Поглощение ультразвука в магнитных жидкостях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

• . - -. ^

На правах рукописи

НАДВОРЕЦКИЙ ВЯЧЕСЛАВ ВИКТОРОВИЧ

ПОГЛОЩЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МАГНИТНЫХ

ЖИДКОСТЯХ

(01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук профессор Соколов В.В. доктор физико-математических наук профессор Кравчук A.C.

Москва - 1999

С ОДЕРЖ АНИЕ

Введение....................................................................................................4

- - ^

Глава 1. Обзор экспериментальных и теоретических исследований...............................................................................................................9

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

1.2 Поглощение ультразвука в ненамагниченных магнитных жидкостях..............................................................................................................14

1.3 Поглощение ультразвука в намагниченных магнитных жидкостях..............................................................................................................21

1.4 Кинетика намагничивания магнитных жидкостей..............................25

Глава 2. Анализ акустических спектров коэффициента поглощения ультразвука в ненамагниченных магнитных жидкостях..........................30

2.1 Вязкостный механизм поглощения ультразвука в магнитных жидкостях..........................................................................................................30

2.2 Магнито,динамический механизм поглощения ультразвука в магнитных жидкостях.....................................................................................45

2.3 Сравнение теоретических и экспериментальных акустических спектров коэффициента поглощения ультразвука в магнитных жидкостях.........................................................................................................49

Глава 3. Анизотропия поглощения ультразвука в магнитных жидкостях.........................................................................................................68

3.1 Поглощение ультразвука в магнитной жидкости с эллипсоидальными агрегатами........................................................................................68

3.2 Методика и техника эксперимента......................................................76

3.3 Сравнение экспериментальных и теоретических данных..................81

Глава 4. Кинетика агрегирования в магнитных жидкостях во внешнем магнитном ноле.........7.........................................................................87

4.1 Процессы агрегирования в магнитных жидкостях..............................87

4.2 Математическая модель агрегирования во внешнем магнитном поле............................................................................................................90

4.3 Сравнение теоретических и экспериментальных результатов...........94

Заключение.............................................................................................10 4

Список литературы...............................................................................107

ВВЕДЕНИЕ

Исследованию физических свойств магнитных жидкостей - высокодисперсных коллоидов ферри- и ферромагнетиков в настоящее время уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом. Магнитные жидкости, синтезированные в начале 60-х годов, относятся к перспективным композиционным материалам. Интерес исследователей к магнитным жидкостям вызван уникальным сочетанием их свойств, таких как текучесть и способность намагничиваться. Благодаря этому они имеют весьма широкий спектр применения: от приборостроения до медицины. Среди разнообразных методов исследования структурных свойств магнитных жидкостей особого внимания заслуживают методы физической акустики. Эти методы весьма чувствительны к структурным особенностям среды, исследования этими методами проводятся в объеме вещества и, не нарушая его структуры, позволяют проследить динамику происходящих в веществе процессов, вызванных воздействием внешних полей, поэтому актуальность этих методов при изучении механических и динамических свойств магнитных жидкостей не подлежит сомнению. Структура магнитной жидкости и наблюдающиеся в ней агрегативные изменения при воздействии магнитных полей обуславливают изменения акустических параметров жидкости. По характерному изменению акустических свойств магнитных жидкостей при многократном наложении внешнего магнитного поля можно судить об агрегатив-ной устойчивости соответствующей жидкости. Этот факт позволяет

осуществлять экспресс-диагностику и контроль качества магнитных жидкостей. Поэтому в настоящее время актуальными являются исследования структурных особенностей и процессов агрегатирования в магнитных жидкостях акустическими методами и выяснение взаимосвязи между магнитными, акустическими и структурными свойствами магнитных жидкостей.

Целью настоящей работы является изучение механизмов поглощения ультразвука в магнитных жидкостях, а также исследование поведения поглощения ультразвука при наложении внешнего магнитного поля. Для этого были поставлены и решены следующие задачи:

- изучение процессов диссипации энергии ультразвуковых волн в ненамагниченных магнитных жидкостях;

- исследование взаимосвязи между магнитной и акустической подсистемами магнитных жидкостей при распространении ультразвука в них;

- изучение анизотропии поглощения ультразвука в магнитных жидкостях во внешнем однородном стационарном магнитном поле;

- исследование процессов агрегирования в магнитных жидкостях при наложении внешнего магнитного поля и изучение кинетики намагничивания магнитных жидкостей акустическим методом.

Научная новизна и практическая ценность работы состоят в следующем:

Впервые был проведен систематический анализ теоретических ра-

бот по поглощению ультразвука в суспензиях и магнитных жидкостях. Было обнаружено различие в акустических спектрах коэффициента поглощения обычных суспензий и магнитных жидкостей. Показано, что наиболее вероятными каналами диссипации энергии ультразвука в магнитных жидкостях являются вязкостный, тепловой и магнитодинамический. Был предложен новый магнитодинами-ческий механизм поглощения ультразвука, который имеет релаксационный характер и отражает специфику магнитной жидкости благодаря магнитным дипольным моментам частиц твердой фазы.

Получено новое выражение для коэффициента поглощения ультразвука в магнитных жидкостях, находящихся под воздействием внешних стационарных магнитных полей, которое отражает анизотропию поглощения звука и удовлетворительно описывает экспериментально полученные данные по угловой зависимости коэффициента поглощения ультразвука в магнитной жидкости на основе до-декана.

Предложена модель процессов структурообразования в магнитных жидкостях, происходящих после наложения внешнего магнитного поля. Динамика роста агрегатов восстанавливалась по экспериментальным данным временной зависимости коэффициента поглощения с помощью полученного выражения для коэффициента поглощения ультразвуковых волн, распространяющихся в магнитной жидкости с эллипсоидальными агрегатами.

Разработанные в диссертации теоретические и экспериментальные

методы изучения .динамических свойств магнитных жидкостей методом физической акустики могут составить основу при проведении экспресс-анализа, диагностики и контроля качества магнитных жидкостей.

На защиту выносятся:

Результаты теоретических исследований диссипации энергии ультразвука в ненамагниченных магнитных жидкостях.

Магнитодинамический механизм поглощения ультразвука в ненамагниченных магнитных жидкостях.

Теоретические результаты для описания анизотропии коэффициента поглощения ультразвука в намагниченных магнитных жидкостях за счет анизотропии формы агрегатов и диполь-дипольного взаимодействия между ними.

Математическая модель процессов агрегирования в магнитных жидкостях при наложении внешнего магнитного поля.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований кинетики агрегирования в магнитных жидкостях во внешнем магнитном поле.

Апробация работы. Результаты работы представ лены на следующих конференциях: Международная конференция "Колебания и волны в экологии, технологических процессах и диагностике", (Минск, 1993); Международная акустическая конференция северных стран (Аархус, 1994); Межвузовская конференция "Перспективы повышения надежности и качества наукоемкой продукции на основе

новейших достижений приборостроения" (МГАПИ, 1996). Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Глава 1. Обзор экспериментальных и теоретических

исследований

1.1 Общие сведения о магнитных жидкостях

Магнитные жидкости представляют из себя жидкие высокодисперсные коллоидные системы, состоящие из двух фаз: несущей жидкости (вода, керосин, додекан, минеральные и органические масла, кремнийорганика и т.п.) и твердой фазы, состоящей из малых частиц ферро- или ферримагнетика, каждая из которых имеет постоянный магнитный момент [1-9]. В данной работе рассматриваются коллоидные растворы магнитных частиц, размеры которых настоль-

о

ко малы (порядка 100 А, что частицы подвержены броуновскому движению, препятствующему их оседанию (седиментации). Коллоидные частицы магнитного материала однодоменны и их магнитные моменты взаимодействуют друг с другом. Для обеспечения агре-гативной устойчивости магнитной жидкости, т.е. для устойчивости по отношению к укрупнению частиц вследствие их сближения на такие расстояния, при которых энергия притяжения оказывается больше, чем разупорядочивающая энергия теплового движения, в жидкую основу вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ), выполняющие функцию стабилизатора. В качестве ПАВ используют вещества, состоящие из полярных или неполярных органических молекул, которые создают на поверхности дисперсных частиц адсорбционно-сольватные слои, препятствующие их слипанию.

Среди различных методов получения магнитных жидкостей наи-

более широкое распространение получили метод диспергирования, при котором ультрадисперсные частицы получают путем механического измельчения магнетитового порошка с последующим центрифугированием, и метод конденсации, при котором частицы магнетита осаждают концентрированной щелочью из растворов солей двух-и трехвалентного железа. Максимальная объемная концентрация твердой фазы в магнитной жидкости зависит от размера частиц и минимально возможного расстояния между ними. Оценка предельной концентрации твердой фазы при гексагональной упаковке сферических частиц дает ф ~ 30%. Однако система из плотно упакованных частиц уже не является жидкой, поэтому в технических магнитных жидкостях концентрация твердой фазы, как правило, не превышает 20%.

Магнитная восприимчивость магнитных жидкостей на несколько порядков выше, чем у гомогенных парамагнитных жидкостей и достигает значения 15-20. Ее величина возрастает при увеличении размера частиц и их объемной концентрации. Однако в устойчивых коллоидах размер частиц твердой фазы ограничен. Если принять форму частиц твердой фазы близкой к сферической, то при увеличении размеров частицы ее магнитный момент М возрастает пропорционально кубу ее диаметра d:

М = hqMsVp = ^оMsd3 , 6

где Ms - намагниченность насыщения вещества твердой фазы, Vp - объем частицы, ¡iq = 4ж • 10~7 Гн/м - магнитная проницаемость

вакуума.

Вследствие малого размера частицы твердой фазы однодоменны, и их магнитный момент направлен в отсутствие внешнего магнитного поля вдоль одного из направлений легкого намагничивания, направление же магнитного момента во времени подвержено хаотичным тепловым флуктуациям. На этот механизм релаксации впервые указал Неель [10]: даже в отсутствие внешнего поля возможно пере-магничивание частицы за счет преодоления энергетического барьера Еа = КдУр между различными направлениями легкого намагничивания, Ка - константа кристаллографической анизатропии. Характерное время неелевской релаксации определяется выражением

Е,

тл=т0еи-. (1-1-1)

Параметр т0 выбирается разными авторами постоянным в пределах Ю-9 - Ю-10 с, и его значение определяется ларморовской прецессией магнитного момента частицы вокруг оси анизотропии.

В суспензиях однодоменных частиц равновесная ориентация магнитных моментов в приложенном поле может может быть достигнута и путем вращения самих частиц относительно несущей жидкости с вязкостью г]. Этот механизм релаксации намагниченности характеризуется броуновским временем вращательной диффузии [11]:

<г - ЗУрГ1 (Л 1 ^

(1-1-2)

Таким образом, динамика намагничивания связана с двумя флукту-ационными механизмами. Физически они различны: неелевский ме-

ханизм определяется свойствами ферромагнетика твердой фазы, а броуновский - вязкостью несущей жидкости. Следовательно, наиболее важен тот механизм релаксации, который характеризуется меньшим временем вращетельной диффузии.

Магнитные свойства магнитной жидкости определяются как состоянием твердых частиц, так и степенью их упорядоченности. Вдали от температуры Кюри каждая однодоменная частица обладает постоянным по величине магнитным моментом. Если рассматривать идеализированный случай, полагая ф <С 1 и пренебрегая взаимодействием между частицами твердой фазы и корреляцией между направлениями их магнитных моментов, то такая однородная и изотропная магнитная жидкость ведет себя по отношению к внешнему магнитному полю как парамагнетик, в котором элементарными носителями магнетизма являются взвешенные частицы. Их магнитный момент намного превосходит момент одного атома, поэтому характеристика поведения такой системы в поле носит название " суперпарамагнетизма", введенного Бином [12]. Ориентации магнитных моментов в направлении приложенного магнитного поля напряженности Н препятствует тепловое движение. Учет обоих факторов, как и в классической теории парамагнетизма Ланжевена, приводит к формуле для намагниченности магнитной жидкости

М = ф^М3Ь (^Г) , (1.1.3)

где Ь(£) — сЬН^ — - функция Ланжевена. Асимптотики функции Ланжевена описывают начальный участок кривой намагниче-

ния (£ < 1):

М ЦрпМ2 Хо = Я ^ ~ЗкТ~ ' (1Л'4)

и приближение к насыщению (£ 1):

пкТ

М = фцоМ3 - — , (1.1.5)

где п - число магнитных частиц в единице объема.

1.2 Поглощение ультразвука в ненамагниченных магнитных жидкостях

Процесс распространения упругих механических колебаний в среде зависит от ее свойств. Поэтому по изменениям параметров звуковых волн, проходящих через магнитную жидкость, можно получить информацию о ее свойствах и структурных особенностях. Акустические волны представляют собой процесс переноса механической деформации среды. В жидкостях распространяются продольные волны, в которых движение элементов среды происходит параллельно направлению волны, а переносимая деформация состоит из объемной и сдвиговой. Основные акустические свойства магнитных жидкостей, как и других сред, характеризуются скоростью распространения звуковой волны и коэффициентом поглощения звуковой энергии. Затухание звуковых волн в магнитной жидкости определяется дис-сипативными процессами, характеризуемыми эффективными коэффициентами вязкости и теплопроводности. Частотная дисперсия коэффициента поглощения обусловлена резонансным возбуждением звуковой волной различных степеней свободы (колебания твердых частиц) и процессом акустической релаксации, т.е. установлением локального равновесия в жидкости, возмущенной звуковой волной. Поскольку эти процессы носят необратимый характер, то определенная доля энергии звуковой волны переходит в теплоту. По своим механическим и термодинамическим свойствам частицы твердой фазы и их агрегаты отличаются от основы, поэтому по акустическим

свойствам магнитной жидкости и по их изменению можно судить о структурных изменениях в ней.

Как известно, магнитные жидкости представляют собой разновидность суспензий, и их основное отличие заключается в свойствах частиц твердой фазы, которые являются однодоменными носителями постоянного по величине магнитного момента. Однако авторы различных работ для теоретического описания поведения акустических параметров магнитных жидкостей привлекают результаты, полученные при рассмотрении обычных суспензий, содержащих малые немагнитные частицы твердой фазы. Поэтому проведем обзор теоретических и экспериментальных работ по поглощению звука в обычных суспензиях.

Одной из первых работ по поглощению звука в дисперсных системах стала работа С.М.Рытова с соавторами [36]. В ней авторы вывели выражение для дополнительного поглощения звука, обусловленного наличием дисперсной фазы. В основе вывода этого выражения лежало уравнение движения твердой частицы в звуковой волне. Авторы [36] пренебрегли рассеянием звуковой волны на частицах и тепловыми эффектами на границе фаз. Вследствие этого полученное ими выражение описывает дополнительное поглощение, обусловленное только вязкостным механизмом. Более подробно вязкостный механизм поглощения ультразвука и работа [36] будут изложены в гл. 2.

В работе [13] было получено теоретическое выражение для погло-

щения звука в