Динамические особенности процесса разрыва-восстановления магнитножидкостной мембраны

Шабанова, Ирина Александровна

Динамические особенности процесса разрыва-восстановления магнитножидкостной мембраны тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Шабанова, Ирина Александровна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Орел МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Динамические особенности процесса разрыва-восстановления магнитножидкостной мембраны»

Автореферат диссертации на тему "Динамические особенности процесса разрыва-восстановления магнитножидкостной мембраны"

На правах рукописи

Шабанова Ирина Александровна

ДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА РАЗРЫВА-ВОССТАНОВЛЕНИЯ МАГНИТНОЖИДКОСТНОЙ МЕМБРАНЫ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

12 [др т

КУРСК-2012

005012253

Работа выполнена на кафедре физики Юго-Западного государственного университета

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

заведующий кафедрой физики ЮЗГУ, Полунин Вячеслав Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор,

профессор кафедры физики ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет» Неручев Юрий Анатольевич кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры общей физики ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный университет» Бондаренко Елена Александровна

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт механики сплошных сред УрО РАН

Защита состоится 29 марта 2012 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.105.04 при Юго-Западном государственном университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮЗГУ. Автореферат разослан Лфевраля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного советй)

кандидат физико-математических нсляк0ва Л.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 1 • Актуальность исследования. В число первых в истории достижений нанотехнологий входит создание жидкостей, обладающих сильными магнитными свойствами, - магнитных жидкостей (МЖ). Об уникальности физических свойств МЖ (способность намагничиваться до насыщения, эффективное взаимодействие с магнитными полями, текучесть) в отечественной литературе впервые сообщается в работе М.И. Шлиомиса (Шлиомис М.И. Магнитные жидкости // Успехи физ. наук. 1974. Т. 112. № 3. С. 427-459). Эти качества предопределяют широкие возможности их применения в различных областях науки и техники и, вместе с тем, делает актуальной задачу исследования физических механизмов процессов, протекающих в магнитожидкостных активных элементах перспективных устройств и приборов.

В настоящее время основное применение МЖ находят в магнитожидкостных герметизаторах (МЖГ) и в магнитожидкостных уплотнителях (МЖУ), используемых, прежде всего, в космических технологиях. Среди отечественных ученых значительные достижения в создании этих устройств принадлежат Д.В. Орлову, А.П. Сизову, Ю.О. Михалеву, В.В. Подгоркову (Д.В. Орлов, Ю.О. Михалев, Н.К. Мышкин и др. Магнитные жидкости в машиностроении // М.: Машиностроение. 1993. - С. 272), Ю.Я. Щелыкалову, Ю.Б. Казакову, H.A. Морозову, Ю.И. Страдомскому (Казаков Ю.Б, Морозов H.A., Страдомский Ю.И., Перминов С.М. Герметизаторы на основе нанодисперсных магнитных жидкостей и их моделирование // ГОУВПО «Ивановский гос.энергет. ун-т им. В.И. Ленина»: Иваново. 2010. -С. 184.). Большое значение имеют прочностные и кинетические свойства этих устройств. Однако остается невьисненной физическая природа факторов, которые обусловливают динамику разрыва и восстановления отверстия магнитожидкостных перемычек при достижении критического перепада давления в условиях эксплуатации. Строгое аналитическое решение данного вопроса, основанное на привлечении уравнений магнитогидродинамики с

учетом сил поверхностного натяжения, конкретной геометрии магнитного поля и свободной поверхности магнитожидкостной мембраны (МЖМ), представляется чрезвычайно сложной задачей.

В связи с этим возникает интерес к экспериментальному исследованию МЖМ, которая, как показано в монографии В.М.Полунина (Полунин В.М. Акустические эффекты в магнитных жидкостях // М: ФИЗМАТЛИТ, 2008. -С 207), может выступать как модель МЖГ и МЖУ, и имеет перспективу применения в виде самостоятельного устройства. При этом в качестве расчетной базы целесообразно использовать результаты достаточно подробно изученных теоретически и экспериментально проблем акустической кавитации (Сиротюк М.Г. Акустическая кавитация // Под ред. В.А. Акуличева. - М.:Наука, 2008.- С. 271). Такого рода исследования способствуют развитию физических представлений о магнитогидродинами-ческих процессах в нанодисперсных магнитных жидкостях.

Целью диссертационной работы является изучение динамики процесса разрыва-восстановления МЖМ на основе классической модели Рэлея, адаптированной к условиям пондеромоторного взаимодействия нанодис-персной МЖ с неоднородным магнитным полем. Задачи исследования:

- Осуществить синтез образцов магнетитовой МЖ различной концентрации, предназначенных для образования исследуемой МЖМ, при комплексном физическом анализе нанодисперсной магнитной фазы методами магнито-гранулометрии (МГМ), акустогранулометрии (АГМ), атомной силовой микроскопии (АСМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

- Получить оптическим методом экспериментальные данные о диаметре, времени жизни каверны в МЖМ и скорости перемещения ее границы на этапах расширения и захлопывания.

- Исследовать топографию активной зоны магнитного поля кольцевого магнита, используемого для создания МЖМ.

- Рассчитать компоненты давления, оказываемого на основание и боковую

поверхность оболочки цилиндрической формы заполняющей ее магнитной жидкостью, помещенной в активную зону магнита.

- В приближении слабомагнитной среды установить вид свободной поверхности МЖМ, обусловленный топографией магнитного поля.

- Разработать модель динамики процесса разрыва-восстановления МЖМ с применением выводов классической теории Рэлея, адаптированной к условиям пондеромоторного взаимодействия нанодисперсной МЖ с неоднородным магнитным полем.

- Провести сравнительный анализ экспериментальных данных по времени захлопывания каверны в МЖМ и скорости ее расширения с выводами предложенной модели.

Объектом исследования является нанодисперсная магнетитовая МЖ на основе керосина. Предмет исследования - динамика процесса разрыва -восстановления магнитожидкостной мембраны.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные данные о динамических особенностях разрыва-восстановления МЖМ на образцах синтезированной МЖ при комплексном физическом анализе нанодисперсной магнитной фазы методами МГМ, АГМ, АСМ, ПЭМ.

2. Модельное представление конического вида свободной поверхности МЖМ, основанное на результатах исследования топографии магнитного поля кольцевого магнита и выводе о доминирующей роли пондеромоторных сил.

3. Динамические особенности процесса разрыва-восстановления МЖМ связаны с тем, что в отличие от классической модели Рэлея, функцию гидростатического давления выполняет давление пондеромоторного происхождения со стороны неоднородного магнитного поля.

Научная новизна результатов исследования: 1. Доминирующую роль динамических процессов разрыва-восстановления МЖМ выполняют пондеромоторные силы взаимодействия МЖ с

неоднородным магнитным полем.

2. Конфигурация поверхности МЖМ с учетом топографии магнитного поля в приближении слабомагнитной среды может быть сведена к коническому виду.

3. Результаты экспериментальных данных о динамических особенностях разрыва-восстановления МЖМ, которые подтверждают выводы, получаемые из адаптированной модели Релея, учитывающей доминирующий вклад пондеромоторных сил.

Практическая и теоретическая значимость работы.

Полученные результаты имеют значение в области физики конденсированного состояния, магнитной гидродинамики, механики жидкости и газа, молекулярной акустики. Результаты исследования могут быть полезными для инженеров и конструкторов при проектировании и модернизации МЖГ, МЖУ, амортизаторов, дозаторов газа, техническим элементом которых является магнитожидкостная мембрана, а также могут использоваться в учебном процессе, что положительным образом сказывается на качестве подготовки специалистов технических специальностей, стимулирует интерес студентов к научно-исследовательской работе.

Достоверность экспериментальных исследований подтверждается использованием поверенной измерительной техники и аналого-цифрового преобразователя, обеспечивающего компьютерную обработку результатов эксперимента; оценкой погрешности измерений; совпадением данных независимых экспериментов; согласованием данных, полученных методами АГМ, МГМ, ПЭМ, АСМ.

зуемого кольцевого магнита; проведен расчет компонент давления, оказываемого на цилиндрическую оболочку магнитной жидкостью; предложена модель динамики процесса разрыва и восстановления МЖМ и проведено сравнение выводов модельной теории с опытными данными.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и экспериментальное исследование нанодисперсной магнитной жидкости -динамики процесса разрыва и восстановления МЖМ. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 2 и 7 паспорта специальности.

Апробация результатов исследования. Результаты исследования апробированы на XVII Зимней школе по механике сплошных сред, (Пермь, 2011); III Всероссийской научной конференции «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь, 2011); XXII Сессии Российского акустического общества (Саратов, 2011); 14-й Международной Плесской научной конференции по нанодисперсным магнитным жидкостям (Плес, 2010); IX научно-технической конференции «Вибрация 2010» (Курск, 2010); XI Всероссийской молодежной школе-семинаре по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2010); II международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики» (Курск, 2010).

Материалы диссертации использованы в научных отчетах по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы (гранты НК-410П - ГК № 2311, 2011-1.3.2-121-003 - ГК № 14.740.11.1160).

Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 22 работах, из них 6 - в рецензируемых научных журналах и изданиях. Имеются 4 патента на изобретение.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 115 наименований.

Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 17 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, задачи и основные положения, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы.

В главе 1 представлен обзор ранее опубликованных работ. Рассмотрены общие сведения о МЖ. Особое внимание уделено возможности интерпретации динамики разрыва и восстановления МЖМ на основе классической модели Рэлея. На основании представленного литературного обзора намечена цель и обозначены задачи исследования.

В главе 2 описаны методика и экспериментальная установка для исследования динамических характеристик процесса разрыва-восстановления МЖМ.

Экспериментальное определение б)

времени жизни каверны в МЖМ т осуществляется на установке, блок-схема которой представлена на рисунке 1 а). Кольцевой магнит 1 с вмонтированной в него измерительной катушкой 3 соединен с кинематическим узлом 2 катетометра, позволяющим определять смещение мембраны от положения равновесия с точностью до 0,01 мм. Стеклянная трубка 7 жестко закрепляется в вертикальном положении. Под трубкой располагается лазерный модуль 5. В систему введен стабилизированный источник питания 4. Для равномерного распределения интенсивности светового пучка в области расположения МЖМ между лазером 5 и трубкой 3 помещен рассеиватель 6.

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки

Световой поток от лазера 5 через рассеиватель 6 распространяется в вертикальном направлении на МЖМ 8. Над трубкой закрепляется фотодиод 9. Сигналы с фотодиода и катушки 3 одновременно поступают на аналогово-цифровой преобразователь 10 и компьютер 11. Прием и начальная обработка сигнала с АЦП осуществляется программой, разработанной в среде N1 LabView, позволяющей одновременно получать данные об интенсивности светового пучка, идущего от лазера через отверстие в МЖМ при ее разрыве, о времени раскрытия и схлопывания полости, длительности разрыва мембраны, частоте колебаний МЖМ после разрыва, а также коэффициента затухания колебаний МЖМ.

Экспериментальное определение диаметра каверны в МЖМ осуществляется на установке, схема которой представлена на рис. 1 б) (элементы 9-11 заменяются следующей аппаратурой: 12- тонкая линза, 13 - экран, 14 -цифровая камера, 15 - компьютер). Разработанное специализированное программное обеспечение позволяет оптимизировать обработку изображений с камеры при определении диаметра каверны в МЖМ.

В главе 3 описаны особенности синтеза образцов МЖ-1, МЖ-2, МЖ-4 (МЖ типа «магнетит Fe304 в керосине» с олеиновой кислотой в роли ПАВ), проведенного на основе стандартного метода химической конденсации. Образец МЖ-3 получен в «НИПИгазпереработка», г. Краснодар. Для исследования физических параметров полученных образцов были задействованы как прямые микроскопические методы (ПЭМ, АСМ), так и интегральные измерения (МГА, АГМ), результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1

Образец р, кг/м3 Ф,% Ms, кА/м АСМ МГА ПЭМ АГМ

de{, нм 3, нм de f, нм d, НМ

МЖ-1 1053 5,7 20 12 10 9 -

МЖ-2 1240 9,9 43 11 12 10 -

МЖ-3 1315 11,6 45,8 - 10 8 12

МЖ-4 1493 15,6 63,4 12 10 10 -

где р - плотность, ф - концентрация твердой фазы, М5 - намагниченность насыщения, с1е{ - оценочные значения эффективного диаметра наночастиц

МЖ, полученные методами АСМ и ПЭМ, d =(dmax+dmin)/2- среднее значение диаметра наночастиц МЖ, полученное методами МГА и АГМ. В образцах МЖ-2, МЖ-3 капиллярным методом измерена сдвиговая вязкость г), значение которой составляет соответственно 7,9-10"3 Па-с и 4,7-10"3 Па-с. Относительная погрешность измерения р, ср, Ms составляет соответсвенно 1%, 5%, 5%.

На рисунке 2 представлены данные, отображающие результаты микроскопических методов анализа.

I 5 9 13 17 21

Рис. 2. Результаты микроскопических методов анализа: а) гистограмма распределения ПЭМ для МЖ-1, б) скан АСМ для МЖ-4, в) скан ПЭМ для МЖ-3

Здесь же представлены экспериментальные данные о времени раскрытия и захлопывания полости, максимальном диаметре каверны в МЖМ, полученные для образцов МЖ-1, МЖ-2, МЖ-3, МЖ-4 на установках, описанных в главе 2.

Приведены результаты исследования топографии магнитного поля кольцевого магнита, которые представлены в виде матриц. Элементы матрицы a,j имеют значение одного из параметров магнитного поля: модуля вектора напряженности магнитного поля Ну, осевой (HJy и радиальной (Нг)у составляющих вектора Н, осевой (AH/Az\ и радиальной (АН/Аг)ц составляющих градиента напряженности поля.

На рисунке 3 представлена матрица с элементами а^=(АН/Az)tj,-\(f А/м2.

В главе 4 в рамках модели слабомагнитной среды произведена оценка компонентов давления, оказываемого на основание и боковую поверхность оболочки цилиндрической формы заполняющей ее магнитной жидкостью,

помещенной в активную зону магнитного поля кольцевого магнита.

Давление пондеромоторных сил, ока- _

зываемое на нижнее основание цилиндра _

ра оценивается по следующей схеме: рас- _

считывается приращение давления ^ в /4

ом слое толщиной Аг=1мм по формуле: —

Ар1 = Ур, • Лг = р0 ■ М ■ ( V//), • Дг, при этом —

значение градиента напряженности —

магнитного поля (V//),. получено путем —

„ /)

усреднения по всем элементам каждой строки; суммирование значений Ар, по всем семи слоям дает ра=5-\ О2 Па. Оценка давления пондеромоторных сил на боковую поверхность цилиндра р5 проводится по той же схеме. В данном случае значения градиента напряженности магнитного поля (УН)у получены

путем усреднения по всем элементам каждого столбца:

1-7

(VН)1 = £(ДН,/Д/-)./7. Получено р5=2-Ю2 Па. Магнитный скачок давления ¿=1

рассчитывается по формуле рт=\/2-/ио-М2, и составляет ~2. 5-102 Па.

Давление под искривленной свободной поверхностью столбика МЖ рассчитывается по формуле Лапласа: р0=2аЖ, где Л - радиус кривизны поверхности, а - коэффициент поверхностного натяжения МЖ. Принимая Я=7мм, <7=28-10"3 Н/м, получим ра=& Па. Гидростатическое давление p=pgh=12 Па.

Согласно теоретической модели (Баштовой В.Г., Берковский Б.М., Вислович А.Н. Введение в термомеханику магнитных жидкостей // М., 1985. - С. 189), в предположении отсутствия поверхностного натяжения и магнитного скачка давления уравнение свободной поверхности имеет вид: г = Ф + сопя!, где г=Е,(х,у) - уравнение поверхности раздела,

3.93

4.20

4.34

4.49

4.69

4.95

5.29

3.55

3.79

3.91

4.05

4.22

4.46

4.76

3.05

3.26

3.37

3.49

3.63

3.83

4.07

247

2.63

2.72

2.81

2.93

3.08

3.26

1.82

1.94

2.00

2.07

2.15

2.25

2.38

1.11

1.19

1.23

1.27

1.31

1.38

1.45

0.37

0.40

0.41

0.43

0.44

0.46

0.49

Рис. 3. Матрица а,г(АЯЛ:),„-106 А/м2

Ф = /I, |Мс1Н - потенциал объемной пондеромоторной (магнитной) силы.

Анализ матрицы с элементами (Я^у показывает, что изменение данного элемента по строкам (/=со/?5/) в направлении радиуса г можно аппроксимировать линейной зависимостью:(яД = (Яго), +с, г, где с, - тангенс угла наклона прямолинейного отрезка. В рамках приближенной оценочной модели заменим их средними значениями с, и (Яг0), путем усреднения каждого из них по всем строкам от максимального значения г-т до /=1:

с.^с./т, (я1=!(яЛ/т. В таком случае можно записать: (яД = (Яг0)п +с„-г. Для т=7 по полученным данным имеем (Яг0)т = 49 кА/м, с™ =1.4 МА/м2.

В результате уравнение свободной поверхности принимает вид: гт = Ф*/(/л0- М -См), где б.,, представляет собой усредненное значение

градиента осевой составляющей поля по каждой строке: О, = ¿(ЛЯг/Дг).у7 и по строкам от /=1 до /-/я, соответствующим высоте столбика МЖ в целых числах от 1 до 7 мм: /от; Ф„, - потенциал пондеромоторной силы,

/.о /

представляемый в рамках приближенной модели в виде:

После несложных преобразований получим: гт(г)= ((Яг0)т +с„г)/С1гл. Зависимость гт(г) является прямой линией, тангенс угла наклона которой зависит от значения т, т.е. от заданной высоты столбика МЖ: — с„ / С^. В рассматриваемом приближении свободная поверхность капли МЖ имеет форму конуса.

Схема модели процесса разрыва-восстановления МЖМ показана на рисунке 4. Черной сплошной штриховкой выделена МЖМ с круглым отверстием радиуса R по центру. Верхняя и нижняя открытые поверхности перемычки имеют коническую форму с осью Z. Магнитное j. поле с индукцией В создано кольцевым магнитом, намагниченным в осевом направлении и расположенным коаксиально оси стеклянной трубки в плоскости симметрии МЖМ (на рисунке не показано). Моделируемая V

полость изображена штрихпунктирной линией.

. . Рис.4. Схема модели

Таким образом, для перехода к МЖМ из

«стандартной» сферически симметричной схемы захлопывания полости, рассмотренной впервые Рэлеем, исключаются два шаровых сектора (сверху и снизу). В модели процесса разрыва-восстановления МЖМ предполагается, что функция гидростатического давления, используемая в классической модели Рэлея, выполняется давлением пондеромоторного происхождения со стороны неоднородного магнитного поля, и что действие на обе поверхности МЖМ пондеромоторных сил приводит к распределению давления в жидкости, эквивалентному распределению давления при сферически симметричном течении.

В теории Рэлея максимальное значение скорости расширения полости итах определяется из выражения:

[/,„ = ppj{3p0). (1)

где р0 - плотность жидкости, р0 - гидростатическое давление Скорость захлопывания полости if:

где Rm - начальный (максимальный) радиус полости.

Время захлопывания пустой полости в поле гидростатического

давления:

г,=0.915-Я,.(Ро/а)1 (3)

Средняя скорость раскрытия полости, получаемая по экспериментальным данным, рассчитывается по формуле: и = Лт /г, где т - время процесса от его начала до достижения максимума на кривой зависимости (/ от I.

Оценка физических параметров процесса разрыва-восстановления МЖМ по формулам (1)-(3) представлена в табл. 2.

Таблица 2

D, мм время жизни т, мс время захлопывания каверны скорость раскрытия полости

расширение сжатие Tm мс, (теор.) Тт, МС (экспер.) Umix м/с, (теор.) (7 м/с, (экспер.)

1,2 11,7 7,5 3,8 6,5 0,12 0,2

1,0 9,7 7,2 2,6 5 0,14 ' 0,5

0,85 10,7 7,1 2,1 4,6 0,15 0,2

0,83 4,8 3,0 2,0 2,7 0,16 0,26

Относительная погрешность измерений: для г ~ 2%, для U ~ 15%.

Заметим, что численные значения величин U и Umax различаются менее чем на порядок, что можно считать вполне удовлетворительным результатом для приближенной модельной теории.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование дисперсного состава образцов МЖ методами АСМ, АГМ, МГМ, ПЭМ. Данные, полученные по перечисленным методикам, согласуются друг с другом в пределах погрешности измерений.

2. Оптическим методом получены экспериментальные данные о диаметре, времени жизни каверны в МЖМ и скорости перемещения ее границы на этапах расширения и захлопывания на трех образцах синтезированной МЖ и одном образце, полученном в специализированной организации.

3. Исследована топография активной зоны магнитного поля кольцевого

магнита. Полученные результаты представлены в виде матриц, элементы которых имеют значение одного из параметров магнитного поля: модуль вектора напряженности магнитного поля, осевая и радиальная составляющие вектора напряженности, осевая и радиальная составляющие градиента напряженности поля.

4. Показано, что давления пондеромоторных сил на основание и стенки оболочки цилиндрической формы заполняющей ее магнитной жидкостью приблизительно равны между собой; каждое из них значительно превосходит гравитационную и капиллярную составляющие давления.

5. Показано, что в приближении слабомагнитной среды свободная поверхность магнитожидкостной мембраны имеет конический вид.

6. Разработана модель динамики процесса разрыва-восстановления МЖМ, основанная на выводах классической теории Рэлея, учитывающая, что функция гидростатического давления выполняется давлением пондеромоторного происхождения со стороны неоднородного магнитного поля.

7. Показано, что выводы модельной теории и экспериментальные значения средней скорости раскрытия, времени захлопывания каверны в МЖМ согласуются друг с другом.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Polunin, V.M. On the dynamics of self-restoring of magnetic fluid membranes using a cavitation model / V.M. Polunin, I.A. Schabanova, M.L. Boev [et al.] // Magnetohydrodynamics. 2011. V. 47. № 3. P. 303-313.

2. Полунин, B.M. О возможности использования кавитационной модели при описании процесса разрыва и восстановления магнитожидкостной мембраны / В.М. Полунин, И.А. Шабанова, M.JI. Боев [и др.] // Известия ЮЗГУ. Курск, 2011. № 3(36). С. 32-37.

3. Полунин, В.М. Исследование кинетико-прочностных свойств магнитожидкостной мембраны / В.М. Полунин, A.A. Гуламов, И.А. Шабанова [и

др.] // Нанотехника. 2010. № 1(21). С. 10-19.

4. Polunin, V.M. Study of the kinetic and strength properties of magnetofluid membranes / V.M. Polunin, S.S. Khotynyuk, I.A.. Schabanova [et al.] // Magnetohydrodynamics. 2010. V. 46. № 3. P. 299-308.

5. Polunin, V.M. On the estimation of physical parameters of magnetic nanoparticles in magnetic fluid / V.M. Polunin, N.S. Kobelev, I.A. Schabanova [et al.] // Magnetohydrodynamics. 2010. V. 46. № 1. P. 31-40.

6. Полунин, B.M. Акустоструктурный анализ нанодисперсной магнитной жидкости / B.M. Полунин, П.А. Ряполов, И.А. Шабанова [и др.] // Известия высш. учебн. заведений. Физика. Томск, 2011. № 1. С. 10-15.

Другие публикации:

7. Полунин, В.М. Физический механизм процесса разрыва-захлопывания магнитожидкостной мембраны / В.М. Полунин, И.А. Шабанова, M.JI. Боев [и др.] // «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем»: Сб. трудов III Всероссийской научной конференции. Ставрополь, 2011. С.79-84.

8. Полунин, В.М. Кавитационная модель кинетики разрыва и восстановления магнитожидкостной мембраны / В.М. Полунин, И.А. Шабанова, M.JI. Боев [и др.] // Матер. XXIV сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, 2011. С. 59-63.

9. Полунин, В.М. Кинетика образования и захлопывания каверны в магнитожидкостной перемычке / В.М. Полунин, С.С. Хотынюк, И.А. Шабанова [и др.] // Сб. тр. 14 Международной Плесской научной конф. по нанодисперсным магнитным жидкостям..Иваново, 2010. С. 130-136.

10. Полунин, В.М. Исследование кинетики разрыва магнитожидкостной мембраны / В.М. Полунин, И.А. Шабанова, С.С. Хотынюк //«Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики». Ультразвук и термодинамические свойства вещества: сб. научи, тр.: Вып. 37: матер. II Международной научной конференции. Курск, 2010. С. 134-138.

11. Полунин, В.М. Исследование разрывной магнитожидкостной мембраны

оптическим методом / В.М. Полунин, С.С. Хотынюк, И.А. Шабанова [и др.] // «Вибрация 2010»: сб. тр. IX научно-технической конференции. Курск, 2010. С. 306-312.

12. Полунин, В.М. Исследование дисперсного состава магнитных жидкостей на основе акустомагнитного эффекта / В.М. Полунин, П.А. Ряполов, И.А. Шабанова [и др.] // Матер. XXII сессии Российского акустического общества. М.: ГЕОС, 2010. С. 74-77.

13. Полунин, В.М. Получение, анализ свойств и разработка новых способов применения нанодисперсных магнитных жидкостей / В.М. Полунин, А.П. Кузьменко, И.А. Шабанова [и др.] // Инновационная Россия: опыт регионального развития: сб. тр. Курск, 2009. С. 294 - 298.

14. Полунин, В.М. К формированию представлений студентов о вязкости нанодисперсной магнитной жидкости / В.М. Полунин, Г.В.Карпова, И.А. Шабанова [и др.] // Тезисы докладов Международной школы-семинара «Физика в системе высшего и среднего образования России». М.: АПР, 2010. С.245-246.

15. Шабанова, И.А. Методы исследования кинетических свойств магнитожидкостной мембраны / И.А. Шабанова // Тезисы докладов XI Всероссийской молодежной школы-семинара по проблемам физики конденсированного состояния вещества. Екатеринбург, 2010. С. 231.

16. Полунин, В.М. Результаты измерения намагниченности магнитных жидкостей, синтезированных в ЮЗГУ / В.М. Полунин, И.А. Шабанова, А.О. Танцюра // Ультразвук и термодинамические свойства вещества: сб. научн. тр.: Вып. 37: матер. II Международной научной конференции «Актуальные проблемы молекулярной акустики и теплофизики». Курск,

2010. С. 101-106.

17. Полунин, В.М. Исследование процесса разрыва-захлопывания на основе кавитационной модели / В.М. Полунин, И.А. Шабанова, С.С. Хотынюк // Тезисы докладов XVII Зимней школы по механике сплошных сред. Пермь,

2011. С. 261.

18. Полунин, В.М. Получение, анализ свойств и разработка новых способов применения нанодисперсных магнитных жидкостей [Текст] / В.М. Полунин, А. П. Кузьменко, А. Н. Кутуев, С. С. Хотынюк, И. А. Шабанова // Инновационная Россия: Опыт регионального развития: сборник научных трудов. КурскГТУ: Курск, 2009. С. 294-297.

19. Пат. 102704 Российская Федерация, МПК F 04 D 3/00. Устройство для напорного перемещения газа или жидкости [Текст] / С.Г. Емельянов, В.М. Полунин, Н.С. Кобелев, И.А. Шабанова, П.А. Ряполов, A.M. Стороженко, С.С. Хотынюк; заявитель и патентообладатель Юго-Западный гос. ун-т. -№ 2010144292/28; заявл. 28.10.2010; опубл. 10.03.11, Бюл. № 7.-5 с. ил.

20. Пат. 101818 Российская Федерация, МПК G 01 F 11/00. Дозатор газа [Текст] / С.Г. Емельянов, В.М. Полунин, Н.С. Кобелев, П.А. Ряполов, И.А. Шабанова; заявитель и патентообладатель Юго-Западный гос. ун-т. - № 2010119759/28; заявл. 17.05.2010; опубл. 27.01.11, Бюл. № 3. 6 с. ил.

21. Пат. 101818 Российская Федерация, МПК G 01 F 11/00. Мембранный насос [Текст] / С.Г. Емельянов, В.М. Полунин, Н.С. Кобелев, П.А. Ряполов, И.А. Шабанова; заявитель и патентообладатель Юго-Западный гос. ун-т. -№ 2010119759/28; заявл. 31.03.2010; опубл. 27.01.11, Бюл. № 3. 6 с. ил.

22. Пат. 104255 Российская Федерация, МПК F 04 D 35/04. Устройство для сжатия газа посредством жидкого рабочего тела [Текст] / С.Г. Емельянов, В.М. Полунин, Н.С. Кобелев, И.А. Шабанова, П.А. Ряполов, A.M. Стороженко, С.С. Хотынюк; заявитель и патентообладатель Юго-Западный гос. ун-т. - № 2010144291/28; заявл. 28.10.2010; опубл. 10.05.11, Бюл. № 13. 5 с. ил.

Подписано в печатуц.02.2012г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Печ.л. 1 . Тираж 120 экз. Заказ <0 . Юго-Западный государственный университет. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Шабанова, Ирина Александровна, Орел

61 12-1/633

На правах рукописи

(2Л/7

Шабанова Ирина Александровна

ДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА РАЗРЫВА-ВОССТАНОВЛЕНИЯ МАГНИТНОЖИДКОСТНОЙ МЕМБРАНЫ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.М. Полунин

КУРСК 2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. КИНЕТИЧЕСКИЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТОЖИДКОСТНОЙ МЕМБРАНЫ..........................................................9

1.1 Общие сведения о магнитных жидкостях..............................................9

1.2. Реологические свойства МЖ................................................................14

1.3 Синтез магнитных коллоидов...............................................................18

1.3.1 Краткий обзор существующих способов получения наноразмерных магнитных частиц...............................................................18

1.3.2 Синтез магнитных коллоидов по методу химической конденсации с использованием химически чистых материалов...............22

1.4 Магнитожидкостные герметизаторы....................................................24

1.5. Магнитожидкостная мембрана............................................................28

1.6. Физическая сущность кавитации.........................................................31

1.6.1 Динамика кавитационных пузырьков.......................................34

1.7 Выводы, цель и задачи исследования..................................................36

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ..................................................................................38

2.1. Экспериментальная установка для проведения синтеза МЖ...........38

2.2 Методика и экспериментальная установка для исследования динамических характеристик процесса разрыва-восстановления МЖМ.........42

2.2.1. Методика измерений диаметра каверны в МЖМ...................42

2.2.2. Методика измерений времени жизни каверны в МЖМ.........48

2.4 Методика измерения физических параметров наночастиц дисперсной фазы исследуемых образцов.............................................................55

2.5 Выводы....................................................................................................58

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.59

3.1 Результаты синтеза образцов МЖ........................................................59

3.2 Физические характеристики объектов исследования.........................61

3.2.1. Результаты исследования физических параметров МЖ методами атомно-силовой микроскопии.....................................................64

3.2.2 Исследование структурных параметров МЖ методами просвечивающей электронной микроскопии..............................................69

3.3 Результаты исследования акустомагнитным методом.......................73

3.4 Результаты исследования динамических характеристик МЖМ.......75

3.4.1 Результаты определения времени существования каверны в МЖМ................................................................................................................75

3.4.2 Результаты определения диаметра каверны в МЖМ..............79

3.5. Анализ геометрии магнитного поля кольцевого магнита.................81

3.5.1. Результаты исследования топографии магнитного поля кольцевого магнита........................................................................................81

3.6 Выводы....................................................................................................91

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА И ВЫВОДЫ.........93

4.1 Упругие свойства МЖМ........................................................................93

4.2. Компоненты давления в магнитожидкостной мембране и форма ее свободной поверхности.................................... ......................................................95

4.3 Модель динамики самовосстановления магнитожидкостной мембраны...............................................................................................................102

4.4 Сравнение результатов, полученных на основе адаптированной модели Рэлея и эксперимента..............................................................................104

4.5 Выводы..................................................................................................109

БЛАГОДАРНОСТИ.............................................................................................113

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................114

ВВЕДЕНИЕ

1. Актуальность проблемы. В число первых в истории достижений нанотехнологий входит создание жидкостей, обладающих сильными магнитными свойствами, - магнитных жидкостей (МЖ). Об уникальности физических свойств МЖ (способность намагничиваться до насыщения, эффективное взаимодействие с магнитными полями, текучесть) в отечественной литературе впервые сообщается в работе М.И. Шлиомиса [1]. Эти качества предопределяют широкие возможности их применения в различных областях науки и техники и, вместе с тем, делает актуальной задачу исследования физических механизмов процессов, протекающих в магнитожидкостных активных элементах перспективных устройств и приборов.

В настоящее время основное применение МЖ находят в магнитожидкостных герметизаторах (МЖГ) и в магнитожидкостных уплотнителях (МЖУ), используемых, прежде всего, в космических технологиях. Среди отечественных ученых наибольшие достижения в создании этих устройств принадлежат Д.В. Орлову, А.П. Сизову, Ю.О. Михалеву, Ю.Я. Щелыкалову, Ю.Б. Казакову, А. В. Родионову, Ю.И. Стра-домскому, В.Г. Петриенко [2-8]. Большое значение имеют прочностные и кинетические свойства этих устройств. Однако остается невыясненной физическая природа факторов, которые обуславливают динамику разрыва и восстановления отверстия магнитожидкостных перемычек при достижении критического перепада давления в условиях эксплуатации. Строгое аналитическое решение данного вопроса, основанное на привлечении уравнений магнитогидродинамики с учетом сил поверхностного натяжения, конкретной геометрии магнитного поля и свободной поверхности МЖ-перемычки, представляется чрезвычайно сложной задачей.

В связи с этим возникает интерес к экспериментальному исследованию МЖМ, которая, как показано в монографии В.М.Полунина [9], может выступать как модель МЖГ и МЖУ, и имеет перспективу применения в виде

самостоятельного устройства. При этом в качестве расчетной базы целесообразно использовать результаты достаточно подробно изученных теоретически и экспериментально проблем акустической кавитации [10]. Такого рода исследования способствуют развитию физических представлений о магнитогидродинамических процессах в нанодисперсных магнитных жидкостях.

Целью диссертационной работы является изучение динамики процесса разрыва-восстановления МЖМ на основе классической модели Рэлея, адаптированной к условиям пондеромоторного взаимодействия нано-дисперсной МЖ с неоднородным магнитным полем. Задачи исследования:

- Исследовать топографию активной зоны магнитного поля кольцевого магнита, используемого для создания МЖМ.

- Рассчитать компоненты давления, оказываемого на основание и боковую поверхность оболочки цилиндрической формы заполняющей ее магнитной жидкостью, помещенной в активную зону магнита.

Научные результаты, выносимые на защиту ¡.Экспериментальные данные о динамических особенностях разрыва-восстановления МЖМ на образцах синтезированной МЖ при комплексном физическом анализе нанодисперсной магнитной фазы методами МГМ, АГМ, АСМ, ПЭМ.

1. Доминирующую роль динамических процессов разрыва-восстановления МЖМ выполняют пондеромоторные силы взаимодействия МЖ с неоднородным магнитным полем.

Практическая и теоретическая значимость работы.

Личный вклад автора. Синтезированы образцы исследуемых МЖ и проведен гранулометрический анализ их состава методами АГМ, МГМ, ПЭМ, АСМ; получены экспериментальные значения времени жизни, диаметра и скорости расширения границ каверны в МЖМ; разработано специализированное программное обеспечение для анализа экспериментальных результатов; исследована топография магнитного поля используемого кольцевого магнита; произведен расчет компонент давления, оказываемого на цилиндрическую оболочку магнитной жидкостью; предложена модель динамики процесса разрыва и восстановления МЖМ и проведено сравнение выводов модельной теории с опытными данными.

динамики процесса разрыва и восстановления МЖМ Полученные научные результаты соответствуют следующим пунктам паспорта специальности:

- п. 2 «Теоретическое и экспериментальное исследование физических свойств неупорядоченных неорганических и органических систем, включая классические и квантовые жидкости, стекла различной природы и дисперсные системы»,

- п. 7 «Технические и технологические приложения физики конденсированного состояния».

Материалы диссертации использованы в научных отчетах по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы (гранты НК-410П - ГК №2311, 2011-1.3.2-121-003 - ГК № 14.740.11.1160).

Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 22 работах, из них 6 - в рекомендованных ВАК научных журналах. Имеются 4 патента на изобретение.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников из 115 наименований. Работа изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 17 таблиц.

ГЛАВА 1. КИНЕТИЧЕСКИЕ И ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТОЖИДКОСТНОЙ МЕМБРАНЫ

1.1 Общие сведения о магнитных жидкостях

Магнитная жидкость с точки зрения коллоидной химии представляет собой устойчивую высокодисперсную гетерогенную систему лиофобного типа с высокой степенью лиофилизации стабилизированных частиц магнитного материала в дисперсионной среде [1]. Магнитные жидкости обладают уникальным сочетанием текучести, и способности ощутимо взаимодействовать с магнитным полем. Их свойства определяются совокупностью характеристик входящих в неё компонентов (твёрдой магнитной фазы, дисперсионной среды и стабилизатора), варьируя которыми можно в довольно широких пределах изменять физико-химические параметры МЖ в зависимости от условий их применения [11-15].

В большинстве своём, магнитные жидкости имеют сильно выраженную чёрную окраску в объёме, благодаря присутствию в них в качестве высокодисперсной магнитной фазы магнетита. Однако известны магнитные жидкости, в которых магнитная высокодисперсная фаза может быть представлена частицами другого происхождения (гамма-оксида железа, ферритов марганца, кобальта, цинка и никеля); в этом случае МЖ могут иметь окраску от тёмно-коричневой до оранжево-жёлтой, а при соблюдении некоторых особых условий их синтеза удаётся получить магнитные высокодисперсные системы очень широкого спектра цветов и оттенков. Добавление в магнитные коллоидные системы некоторых специальных красителей позволяет изменить окраску МЖ, что нашло широкое применение в печатной промышленности при создании магнитных красок и чернил [12,13].

МЖ впервые синтезированы в середине 60-х гг. 20 в., их создание -

получение наночастиц твёрдого магнитного материала, диспергирование его

в жидкости-носителе и придание дисперсной системе агрегативной

устойчивости - является одним из достижений нанотехнологий. Намагниченность М концентрированных МЖ достигает -100 кА/м в магнитных полях напряжённостью Н~80 кА/м; при этом их вязкость близка к вязкости жидкости-носителя и почти не зависит от// [8,17,18].

В качестве дисперсной среды обычно используют магнетит Ре304, железо, кобальт, ферриты-шпинели. Наиболее распространены МЖ на основе магнетита, диспергированного в углеводородных, кремнийорганических жидкостях и воде. Для предотвращения слипания (агрегации) под влиянием магнитного взаимодействия частицы покрываются одним или двумя мономолекулярными слоями поверхностно-активного вещества (олеиновая кислота, олеат натрия). При среднем диаметре частиц магнетита -10 нм их магнитный момент ~2,5-10~19 А-м2, т. е. составляет порядка 104 атомных магнитных моментов. Совершая беспорядочное тепловое вращение, частицы поворачиваются на большой угол за время броуновского вращения порядка 1 мкс при вязкости жидкости-носителя 10 Па-с. Столь малые частицы удерживаются тепловым броуновским движением в объёме жидкости практически сколь угодно долго. Высокую устойчивость МЖ проявляют и в магнитных полях с сильной неоднородностью. Динамика намагничивания МЖ определяется двумя механизмами ориентации магнитных моментов феррочастиц вдоль магнитного поля, каждый из которых характеризуется своим временем релаксации. Один механизм связан с броуновским вращательным движением в жидкой матрице, другой - обусловлен тепловыми флуктуациями момента внутри самой частицы (неелевский механизм). Кривая зависимости статического намагничивания М{Н) МЖ имеет сходство с функцией Ланжевена, характеризующей процесс намагничивания парамагнетиков. В научной литературе за МЖ закрепилось название суперпарамагнетиков.

Численное значение начальной магнитной восприимчивости х концентрированной МЖ (объёмная концентрация магнетита ~ 0,2) при комнатной температуре достигает —10, что в тысячи раз превышают

восприимчивость обычных жидкостей. С повышением температуры Т значе�