.9. Схема установки для измерения теплопроводности: 1, 2, 3, латунные пластины;

4, 5 – охлаждающий и теплоотдающий сосуды;

6 – дифференциальные медь - константановые термопары;

7 – сосуд Дьюара;

8 – ключ;

9 – милливольтметр.

64 слоях жидкости (холодные спаи термопар помещались в сосуд Дьюара с тающим льдом). Для определения теплопроводности исследуемой среды использовалась формула = э t э l t l э (индекс э относится к эталонному слою). Погрешность использованного метода составляла 3% и складывалась из аппаратной погрешности (вольтметр ВК2-20), которая не превышала 0,5%, и погрешности коэффициента магнитного градуировочных теплопроводности установка экспериментов. магнитной Случайный от разброс действия системой результатов не превышал 5%. Для возможности исследования зависимости жидкости поля снабжалась намагничивающей (кубической катушкой c пятисекционной обмоткой, с отношением числа витков 19:4:10:4:19), позволяющей создавать однородное магнитное поле в объеме, образцом. Данная коэффициента магнитная источника установка позволяла проводить измерение зависимости теплопередачи исследуемого напряжение образца от от действия намного превышающим объем, занимаемый исследованным электрического поля. Для этого на диски, между которыми заливалась жидкость, П137, подавалось стабилизированного Щ1516. которое контролировалось вольтметром Стационарность теплового потока, обеспеченного конструкцией установки, давала возможность измерения отношения коэффициента теплоотдачи ( a ' ) в электрическом поле к коэффициенту теплоотдачи ( a ) при его отсутствии ' a ' / a = (t2 t1' ) /(t2 t1 ).

65 2.5. Методика исследования магнитных свойств магнитной жидкости Для измерения намагниченности магнитных жидкостей в полях напряженностью от 10 до 800 кА/м, а также определения намагниченности насыщения, одной из основных характеристик МЖ, был использован вибрационный магнетометр фонеровского типа, аналогичный описанному в [168]. Техника и методика эксперимента, а также анализ погрешностей измерения подробно описаны в [94] (погрешность измерения намагниченности насыщения не превышала 3%). Для измерения магнитной восприимчивости использовался мостовой метод. Мостовой метод основан на измерении мостом переменного тока параметров катушки с исследуемым образцом, по которым определяются магнитные свойства материалов. Широкое применение мостовых схем в измерительной технике объясняется большой точностью измерений и высокой чувствительностью. Величина напряженности магнитного поля, требуемая для использования этого метода, может иметь малое значение (10-1 - 100 А/м), которая недостаточна для структурирования МЖ и изменения, как следствие, их магнитных свойств или для наступления магнитного насыщения системы. Магнитная восприимчивость измерялась при низких частотах измерительного поля (30 - 300 Гц). Выбор низких частот обусловлен предположением о малой величине диссипативных потерь в исследуемых МЖ на этих частотах, когда отличие действительной части комплексной магнитной восприимчивости от магнитной восприимчивости, измеренной в постоянном поле, незначительно. Действительно, в рамках дебаевской теории поляризации это отличие определяется множителем, зависящим от частоты переменного поля и времени релаксации магнитного момента:

= 0 = A 0 1 + ( ) (2.1) 66 Значение коэффициента A, рассчитанное в диапазоне частот 20 - 300 Гц, с использованием значений оценок, полученных в работах [58, 169], близко к единице, так что отличие ’ и 0 в формуле (2.1) не выходит за пределы приборной погрешности. В общем случае зависимость намагниченности от напряженности поля может быть представлена разложением в ряд, значение коэффициентов намагничивания: которого характеризует нелинейность процесса M = 1 H + 2 H 2 +... + n H n (2.2) Неучет этого обстоятельства может привести к дополнительным ошибкам при определении магнитной восприимчивости в переменном поле на основной частоте. В связи с этим, экспериментальные исследования проводились при малом значении амплитудного значения поля, соответствующему начальному участку кривой намагничивания. В этом случае прямые измерения зависимости М(Н) не обнаружили отклонения от ее линейности. Напряженность измерительного поля соленоидов рассчитывалась по току в обмотке и не превышала 160 ± 5 А/м. Определение тока осуществлялось по падению напряжения на участке подводящего провода, величина которого регистрировалась вольтметром типа Ф-5053. Расчет действительной части магнитной восприимчивости проводился по изменению индуктивности измерительного соленоида при внесении в его поле образца [169]. В этом случае происходит изменение индуктивности катушки на величину L, пропорциональную действительной части комплексной магнитной восприимчивости образца L = Al L0 = эф L0.

Коэффициент пропорциональности Al определяется соотношением размеров и формы образца и катушки и их взаимным расположением. Измерительная ячейка для определения абсолютных значений магнитной восприимчивости представляла собой бескаркасный однослойный соленоид (301 см), содержащий 600 витков. Систематическая погрешность, 67 обусловленная конструктивными особенностями данной ячейки, определяется в основном двумя факторами: степенью заполняемости поля соленоида образцом и размагничиванием, вследствие не замкнутости его формы. В первом случае необходимая поправка определяется 2 d ср коэффициентом Al, оценка которого в виде Al = (d ср d1 / 2) 2, (dср средний диаметр соленоида, d1 - диаметр провода, которым выполнена обмотка) имеет величину 1,02. Во втором случае для расчета поправки была использована известная формула: T = (1 + N ), где T и - магнитная восприимчивость тела и вещества соответственно. Отличие T и для МЖ с магнитной восприимчивостью порядка с учетом величины размагничивающего фактора для N образцов в ячейке с данными параметрами [168] составляет около 0,8 %. Измерение индуктивности соленоида проводилось с помощью измерителя иммитанса LCR-817 при частоте измерительного поля 30 Гц с ошибкой, не превышающей 0,05%.

68 ГЛАВА 3. СТРУКТУРНОЕ И МАГНИТНОЕ УПОРЯДОЧЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ В МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ 3.1. Эффекты деформации микрокапельных агрегатов в магнитной жидкости при воздействии сдвиговых напряжений, магнитного и электрического полей Как следует из анализа литературы, проведенного в первой главе, в настоящее время считается установленным фактом, что даже в хорошо стабилизированных коллоидных системах, может происходить объединение частиц в агрегаты, когда расстояние между ними соответствует второму минимуму энергии взаимодействия при сохранении барьера отталкивания, а также в случае малой глубины первого минимума. Наблюдения с помощью оптического микроскопа обнаруживают взвешенные в магнитных коллоидах структурные образования, в основном двух типов [34] – микрокапельные, имеющие упругую оболочку, и квазитвердые, иногда внешне напоминающие кристаллические образования. В магнитной жидкости на основе керосина чаще наблюдаются микрокапельные агрегаты, образование которых является уникальным процессом, характерным только для коллоидных систем с магнитодипольными частицами. Концентрация дисперсных частиц в микрокаплях может быть значительно выше [170], чем в омывающей среде, а магнитная проницаемость микрокапель достигает нескольких десятков единиц. Ранее [94] было показано, что магнитные жидкости с хорошо развитой микрокапельной структурой обладают рядом особенностей их оптических и магнитных свойств, обусловленных поведением микрокапельных агрегатов в магнитном и электрическом полях. Наличие сдвигового течения также может приводить к деформации и дроблению микрокапельных агрегатов и появлению, как следствие структурной и 69 оптической анизотропии, что исследовалось в [72, 171] в случае создания сдвигового течения между неподвижным и вращающимся дисками. Вместе с тем, представилось необходимым рассмотреть поведение микрокапельных агрегатов в более простом поле скоростей – в случае движения магнитной жидкости в плоском капилляре, осуществляемом за счет разности давлений на его концах. Использование экспериментальной установки для этой цели, описанной в главе 2 (п. 2.2, 2.3) позволяет одновременное наблюдение деформации агрегатов с помощью оптического микроскопа, исследование анизотропного рассеяния света путем пропускания перпендикулярно плоскости капилляра луча лазера, а также изучения изменения вязких свойств текущей жидкости при изменении формы или ориентации деформированных микрокапельных агрегатов. В качестве объекта исследования были использованы магнитные жидкости с микрокапельной структурой, полученные путем фазового расслоения магнитной жидкости на основе керосина при добавлении коагулятора – минерального масла [42]. В этом случае происходит образование множества микрокапель диаметром 3-5 мкм, объемное содержание которых может достигать 30%. Полученные таким образом микрокапли обладают сильными магнитными свойствами (µ=15-20) и окружены менее концентрированной магнитной средой. Исследованный образец был приготовлен из магнитной жидкости на основе керосина с магнетитовыми частицами и олеиновой кислотой в качестве стабилизатора. Объемная концентрация магнетита составляла 7%, динамическая вязкость 6,510-3 Пас. В исходный образец было добавлено минеральное масло в объеме, составляющем четвертую часть от объема МЖ, после чего полученная смесь была подогрета до 45 С и перемешана с помощью электромеханической мешалки. В результате этого была получена магнитная жидкость с хорошо развитой системой микрокапельных агрегатов, объемное содержание которых составило около 20 %.

70 В отсутствие движения жидкости в капилляре, при пропускании лазерного луча перпендикулярно стенкам ячейки, в случае направления магнитного поля вдоль луча света, на экране наблюдалось дифракционная картина в виде светлого кольца, обусловленная рассеянием луча лазера на сформировавшейся гексагональной структуре, о которой ранее сообщалось в ряде работ [55, 81, 87]. В этом случае сформированные за счет действия поля игольчатые агрегаты располагаются в вершинах гексагонов, при этом при большом объемном содержании высококонцентрированной фазы их торцы упираются в стенки кюветы, в результате чего их (торцов) поверхность становится плоской. При других условиях (малой концентрации или небольших размерах агрегатов) выстроенные вдоль напряженности поля, перпендикулярно плоскости слоя агрегаты могут иметь игольчатую форму, с касающимися стенки кюветы концами. Кроме того, возможно образование двухслойной структурной решетки, каждый слой из которой состоит из агрегатов эллипсоидальной формы, ориентированных большой осью вдоль поля с длиной не превышающей половины толщины кюветы [172]. Оказалось, что действие сдвигового течения приводит к различным результатам в зависимости от характера структурной решетки. Так, действие течения на решетку, концы вытянутых вдоль поля агрегатов которых “смачивают поверхность” кюветы первоначально приводит к изменению формы площади торцов (рис. 3.1а), при последующем повышении скорости потока происходит полное разрушение первоначальной структуры и возникновение новой, полосовой структурной решетки (рис. 3.1б). В соответствии с этим происходит и изменение характера дифракционной картины - кольцо трансформируется при увеличении скорости потока в систему светлых пятен, расположенных вдоль вертикали (рис. 3.2). При воздействии течения на систему вытянутых вдоль поля капель, с концами, “не закрепленными” на стенках кюветы, происходит поворот агрегата, так что угол между его большой осью и плоскостью стенки кюветы становится отличным от прямого. При этом, в соответствии с профилем скорости а) б) & Рис. 3.1. Трансформация микрокапельной структуры в потоке (а - =10 с-1, б & - =100 с-1).

а) б) в) г) Рис. 3.2. Дифракционное рассеяние света, обусловленное движением & & & & микрокапельной структуры (а - =0, б - =10 с-1, в - =30 с-1, г - =50 с-1).

73 жидкости в сечении кюветы, агрегаты, находящиеся вблизи разных стенок поворачиваются в разные стороны, в результате чего образуются две решетки с разной ориентацией больших осей агрегатов. Ранее в [23] было показано, что в случае гексагональной структуры, образованной цилиндрическими агрегатами ориентированными под некоторым углом, мало отличным от 90 градусов углом к плоскости слоя, дифракционная картина представляет собой не кольцо, а полукольцо (дугу), проходящую через точку падения лазерного луча на экран. При этом радиус кривизны дуги в несколько раз превышает радиус кольца, образующегося в случае гексагональной структуры с агрегатами, ориентированными перпендикулярно плоскости слоя. По-видимому, с образованием двух структурных решеток при воздействии течения на одномерную гексагональную решетку и связан характер наблюдаемой в этом случае дифракционной картины – вместо кольца малого диаметра образуются две полуокружности, касающиеся в точке падения луча лазера на экран. На рис. 3.3 показан фрагмент такой дифракционной картины. Отметим, что устойчивая дифракционная картина в этом случае получается при малых напряженностях поля и скорости потока и определенном соотношении их величин. Отметим, что при отсутствии магнитного поля деформация микрокапельных агрегатов только за счет действия сдвигового течения не наблюдалась. По-видимому, это связано с малым размером капель при отсутствии поля и группировкой их в центральной части потока, где градиент скорости мал. При направлении магнитного поля вдоль скорости потока микрокапли деформируются вдоль поля, однако регулярной структурной решетки в этом случае не образуется, в результате чего дифракционная картина представляет собой вертикальную непрерывную светлую полосу. Кроме исследования особенностей деформации микрокапель при совместном действии магнитного поля и сдвигового течения, были проведены аналогичные исследования при дополнительном воздействии электрического поля. Ранее [98] было показано, что при воздействии на Рис. 3.3. Фрагмент картины дифракционного рассеяния света на структуре, сформированной магнитным полем, перпендикулярном плоскости канала, и течением.

75 жидкость переменного электрического поля в ней возможно возникновение структурной решетки лабиринтного типа, трансформирующейся при повышении частоты в систему сплюснутых капель. Нами было исследовано воздействие на данные структуры магнитного поля и сдвигового течения с целью выяснения возможности управления данными структурами и повышения степени их регулярности. Оказалось, что в случае лабиринтной структурной решетки (рис. 3.4а, частота =5 кГц) дифракционная картина представляет собой светлое кольцо. Воздействие сдвигового напряжения приводит к трансформации лабиринтной решетки в полосовую и появлению дифракционных максимумов (рис. 3.4в), соответствующих дифракционной решетке с периодом d=20 мкм, что согласуется с данными измерений, проведенных при наблюдении структуры в оптический микроскоп при использовании окулярного микрометра (рис. 3.4б). Повышение частоты электрического поля до 20 кГц приводило к трансформации лабиринтной решетки в систему капельных образований (рис. 3.5а). При воздействии сдвигового течения на такую структуру происходит вытягивание капель вдоль скорости потока уже при малых скоростях сдвига (рис. 3.5б), а дифракционная картина представляет собой непрерывную вертикальную светлую полосу (рис. 3.5в) без каких либо максимумов. Это может свидетельствовать об отсутствии упорядочения в исходной структурной решетке. При воздействии на магнитную жидкость с лабиринтной структурой магнитного поля (Н=3,5 кА/м), направленного по вертикали, происходит трансформация лабиринтов в систему полос, вытянутых вдоль линий напряженности магнитного поля (рис. 3.6а). Возникающая при этом дифракционная картина рассеяния света представлена на рис. 3.6б, период дифракционной решетки составляет d=45 мкм, что находится в хорошем согласии с измерениями, проведенных с помощью окулярного микрометра. Течение разрушает возникшую структуру, что приводит к исчезновению дифракционной картины.

а) б) в) Рис. 3.4. а - лабиринтная структура, возникающая в переменном электрическом поле (f=2 кГц);

б – ее трансформация в потоке;

в – & дифракционное рассеяние света на трансформированной структуре ( =50 с-1).

а) б) в) Рис. 3.5. а – система микрокапельных агрегатов, возникающая в переменном электрическом поле (f=20 кГц);

б – ее трансформация в потоке;

в – & дифракционное рассеяние света на трансформированной структуре ( =50 с-1).

78 При ориентации вектора напряженности ячейки магнитного поля перпендикулярно плоскости лабиринтная структура трансформируется (рис. 3.7а), и при воздействии сдвигового напряжения возникает устойчивая дифракционная картина (рис. 3.7б), что указывает на возможность устойчивого положение капли при воздействии постоянного магнитного, переменного электрического полей и сдвигового напряжения. Действие магнитного поля на капельную структуру, возникающую при высоких течением, частотах электрического поля, приводит к возникновению трансформации структурой лабиринтной структуры, поэтому воздействие, оказываемое в данном случае аналогично исследованному выше случаю течением лабиринтной структуры. Объяснение обнаруженной возможности управления движущейся магнитной жидкости может быть проведено при использовании энергетического подхода, который ранее использовался при объяснении особенностей рассеяния света структурированной магнитной жидкостью, вращающейся между двумя прозрачными дисками [72]. Полная складывается натяжения энергия из деформированного компоненты микрокапельного и энергии агрегата магнитной поверхностного (3.1) W = Wm + W.

Энергия сил поверхностного натяжения равна W = S, деформированной микрокапли.

(3.2) где - коэффициент поверхностного натяжения, S - площадь поверхности Принимая, что форма деформированной микрокапли близка к форме эллипсоида вращения, для площади поверхности используем выражение:

S = 2R 2 (1 e 2 )1 / 3 [1 + arcsin e ], e(1 e 2 )1 / где e - эксцентриситет вытянутой капли, R - радиус невозмущенной капли.

а) б) Рис. 3.6. а – полосчатая структура, возникающая при воздействии на лабиринтную структуру магнитного поля, направленного по вертикали;

б соответствующая ей дифракционная картина.

а) б) Рис. 3.7. а - структура, возникающая при воздействии на лабиринтную структуру, сформированную в переменном электрическом поле, магнитного поля, перпендикулярного плоскости ячейки;

б – дифракционное рассеяние света, возникающее при течении такой структуры.

81 Магнитная компонента энергии равна Wm = µ 0 (mH ), (3.3) где m и H – векторы магнитного момента капли МЖ и напряженности однородного магнитного поля. Проекции вектора H на оси координат, связанные с полуосями капли, можно записать в виде:

H x = H cos, H y = H sin, где - угол между вектором напряженности поля и ориентацией большой оси капельного агрегата. Угол характеризует поворот за счет действия сдвигового течения первоначально деформированного вдоль направления магнитного поля микрокапельного агрегата и может быть определен из условия равенства момента магнитных и вязких сил: K m = K. При этом механический момент магнитных сил определяется выражением:

K m = µ 0 [m H ], а момент вязких сил может быть определен [72] в виде:

K=L, где L – коэффициент сопротивления, определяемый соотношением полуосей частицы анизотропной формы (деформированной микрокапли) и вязкостью окружающей ее жидкости [173]:

8a 3. L= 2a 3 ln 0.8 b Учитывая геометрию течения, получим выражение для скалярного значения момента вязких сил:

K = L cos 2.

С учетом размагничивающего фактора для проекций магнитного момента получим:

82 mx = my = µ 1 abc Hx, 3 1 + (µ 1) N 2(µ 1) abc Hy, 3 1 + µ (µ 1) N где a,b,c – полуоси эллипсоида вращения, N – размагничивающий фактор. После элементарных преобразований, проведенных с использованием вышеприведенных формул, получим выражение для модуля механического момента магнитных сил: 1 22 Km = 1 + 3 µ 0VH e sin 2. 10 Для момента вязких сил, действующих на каплю, можно записать K = 3 1 e ln 2 8R 3 1 - e 0.8 (3.4) ( ) cos 2.

(3.5) Приравнивая (3.4) и (3.5), получим:

1 + 3 1 + 3 tg = 10. 50 µ 0 H 2 e 2 0.2 + 0.6e 2 µ0 H 2e ( ) (3.6) Подставляя в (3.6) выражение для эксцентриситета e= 16 µ 0 R 3cos 2 1 H 1 + 3 ( ) (3.7) получим кубическое уравнение относительно tg: tg 3 + A tg 2 2 tg + A = 0, где (3.8) 1675 1 + 3 A=. 8 µ 2 RH 4 0 При малых углах решение уравнения (3.8) можно представить в виде: 1675 1 + 3 tg =. 16 µ 2 RH 4 (3.9) 83 Подставляя численные значения (=15;

=10-5 Дж/м2;

R = 3 10 6 м ;

µ0=410-7 Гн/м, Н=1 кА/м) получим зависимость тангенса угла наклона от градиента скорости, справедливую для малых углов поворота: tg = 5.6 10 -3, (3.10) Использование приведенных выражений для магнитной (3.3) и поверхностной (3.2) энергии деформированного микрокапельного агрегата позволили получить зависимость полной энергии ориентированного под некоторым углом к направлению магнитного поля от величины его эксцентриситета, которая приведена на рисунке 3.8. Наличие структурных образований, их деформация и изменение размеров должно оказывать влияние на реологические свойства магнитных жидкостей. С целью обнаружения такого влияния было проведено исследование вязкости магнитной жидкости с микрокапельной структурой при различных напряжениях сдвига и воздействии постоянного магнитного поля. Действительно, оказалось, что вязкость такой магнитной жидкости зависит от величины и направления напряженности внешнего магнитного поля, действие которого приводит к деформации микрокапельных агрегатов. Так, при совпадении скорости в вектора напряженности когда магнитного поля с направлением вязкости. течения, случае микрокапельные агрегаты поля деформируются и вытягиваются вдоль течения, происходит уменьшение Напротив, направления напряженности перпендикулярно направлению течения вязкость увеличивается (рис. 3.9). Анализ полученных результатов может быть проведен с помощью расчетов, проведенных Джеффри [178]. Им было исследовано движение жесткой эллипсоидальной частицы в сдвиговом течении, в результате чего для для вязкости суспензии несферических частиц получена формула :

=0(1+), где - множитель, зависящий от геометрии данного эллипсоида.

(3.11) 22 W W ( e) 0.8 0.9 е e Рис. 3.8. График зависимости полной энергии капли от эксцентриситета (Н=1 кА/м, = 10 5 Дж м 2 ;

R=3 мкм, =20 с-1).

1,06 1,04 1,02 1 0,98 0,96 0,94 0,92 / 1, с- Рис. 3.9. Зависимость эффективной вязкости магнитной вязкости с микрокапельными агрегатами от скорости сдвига в магнитном поле Н=2,8 кА/м (1 - Н перпендикулярен плоскости ячейки, 2 - Н направлен по вертикали, 3 - Н направлен вдоль течения).

85 Согласно выдвинутой Джеффри гипотезе, эллипсоидальные частицы будут двигаться по орбитам, соответствующим наименьшей диссипации энергии. В таком случае, для суспензии эллипсоидальных частиц, ориентированных вдоль течения можно принять = 0 (1 + 2 ), что соответствует вязкости суспензии частиц сильно вытянутой формы. Если же размеры частицы во всех направлениях сравнимы, то = 0 (1 + 2,5 ). Таким образом, в пределах применимости этих формул (концентрация не должна превышать 10 %) уменьшение вязкости за счет изменения формы может достигать 4% (при эллиптичности =0,8), что и может служить обоснованием результатов эксперимента. При направлении вектора напряженности магнитного поля по вертикали в плоскости капилляра движутся капли эллипсоидальной формы, вытянутые вдоль направления поля. В таком случае множитель возрастает, начиная превышать значение 2,5. При эллиптичности = (a b ) = 0. a =3,548, тогда вязкость суспензии, рассчитанная по формуле (3.11) увеличится по сравнению с вязкостью суспензии сферических частиц на 8%. Эти расчеты указывают на возможность объяснения вязкости результатов МЖ с проведенных Случай экспериментальных исследований вектора микрокапельными агрегатами на основе деформационного механизма. перпендикулярной плоскости ориентации ячейки в напряженности поля относительно гидродинамическом отношении аналогичен рассмотренному выше случаю вертикальной ориентации поля, поэтому наблюдаемый рост вязкости в данном случае также объясним несферичностью формы и ориентацией эллипсоидальных капель относительно скорости течения.

86 3.2. Структура и особенности реологических свойств магнитной жидкости в электрическом поле Ранее в [98] было исследовано образование периодических структурных решеток лабиринтного и полосчатого типа в тонких слоях магнитных жидкостей при воздействии постоянного электрического поля. Естественно предположить, что эти процессы могут приводить к ряду особенностей физических свойств магнитных коллоидных систем, в частности, реологических и оптических. В связи с этим, были проведены исследования возникновения подобных структур в движущейся магнитной жидкости и влияния процессов структурообразования на ее реологические и оптические свойства. Исследовалась магнитная жидкость типа магнетит в керосине, стабилизированная олеиновой кислотой, с намагниченностью насыщения 49 кА/м, объемной концентрацией дисперсной фазы – 10,6 % и динамической вязкостью 5·10-3 Пас. Для исследований была использована экспериментальная установка (описание которой приведено в п. 2.3), позволяющая измерять вязкость и светорассеяние при воздействии на образец как электрическим, так и магнитным полем. Было установлено, что воздействие электрического поля приводит при некотором значении его напряженности к возникновению в первоначально “однородной” неподвижной МЖ полосчатой структурной решетки с направлением полос вдоль силы тяжести (рис. 3.10а). Использование луча лазера позволяет в этом случае получить дифракционную картину, представленную на рис.3.10б. При этом, расчеты периода структурной решетки по известной формуле для дифракционного максимума d sin = k дают значение, близкое к измеренному с помощью оптического микроскопа при использовании объект-микрометра (d=5-7 мкм).

а) б) Рис. 3.10. Полосчатая структура магнитной жидкости (а);

дифракционная картина рассеяния света на полосчатой структуре (б).

а) б) Рис. 3.11. Структура магнитной жидкости при воздействии постоянного электрического поля и сдвигового течения (а);

дифракционная картина рассеяния света на данной структуре.

88 При создании в ячейке течения структура претерпевает существенные изменения. Так, первоначально возникшая под воздействием постоянного электрического поля полосчатая структурная решетка трансформируется в потоке в систему вытянутых вдоль скорости потока нитевидных образований (рис. 3.11а, & =100 с-1). Достаточно хорошая регулярность структурной решетки, полученной при наличии течения, позволяет получить характерную для таких решеток дифракционную картину в виде чередующихся темных и светлых пятен (рис. 3.11б). Вместе с тем, расчеты, проведенные при использовании условия дифракционного максимума в этом случае оказались в плохом соответствии с измеренными с помощью оптического микроскопа. По-видимому, это связано с многослойностью и подвижностью структурной решетки, сформировавшейся при одновременном действии электрического поля и гидродинамического течения. Существенное влияние на структурные решетки, сформировавшиеся в электрическом поле, оказывает дополнительное действие постоянного магнитного поля;

с его помощью можно как регулировать величину периода структурных решеток, так и полностью изменять их характер. Наличие структурных образований в исследуемой среде должно приводить к особенностям ее реологических свойств. Однако полученные кривые течения магнитной жидкости оказались линейными в исследованном диапазоне скоростей сдвига (рис. 3.12). Действие электрического (до Е=200 кВ/м, соответствующей ЭГД - неустойчивости жидкости) и магнитного поля (до Н=3,5 кА/м) не изменяли ньютоновского характера течения жидкости. Вместе с тем оказалось, что возникновение структурных решеток в первоначально «однородной» магнитной жидкости при воздействии на нее электрического поля оказывает влияние на характер зависимости величины вязкости магнитной жидкости от напряженности электрического поля. На рис. 3.13 представлена зависимость относительной величины динамической, с- 600 500 400 300 200 100 0 3 2 0. 1. 2. 3, Па Рис. 3.12. Кривые течения магнитной жидкости (кривая 1 – U=0, кривая 2 – U=6 В, кривая 3 – U=8 В).

’/ 3 1 0.9 0.8 0.7 I/I0, 10-3 25 20 1 15 10 U, В Рис. 3.13. Зависимости относительной величины вязкости и относительной величины светорассеяния от напряжения на электродах.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.