Концентрационные структуры и межфазные явления в магнитных коллоидах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

оз. 39 - о-уоь /об'

/ - ^

МИНИСТЕРСТВО'СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

СТАВРОПОЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ

АКАДЕМИЯ

$ о* ^

..¿^и^^с-с^ На правах рукописи

ДРОЗДОВА Виктория Игоревна

КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ И МЕЖФАЗНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В

МАГНИТНЫХ КОЛЛОИДАХ

01.04.14, - теплофизика и молекулярная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант

л и

дД^ доктор физ.-мат.наук

^ Чеканов В.В.

Ставрополь 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ стр

ВВЕДЕНИЕ ...... ........... 5

ГЛАВА 1.ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР,ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ЖИДКИХ ДИСПЕРСНЫХ МАГНЕТИКОВ . .... 17

1.1.Структура и взаимодействие частиц в мелкодисперсных магнетиках. ............... 17

1.2.Физическая природа и эскпериментальные методы исследования магнитных жидкостей. ....... 25

1.3.Межфазное натяжение в ферроколлоидах ...... 37

1.4.Магнитостатические неустойчивости на межфазной границе ................ 41

1.5.Многофазные намагничивающиеся системы на основе магнитных жидкостей . . . . . . . . . . . 46

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ АГРЕГИРОВАНИЯ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ

В МАГНИТНЫХ КОЛЛОИДАХ ...... 52

2.1.Объект и методика исследования ........52

2.1.1,Способы получения змульсий магнитных жидкостей . . 55

2.2.Поступательная диффузия ориентированных цепочек в слабом однородном магнитном поле .,.,.., 61

2.3.Экспериментальное исследование агрегирования частиц магнитной жидкости в слабом однородном магнитном поле . 69

2.4.Исследование зависимости зависимости количества объединившихся в агрегаты капель от внешнего магнитного поля . 75

2.5.Временные характеристики процесса агрегирования . . 87

2.6.Магнитные свойства магнитных коллоидов с учетом агрегирования дисперсной фазы ....,..,, 93

2.7.Намагничивание образцов магнитных жидкостей с зафиксированной структурой ........... 112

2.8.Магнитная восприимчивость эмульсий магнитных жидкостей с учетом агрегирования .... ..... ,119

ГЛАВА З.ДЕФОРМАЦИЯ И КОЛЕБАНИЯ МЕЖФАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА

СФЕРИЧЕСКОЙ ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА НАМАГНИЧИВАЮЩИХСЯ СРЕД . 128

3.1.Гидростатика намагничивающихся капель в постоянном магнитном поле ............. 128

3.2.Определение намагниченности малых количеств магнитных жидкостей по деформации взвешенных капель .... 143

3.3.Свободные и вынужденные колебания взвешенных намагничивающихся капель ............. 146

3.4.Исследование межфазных свойств границы раздела микрокапельный агрегат-окружающая магнитная жидкость в постоянном магнитном поле .......... 160

3.5.Определение параметров микрокапельных агрегатов по динамическим характеристикам анизотропно рассеянного света ................. 182

3.6.Исследование деформации межфазной поверхности в переменном магнитном поле. ......... 189

3.7.Температурные характеристики светорассеяния . . .195

ГЛАВА 4. МАГНИТНЫЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ МЕЖФАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ПРИ ОГРАНИЧЕНИИ ОБЪЕМА МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ . .199

4.1. Магнитостатические неустойчивости в тонких капиллярах. ............... 199

4.2. Топологическая неустойчивость микрокапельных агрегатов в ограниченных объемах ........ 212

4.3. Неустойчивости межфазной поверхности в переменном магнитном поле ............. 218

4.4. Многократные разрывы микрокапельных агрегатов в магнитном поле, перпендикулярном плоской щели . . . 226

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ

ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ , 240

5.1. Определение полей рассеяния микроскопических

объектов по магнитофорезу...............240

5.2. Измерение глубины области намагничивания магнитного носителя в сечении рабочего слоя ........ 245

5.3. Методы контроля, основанные на взаимодействии визуализированных сигналограмм с полем ...... 252

5.4. Устройство для визуализации магнитной записи . . . 263

5.5. Выбор оптимальных параметров магниточувствительных жидкостей ...............266

5.6. Определение полей рассеяния магнитных головок с помощью магниточувствительных жидкостей с микрокапельными агрегатами ............... 272

5.7. Устройство для определения напряженности магнитного

поля по деформации микрокапельных агрегатов .... 278

5.8.Устройство для определения напряженности магнитного

поля по магнитным неустойчивостям ....... 281

5.9.Определение полей рассеяния с помощью дифракции

света на гексагональной микрокапельной структуре, . . 288 5,10.Исследование поверхностной микроструктуры

с-ендаетовых магнитных головок. ........ 292

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......... ............303

ЛИТЕРАТУРА ..,,,,.,.....,. 308

ВВЕДЕНИЕ

Магнитные жидкости, представляющие собой стабилизированные коллоидные растворы срерро- или ферримагнитных частиц в немагнитных носителях, находят в настоящее время самое разнообразное применение. Стало традиционным и в отечественной практике и за рубежом использование магнитных жидкостей для сепарации полезных ископаемых, в магни-тожидкостных уплотнителях, для очистки воды от нефтепродуктов. Большой научный и практический интерес представляет и развитие направлений, связанных с применением магнитных жидкостей в медицине, в области магнитной дефектоскопии, в феррографии, при изучении магнитных полей сложной конфигурации. Уникальные магнитные, оптические и молекулярно-кинетичес-кие свойства магнитных жидкостей и композиционных сред, созданных на их основе, представляют и чисто научный интерес с точки зрения развития теории фазового расслоения и неравновесной термодинамики намагничивающихся сред.

В последнее время в области исследования магнитных жидкостей намечается смещение интересов исследователей в направлении разработки и изучения фазового равновесия сложных гетерогенных намагничивающихся систем, таких как магнитные эмульсии и магнитные жидкости с микрокапельной структурой.

В магнитных жидкостях, содержащих микрокапельные агрегаты, одним из наиболее информативных и надежных способов исследования сильных магнитных свойств конденсированной фазы является изучение закономерностей деформирования микрокапельных агрегатов в магнитном поле, а возможность

управления деформацией микрокапельных агрегатов слабым внешним магнитным полем позволяет использовать магнитные жидкости, содержащие микрокапельные агрегаты, для контроля магнитных полей рассеяния, в частности, в магнитной дефектоскопии. Поэтому в настоящее время актуальными являются исследования межфазных явлений в магнитных жидкостях с микрокапельной структурой, а также изучение особенностей процессов деформации микрокапельных агрегатов и потери их устойчивости под действием магнитных полей. Результаты исследований в этом направлении кроме чисто научного интереса могут также иметь и практическое значение.

В данной диссертационной работе изложены результаты исследований, выполненных в 1977-1997 годах. Работа выполнялась в соответствии с Координационными планами АН СССР на 11-ю и 12-ю пятилетки по направлению 1.3 "Физика твердого тела", постановлением Госкомитета СССР по науке и технике N678 от 21.12.83 г. "О развитии работ по созданию и внедрению в народном хозяйстве оборудования, машин и приборов с использованием магнитных жидкостей", Комплексной программой Минвуза РСФСР на 11-ю пятилетку и на период до 1990г. по проблеме "Магнитные жидкости", планами НИР СГСХА,

Цель работы:

- создание новых гетерогенных намагничивающихся сред и исследование их молекулярно-кинетических свойств;

- установление взаимосвязи между структурой, магнитными и оптическими свойствами магнитных коллоидов, а также кинетических закономерностей изменения структуры магнитных коллоидов в магнитном поле;

- выяснение механизма и установление основных закономерностей межфазных явлений в магнитных коллоидах;

- разработка прикладных вопросов, связанных с получением новых магниточувствительных жидкостей, исследованием их физических свойств и применением для производственного контроля магнитных головок и носителей записи.

Научная новизна результатов работы:

1. Разработаны новые гетерогенные намагничивающиеся дисперсные системы с легко наблюдаемым броуновским движением дисперсной фазы, которые представляют собой мелкодисперсные эмульсии магнитных жидкостей в воде. Установлено, что в таких средах процесс образования агрегатов в магнитном поле носит пороговый характер. Определены коэффициенты поступательной диффузии эмульгированных капель магнитной жидкости и их агрегатов, представляющих собой ориентированные вдоль постоянного магнитного поля цепочки. Установлен анизотропный характер броуновского движения ориентированных цепочек из капель магнитной жидкости в слабом однородном магнитном поле.

2. Предложена физическая интерпретация процесса агрегирования в эмульсиях и на основе теории намагниченности конгломератов и порошков Е.И.Кондорс-кого вычислен магнитный момент и число капель в крупных агрегатах, которое удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными, полученными для мелкодисперсных эмульсий магнитных жидкостей в воде, подвергшихся сильной агрегации.

3. Впервые систематически исследованы межфазные яв-, ления на границе микрокапельный агрегат-магнитная жидкость при различных значениях межфазного натяжения. Определены

предельные значения величины межсразного натяжения, при которых происходят качественные изменения поведения микрокапельных агрегатов в магнитном поле как без ограничения растяжения агрегатов стенками контейнеров, так и при развитии неустойчивос-тей межсразной границы в тонких капиллярах и в плоских щелях.

4. Исследовано влияние межфазного натяжения на формирование гексагональной микрокапельной структуры. Показано, что в плоских щелях толщиной -10 мкм при низких значениях межфазного натяжения (а~10~'Н/м) многократные разрывы микрокапельных агрегатов в поле, перпендикулярном щели, могут приводить к пороговым изменениям периода гексагональной структуры. Установлено, что при рассеянии света регулярной микрокапельной структурой скачкообразное изменение радиуса дифракционного кольца, полученного при коллинеарном направлении лазерного луча и вектора напряженности магнитного поля, обусловлено продольными разрывами деформированных микрокапельных агрегатов.

5. Для ряда магнетитовых магнитных жидкостей на керосине обнаружены изломы на кривых намагничивания в области полей 80-400 кА/м и пороговый характер расслоения на крупные веретенообразные агрегаты и жидкость слабой концентрации; выделение концентрированной фазы интерпретировано как фазовый переход, сделана оценка теплоты пептизации агрегатов. Показано, что взаимодействие частиц в крупных веретенообразных агрегатах, зафиксированных в поле при замораживании дисперсионной среды структурированной магнитной жидкости типа магнетит в парафине, приводит к появлению петли ги-

стерезиса, в то время как намагниченность образцов с изотропной структурой является безгистерезисной,

6. Впервые проведено исследование статики и динамики сферической границы раздела магнитная жидкость - немагнитная среда, Установлено, что начальная стадия деформации немагнитных капель, погруженных в магнитную жидкость, выражена сильнее, чем деформация капель магнитной жидкости; определено значение размагничивающего фактора формы капель, при котором деформации немагнитной и магнитной капель одинакового размера становятся одинаковыми, и показано, что при дальнейшем увеличении поля деформация магнитных капель выражена сильнее; разработан новый способ определения намагниченности малых количеств магнитных жидкостей, основанный на измерении линейных размеров деформированной капли магнитной жидкости, имеющей форму эллипсоида.

7. Исследованы свободные колебания капель магнитной жидкости, по параметрам колебательного движения намагничивающихся капель рассчитаны вязкость магнитной жидкости и коэффициент межфазного натяжения; получено соотношение, позволяющее определять период колебаний намагничивающихся капель в магнитном поле, который согласуется с экспериментальным значением.

8. Исследована магнитная восприимчивость мелкодисперсных эмульсий магнитных жидкостей с учетом изменения локальной концентрации дисперсной фазы и показано, что магнитная восприимчивость эмульсий с изотропной структурой соответствует расчетам, выполненным согласно теории намагниченности конгломератов и порошков Е.И.Кондорского, в то время как образование вытянутых вдоль поля крупных верете-

нообразных агрегатов приводит к увеличению магнитной восприимчивости коллоида.

9. Разработаны новые магниточувс-твительные жидкости, а также способы и устройства для контроля магнитных головок и сигналограмм; впервые в отечественной практике измерена глубина области намагничивания в сечении рабочего слоя магнитного носителя при цифровой магнитной записи.

Научная и практическая значимость работы,

1. Исследования межфазных явлений в магнитных жидкостях с микрокапельной структурой позволили установить важную роль величины межфазного натяжения в физических свойствах магнитных жидкостей и получить новые сведения о магнитных неустойчивостях микрокапельных агрегатов в тонких капиллярах и плоских щелях.

2. Разработаны новые устойчивые гетерогенные намагничивающиеся среды, представляющие интерес для установления связи между структурой и физическими свойствами магнитных коллоидов и имеющие прикладное значение.

3. Установленные закономерности поведения намагничивающихся капель и микрокапельных агрегатов в постоянном и в переменном магнитном поле позволили разработать способ определения намагниченности малых количеств магнитной жидкости, магниточувствительные жидкости, обладающие высокой чувствительностью и разрешающей способностью, а также предложить новые способы и устройства для контроля магнитных полей рассеяния магнитных головок и сигналограмм, которые внедрены в производственную практику Вильнюсского конструкторского бюро магнитной записи (п/о"Вильма",г.Вильнюс), в частности, устройство для визуализации магнитного поля, метод

и

моделирования критических зон записи, способы определения полей рассеяния магнитных головок и коэрцитивной силы магнитного носителя.

Структура диссертации. Диссертация содержит 339 страниц текста, 83 рисунка и состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы.

В первой главе представлен обзор научно-технической и патентной литературы, посвященной исследованию магнитных и межфазных явлений в магнитных коллоидах, В обзоре проанализировано современное состояние исследований магнитных неустойчивостей в магнитных коллоидах и сформулированы основные задачи диссертационной работы ,

Вторая глава посвящена исследованию взаимосвязи между агрегированием дисперсной фазы и магнитными свойствами магнитных коллоидов. Во второй главе дана характеристика объекта и методов исследования и представлены новые гетерогенные намагничивающиеся дисперсные среды, представляющие собой эмульсии магнетитовых магнитных жидкостей на углеводородной основе с размером капель порядка 1 мкм. Процесс-образования агрегатов в мелкодисперсных эмульсиях легко наблюдать визуально с помощью микроскопа, поэтому такие среды являются удобным объектом для исследования связи между структурой и физическими свойствами магнитных коллоидов.

Установлено, что характер намагничивания магнитных жидкостей, которые подвергаются сильному агрегированию, отличается от безгис-терезисного и не описывается формулой Ланжевена. Для образцов магнитных жидкостей, в которых процесс агрегирования носит пороговый характер, обнаружен гистерезис намагниченности в области полей, превышающих

пороговое, определяемый динамикой роста и распада агрегатов, Показано, что взаимодействие частиц в крупных агрегатах, зафиксированных в поле при замораживании дисперсионной среды структурированной магнитной жидкости типа магнетит в парафине, приводит к появлению коэрцитивной силы порядка 1,6кА/м при температуре 293 К, в то время как намагниченность неструктурированной магнитной жидкости является безгисте-резисной. Установлено, что поступательная диффузия ориентированных цепочек из частиц магнитной жидкости и эмульгированных капель в магнитном поле является анизотропной; определена зависимость числа эмульгированных капель магнитной жидкости, объединенных в крупные агрегаты, от внешнего однородного магнитного поля,

В третьей главе представлены результаты исследования деформации и колебаний намагничивающихся капель, впервые показавшие, что и капля магнитной жидкости в немагнитной среде и немагнитная капля, взвешенная в магнитной жидкости, в слабом магнитном поле принимают форму вытянутых вдоль поля эллипсоидов вращения. Обоснована определяющая роль величины межфазного натяжения при изменении формы микрокапельных агрегатов в магнитном поле и определено предельное значение межфазного натяжения, при котором