Актуальность исследования обусловлена отсутствием в литературе теоретических моделей, которые были бы способны, хотя бы с принципиальных позиций, объяснить сильные вязкоупругие эффекты, обнаруженные в экспериментах с магнитными жидкостями различной природы.
Диссертация посвящена теоретическому исследованию реологических свойств нанодисперсных магнитных жидкостей. Магнитных жидкостей в природе не существует, все естественные жидкие и газообразные среды очень слабо взаимодействуют с магнитным полем. Тем не менее, известны многочисленные примеры искусственно синтезированных жидких и дисперсных сред, взаимодействующих с магнитным полем из-за своей способности к намагничиванию.
Магнитные жидкости (феррожидкости) представляют собой коллоидные взвеси однодоменных ферромагнитных частиц в немагнитной жидкой среде. Диаметр частиц в типичных феррожидкостях варьируется в пределах 7-20 нм. Чтобы избежать необратимой коагуляции частиц, они покрываются специальными стабилизирующими слоями. В зависимости от типа феррожидкости, эти слои могут состоять из молекул поверхностно активных веществ, или иметь ионную структуру.
В последние, примерно, десять лет стационарные магнитовязкие эффекты в феррожидкостях, соответствующие постоянной скорости течения среды и постоянному магнитному полю, исследовались как экспериментально, так и теоретически. Их физическая природа, хотя бы на принципиальном уровне, выяснена и изучена. Установлено, что причиной этих эффектов является объединение частиц феррожидкости в линейно-цепочечные или объемно-капельные гетерогенные агрегаты, вытянутые вдоль приложенного магнитного поля (см., например, обзоры в [1,2]).
Вязкоупругие эффекты и свойства феррожидкостей, проявляющиеся при нестационарных течениях этих систем, вызывают большой интерес, как с общенаучной, так и с практической точек зрения. По сравнению со стационарными эффектами, вязкоупругие явления экспериментально изучены слабее, теоретического объяснения они до сих пор не получили.
Цель работы
Построение теории вязкоупругих свойств нанодисперсных феррожидкостей и объяснение экспериментально обнаруженных сильных вязкоупругих эффектов в этих системах. Прежде всего - больших времен реологической релаксации, на несколько десятичных порядков превышающих времена, предсказываемые классическими теориями динамических свойств ферро-жидкостей.
Этапы работы
• Разработка программы численных вычислений функции распределения цепочек по размерам по модели кинетики роста цепочечных агрегатов в магнитных жидкостях, расчета нелинейных реологических свойств этих систем.
• Теоретическое исследование релаксации вязкости магнитной жидкости после скачкообразного изменения скорости сдвига. Установление зависимости времени реологической релаксации феррожидкости от величины и характера изменения скорости сдвигового течения.
• Исследование реологических свойств полидисперсной феррожидкости в рамках простейшей бидисперсной модели.
• Расчет реологических свойств магнитных жидкостей с композитными частицами.
Научная новизна
• Предложена модель кинетики роста цепочечных агрегатов, а также влияния этого процесса на реологические свойства феррожидкостей. На основании этой модели рассчитана динамика функции распределения по числу частиц в цепочке после изменения внешнего магнитного поля и (или) скорости сдвигового течения феррожидкости.
• Теоретически рассчитана релаксация вязкости магнитной жидкости после скачкообразного изменения скорости сдвига у. Показано, что время релаксации сложным образом зависит от величины и характера изменения скорости сдвига.
• В рамках простейшей бидисперсной модели оценены магнитореологические свойства полидисперсной феррожидкости с цепочечными агрегатами.
• Для феррожидкости с кластерными частицами получены количественные оценки магнитовязкого эффекта и дано качественное объяснение экспериментально обнаруженных вязкоупругих эффектов.
Практическая значимость
• Предложенная модель эволюции цепочечных агрегатов может быть использована в качестве основы для дальнейшего изучения реологических свойств феррожидкостей и других магнитных суспензий.
• Эта модель позволяет прогнозировать реологическое поведение многих типов феррожидкостей в условиях современных технологий. В свою очередь это позволяет вырабатывать рекомендации по целенаправленному синтезу феррожидкостей для конкретных технологий и оптимальному их практическому применению.
Автор защищает
• Физическую модель вязкоупругости магнитных жидкостей.
• Вывод системы кинетических уравнений Смолуховского для цепочечных агрегатов.
Личный вклад автора. Численное решение системы кинетических уравнений для функции распределения по числу частиц в цепочечных агрегатов; решение уравнения Фоккера-Планка для функции распределения по ориентациям цепочек; вычисление эффективной вязкости, времен релаксации и других реологических характеристик магнитной жидкости.
Достоверность результатов исследования определяется соответствием полученных в диссертации теоретических результатов экспериментальным данным, переходу, в предельных случаях, полученных результатов в результаты, известные из литературы.
Апробация. Материалы диссертации представлялись и докладывались на следующих конференциях.
• 14-ая Международная «Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям» - (ИГЭУ, Плес, 2010).
• Всероссийская конференция молодых ученых «Неравновесные процессы в сплошных средах» - (ПГУ, Пермь, 2010).
• XVII «Зимняя школа по механике сплошных сред» - (ИМСС УрО РАН, Пермь, 2011).
• XXI Российская молодежная научная конференция «Проблемы теоретической и экспериментальной химии» - (УрГУ, Екатеринбург, 2011).
• XI Научно-практическая конференция «Дни науки - 2011. Ядерно- промышленный комплекс Урала» - (ОТИ НИЯУ МИФИ, Озерск, 2011).
• 7th «Annual European Rheology Conference» - (Суздаль, 2011).
• «Moscow International Symposium of Magnetism» - (МГУ, Москва, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК: «Журнал теоретической и экспериментальной физики», «Коллоидный журнал», «Physical Review», «Journal of Magnetism and Magnetic Materials».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 105 наименований и содержит 102 страницы, 38 рисунков.
Автор выражает благодарность: научному руководителю профессору, д.ф.-м.н. Зубареву А.Ю. и всему коллективу кафедры математической физики Уральского федерального университета.
1. В работе предлагается модель кинетики роста цепочечных агрегатов, а также влияния этого процесса на реологические свойства феррожидкостей. Несмотря на упрощения, лежащие в основе предложенной модели, она позволяет получить оценки для величины вязкости и времени вязкоупругой релаксации феррожидкости, по крайней мере, по порядку величины, совпадающие со значениями этих величин, измеренными в экспериментах. На основании выполненных расчетов можно сделать вывод о том, что темп эволюции микроскопических цепочечных структур играет определяющее важную роль в формировании макроскопических вязкоупругих свойств этих систем.
2. Исследована зависимость вязкости магнитной жидкости от скорости сдвига и приложенного магнитного поля. Теоретические результаты качественно и по порядку величины соответствуют известным экспериментам. Многие эксперименты с магнитными суспензиями интерпретируются при помощи простого закона:
7/7 = 1 + рМ “л
где 7 - эффективная вязкость магнитной жидкости; т/0- вязкость несущей среды; М х ^/Н2- безразмерное число Масона, равное отношению гидродинамической силы, разрушающей связи между частицами, к силе магнитного притяжения между ними, Л - некоторый показатель степени.
В рамках предложенной модели, в отличие от традиционных моделей и в согласии с экспериментами, показатель Л не является постоянной величиной, а растет с увеличением скорости сдвига и с приложенным магнитным полем. Физической причиной зависимости показателя Л от скорости сдвига и магнитного поля является броуновское движение частиц и разрушение агрегатов за счет испарения из них частиц, игнорируемое в традиционных моделях магнитовязких свойств магнитных суспензий.
3. Исследована релаксация вязкости магнитной жидкости после скачкообразного изменения скорости сдвига. Показано, что время релаксации сложным образом зависит от величины и характера изменения скорости сдвига.
4. В рамках простейшей бидисперсной модели исследовались магнито-реологические свойства полидисперсной феррожидкости. Предполагалось, что сильные реологические эффекты, наблюдаемые в экспериментах, порождаются цепочечными агрегатами, образованными наиболее крупными частицами. Влияние малых частиц на реологические свойства феррожидкости существенно зависит от их относительного размера. Если размер этих частиц существенно меньше размера крупных частиц, из которых состоят цепочки, то магнитореологический эффект, благодаря малым частицам, становится больше. Если размеры малых частиц сопоставимы с размерами крупных, присутствие малых частиц уменьшает реологические характеристики ферро-жидкости.
5. Феррожидкость с кластерными частицами проявляет сильные вязкоупругие свойства, индуцированные магнитным полем. Реологические явления в этих системах есть результат формирования и разрушения цепочечных агрегатов. Время вязкоупругой релаксации в этих системах может достигать не-скольких минут, что должно быть принято во внимание для реологических измерений и возможном практическом использовании феррожидкостей с сильно взаимодействующими частицами.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
