Введение к работе
Актуальность проблемы. Несмотря на то, что к настоящему времени имеется достаточно большое число экспериментальных и теоретических работ, посвященных изучению магниточувствительных эмульсий, однако многие проблемы остаются открытыми. К таким проблемам относятся, в частности, особенности магнитных и электрических свойств магниточувствительных эмульсий, их связь с различными параметрами системы и специфика взаимодействия с внешними полями. Большое значение при этом имеют исследования процессов структурообразования, происходящих в таких средах, и динамики частиц их дисперсной фазы при воздействии внешних полей, чему уделено недостаточно внимания в существующих в настоящее время работах Поэтому, изучение электрических и магнитных свойств магниточувствительных эмульсий в настоящее время является актуальным и, безусловно, представляет общенаучный интерес. Наряду с этим, исследование особенностей их свойств важно в контексте более успешного практического их применения в качестве сред, магнитными и электрическими свойствами которых можно эффективно управлять путем воздействия внешними ПОЛЯМИ.
Целью настоящей диссертационной работы является исследование особенностей магнитных и электрических свойств магниточувствительных эмульсий, обусловленных протекающими в них процессами структурообразования и динамикой частиц дисперсной фазы при взаимодействии с магнитными и электрическими полями.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
изучить особенности поведения и динамику формы отдельных микрокапель дисперсной фазы магниточувствительных эмульсий, представляющих собой как капли магнитной жидкости, взвешенные в немагнитной среде, так и капли немагнитной жидкости, помещенные в жидкую намагничивающуюся среду, при воздействии на них внешних полей;
исследовать особенности магнитных свойств магниточувствительных эмульсий, обусловленные деформацией микрокапель дисперсной фазы под воздействием постоянного магнитного поля и эффектом обращения фаз. Выявить отличия магнитных свойств эмульсий с магнитной дисперсной фазой и немагнитной дисперсионной средой от свойств эмульсий с немагнитной дисперсной фазой и магнитной дисперсионной средой;
установить особенности магнитных свойств магниточувствительных эмульсий, подверженных воздействию вращающегося магнитного поля, обусловленные деформацией при этих условиях капель дисперсной фазы эмульсии;
- исследовать особенности процесса образования цепочечных агрегатов из капель дисперсной фазы в эмульсиях, значение межфазного натяжения в которых велико и препятствует деформации капель дисперсной фазы под действием постоянного магнитного поля, изучить особенности электрических свойств таких сред, обусловленные процессами структурообразования в магнитном поле.
Научная новизна диссертации состоит в следующем.
Впервые экспериментально и теоретически изучена динамика формы немагнитных капель, помещенных в магнитную жидкость при воздействии на них вращающегося магнитного поля, установлены возможные устойчивые конфигурации капли, а также явление распада капли и локальная гребенчатая неустойчивость ее границы.
Обнаружены новые эффекты деформации капель магнитной жидкости и немагнитных капель, помещенных в магнитную жидкость, в случае их расположения в плоском горизонтальном ограниченном слое под действием перпендикулярного слою магнитного поля. Обнаружено и исследовано явление интенсивного разрушения магнитных капель при резком наложении магнитного поля, происходящее по нескольким траекториям, имеющим фрактальную геометрию.
В результате исследования магнитных свойств магниточувстви-тельных эмульсий во внешних магнитных полях установлена связь макроскопических магнитных свойств таких сред с их структурным состоянием, обусловленным воздействием магнитного поля. Впервые показано влияние взаимодействия капель дисперсной фазы эмульсии на характер их деформации в магнитном поле. Изучено явление обращения фаз магниточувствительной эмульсии при увеличении содержания в ней дисперсной фазы. Показано, что обращение фаз эмульсии проявляется в значительном изменении ее магнитных свойств.
Предложена новая методика анализа размеров микрокапель дисперсной фазы магниточувствительных эмульсий, а также микрочастиц порошковых и гранулированных материалов на основе седиментационного метода с использованием магнитной жидкости и магнитных измерений.
Обнаружена и исследована анизотропия электрической проводимости и диэлектрической проницаемости магниточувствительных эмульсий при формировании из них цепочечных агрегатов под действием магнитного поля. Показано, что удельная электрическая проводимость эмульсии под действием магнитного поля может возрастать в несколько раз по сравнению с первоначальным значением. Впервые изучена зависимость электрических свойств магниточувствительных эмульсий от концентрации дисперсной фазы.
Достоверность полученных результатов подтверждена корректностью использованных методик исследования, применением стандартных приборов и оборудования при проведении измерений, анализом погрешностей измерений. Основные результаты и выводы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научных конференциях.
Научная и практическая значимость диссертации заключается в том, что полученные результаты исследования особенностей магнитных и электрических свойств магниточувствительных эмульсий, обусловленные процессами структурной организации и динамикой формы капель дисперсной фазы при воздействии магнитных и электрических полей внесли определенный вклад в развитие исследований ряда фундаментальных проблем физики жидких намагничивающихся сред.
При выполнении диссертационной работы были синтезированы и исследованы новые жидкие композиционные магнитомягкие материалы, макроскопические электромагнитные свойства которых существенным образом зависят от воздействия внешних полей. Это указывает на перспективность их практического применения в качестве сред, свойствами которых можно эффективно управлять путем воздействия внешних электрических и магнитных полей.
Усовершенствованный на основе применения магнитных жидкостей в качестве несущей среды седиментационный метод определения размеров микрочастиц может найти применение при проведении лабораторных исследований, а также в тех отраслях производства, в которых степень дисперсности материала влияет на качество производимых продуктов.
Автор защищает:
установленные особенности процессов деформации немагнитных капель, помещенных в магнитную жидкость, при воздействии вращающегося магнитного поля, а именно: возможность реализации двух устойчивых конфигураций капли в виде вытянутого и сплюснутого эллипсоидов вращения, явление распада капли и возникновение локальной гребенчатой неустойчивости ее границы с внешней средой;
результаты экспериментальных исследований особенностей процесса деформации и неустойчивости микрокапель магнитной жидкости и немагнитных микрокапель, помещенных в магнитную жидкость, в случае их расположения в плоском горизонтальном ограниченном слое в перпендикулярном его плоскости магнитном поле;
установленные особенности магнитных свойств магниточувствительных эмульсий, обусловленные процессами деформации капель дисперсной фазы при взаимодействии со стационарным и вращающимся магнитными полями, и заключающиеся в том, что зависимость маг-
нитной проницаемости эмульсий от величины магнитного поля имеет характерный максимум, зависимость магнитной проницаемости от концентрации дисперсной фазы имеет перегиб, соответствующий обращению фаз эмульсии, которое проявляется в значительном изменении характера ее намагничивания;
методику определения размеров капель дисперсной фазы магни-точувствительных эмульсий, а также микрочастиц порошковых и гранулированных материалов седиментационным методом с использованием магнитной жидкости;
установленные особенности электрических свойств магниточув-ствительных эмульсий, обусловленные образованием в них цепочечных агрегатов при взаимодействии с магнитным полем, и заключающиеся в том, что удельная электрическая проводимость и диэлектрическая проницаемость эмульсии могут увеличиваться в несколько раз при воздействии поля, магниточувствиельная эмульсия в магнитном поле становится электрически анизотропной средой, концентрационная зависимость электрической проводимости и диэлектрической проницаемости эмульсии носит монотонно возрастающий характер.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены и обсуждались на представительных научных форумах: III Международная конференция «Фундаментальные проблемы физики» (Казань, 2005); 12-я, 13-я Международная Плесская конференция по магнитным жидкостям (Плес, 2006, 2008); I, II Всероссийская научная конференция «Физико-химические и прикладные проблемы магнитных дисперсных наносистем» (Ставрополь 2007, 2009); Moscow international symposium on magnetism (Moscow, 2008); 7th International conference on the scientific and clinical applications of magnetic carriers (Vancouver, Canada, 2008); V Международная научная конференция «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация для нано-технологий, техники и медицины)) (Иваново, 2008); 51-54-я научно-методическая конференция «Университетская наука - региону» (Ставрополь, 2006-2009); 19th Soft magnetic materials conference (Torino, Italy, 2009).
По теме диссертации опубликовано 39 работ: 7 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК, 2 патента, 29 работ в сборниках и трудах конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 114 наименований. Материал диссертации содержит 158 страниц, 54 рисунка.
Личный вклад соискателя.
Автором лично проведены все экспериментальные исследования, обработка результатов измерений и все представленные в диссертаци-
онной работе расчеты. Проведено сравнение полученных результатов экспериментальных исследований с результатами выполненных автором теоретических расчетов. Основные выводы и положения диссертационной работы сформулированы лично автором.
