Динамика магнитных жидкостей и бидисперсных магнитных систем при колебательных сдвигах

Цель. Изучить динамику магнитной жидкости и бидисперсных магнитных систем при колебательных сдвигах.

Методы. Эксперимент был проведен на установках, созданных на общеизвестных методах и оборудовании для магнитных измерений и изготовленных самостоятельно. Разработан оригинальный метод измерения вязкоупругих параметров магнитожидкостных систем. В данной работе исследовалась магнитная жидкость, где в качестве основы использовался магнетит Fe₃O₄, в качестве стабилизатора – олеиновая кислота, жидкость-носитель - керосин. Для получения бидисперсной системы в образец МЖ-1 были добавлены частицы магнетита (размер частиц 300 нм) 1%, 5% и 10% по массе твердой фазы и получены жидкости МЖ-2 – МЖ-4 соответственно. Жидкости готовили путем механического и ультразвукового смешивания частиц магнетита с магнитной жидкостью. Еще одной важной характеристикой данных систем является зависимость вязкости от температуры. Для ее получения была существенно модернизирована установка. Вокруг измерительной ячейки был изготовлен герметичный жидкостный контур, подключенный системой силиконовых гибких трубок к термостату.

Результаты. Рассмотрены образцы с различными физическими параметрами, исследован магнитовязкий эффект. Микроструктура образца и присутствие крупных магнитных частиц влияют на динамику магнитных жидкостей, подверженных колебательным сдвигам и магнитовязким воздействиям. 

Заключение. Исследована динамика магнитной жидкости и бидисперсных магнитных систем при колебательных сдвигах в сильном магнитном поле. Получена зависимость коэффициента затухания магнитной жидкости от температуры. Результаты могут найти применение в разработке экспресс-испытаний образцов магнитных жидкостей и в создании датчиков ускорения и вибрации. Результаты данного исследования также могут быть использованы для изучения агломерации наночастиц.

1. Такетоми С., Тикадзуми С. Магнитные жидкости. М.: Мир, 1993. 272 с.

2. Rosensweig R. E. Ferrohydrodynamics. Cambridge, ets.: Cambridge University Press, 1985. 344 p.

3. Ferrofluids and bio-ferrofluids: looking back and stepping forward / V. Socoliuc, M. V. Avdeev, V. Kuncser, R. Turcu, E. Tombácz, L. Vekas // Nanoscale. 2022. Vol. 14, no. 13. P. 4786–4886.

4. On the theory of magnetoviscous effect in magnetorheological suspensions / A. Zubarev, L. Iskakova, M. Lopez-Lopez, P. Kuzhir, G. Bossis // Journal of rheology. 2014. Vol. 58, no. 6. P. 1673–1692.

5. Исследование размагничивающего поля, индуцированного звуковой волной / В. М. Полунин, А. О. Танцюра, А. М. Стороженко, П. А. Ряполов // Акустический журнал. 2013. Т. 59, № 6. С. 709.

6. Ivanov A. S., Pshenichnikov A. F. Dynamics of magnetophoresis in dilute magnetic fluids // Magnetohydrodynamics. 2010. Vol. 46, no. 2. P. 125–136.

7. Ерин К. В., Диканский Ю. И. Применение эффекта электрического двойного лучепреломления для исследования процессов релаксации заряда в коллоидных растворах магнетита // Письма в Журнал технической физики. 2009. Т. 35, № 10. С. 58–65.

8. Хохрякова К. А., Колесниченко Е. В. Волны на свободной поверхности магнитной жидкости на жидкой подложке, возбуждаемые вертикальным переменным магнитным полем // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 2. С. 96–110.

9. Косков М. А. Конвекция феррожидкости в замкнутом контуре: анализ температурного поля // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 2. С. 166–182.

10. Yerin C. V. Particles size distribution in diluted magnetic fluids // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 431. P. 27–29.

11. Ерин К. В. Магнитооптические исследования агрегатов наночастиц в коллоидных растворах магнетита // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 106, № 6. С. 945–949.

12. Pshenichnikov A. F., Ivanov A. S. Magnetophoresis of particles and aggregates in concentrated magnetic fluids // Physical Review E - Statistical, Nonlinear, and Soft Matter Physics. 2012. Vol. 86, no. 5. P. 051401.

13. Ivanov A. S., Pshenichnikov A. F. Vortex flows induced by drop-like aggregate drift in magnetic fluids // Physics of Fluids. 2014. Vol. 26, no. 1. P. 012002.

14. Nanoparticle sizing: a comparative study using atomic force microscopy, transmission electron microscopy, and ferromagnetic resonance / L. M. Lacava, B. M. Lacava, R. B. Azevedo, Z. G. M. Lacava, N. Buske, A. L. Tronconi, P. C. Morais // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2001. Vol. 225, no. 1-2. P. 79–83.

15. Atomic force microscopy and magnetization investigation of a water-based magnetic fluid / P. C. Morais, B. M. Lacava, A. F. Bakuzis, L. M. Lacava, L. P. Silva, R. B. Azevedo, Z. G. M. Lacava, N. Buske, W. C. Nunes, M. A. Novak // Journal of magnetism and magnetic materials. 2001. Vol. 226. P. 1899–1900.

16. Raşa M., Kuipers B. W. M., Philipse A. P. Atomic force microscopy and magnetic force microscopy study of model colloids // Journal of colloid and interface science. 2002. Vol. 250, no. 2. P. 303–315.

17. Direct observation of dipolar chains in iron ferrofluids by cryogenic electron microscopy / K. Butter, P. H. H. Bomans, P. M. Frederik, G. J. Vroege, A. P. Philipse // Nature materials. 2003. Vol. 2, no. 2. P. 88–91.

18. Direct observation of dipolar chains in ferrofluids in zero field using cryogenic electron microscopy / K. Butter, P. H. H. Bomans, P. M. Frederik, G. J. Vroege, A. P. Philipse // Journal of Physics: Condensed Matter. 2003. Vol. 15, no. 15. P. S1451.

19. Odenbach S. Magnetic fluids-suspensions of magnetic dipoles and their magnetic control // Journal of physics: condensed matter. 2003. Vol. 15, no. 15. P. S1497.

20. Rotational viscosity in ferrofluids / O. Ambacher, S. Odenbach, K. Stierstadt // Zeitschrift für Physik B Condensed Matter. 1992. Vol. 86, no. 1. P. 29–32.

21. Magnetoviscous effect in ferrofluids diluted with sheep blood / J. Nowak, D. Borin, S. Haefner, A. Richter, S. Odenbach // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 442. P. 383–390.

22. Динамика магнитных жидкостей, подвергающихся колебательному сдвигу / Е. В. Шельдешова, А. А. Чураев, И. А. Шабанова, П. А. Ряполов // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 4. С. 137–148.

23. On the dissipation processes in the oscillating system with a magneto-liquid element / G. V. Karpova, A. N. Kutuev, P. A. Ryapolov, V. M. Polunin, E. K. Zubarev, V. V. Kovarda // Magnetohydrodynamics. 2009. Vol. 45, no. 1. P. 85–93.

24. Свободные колебания магнитной жидкости в сильном магнитном поле / В. М. Полунин, П. А. Ряполов, В. Б. Платонов, А. Е. Кузько // Акустический журнал. 2016. Т. 62, № 3. С. 302.

25. Preparation of stable magnetorheological fluids based on extremely bimodal iron– magnetite suspensions / M. T. López-López, J. De Vicente, G. Bossis, F. González-Caballero, J. D. G. Durán // Journal of materials research. 2005. Vol. 20, № 4. P. 874–881.

26. Dynamic characterization of extremely bidisperse magnetorheological fluids / G. R. Iglesias, M. T. López-López, J. D. G. Duran, F. González-Caballero, A. V. Delgado // Journal of colloid and interface science. 2012. Vol. 377, no. 1. P. 153–159.

27. Preparation and sedimentation behavior in magnetic fields of magnetite-covered clay particles / C. Galindo-Gonzalez, J. De Vicente, M. M. Ramos-Tejada, M. T. Lopez-Lopez, F. Gonzalez-Caballero, J. D. G. Duran // Langmuir. 2005. Vol. 21, no. 10. P. 4410–4419.

28. Rosensweig R. E. Magnetorheological particle clouds // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2019. Vol. 479. P. 301–306.

29. From high colloidal stability ferrofluids to magnetorheological fluids: tuning the flow behavior by magnetite nanoclusters / D. Susan-Resiga, V. Socoliuc, A. Bunge, R. Turcu, L. Vékás // Smart Materials and Structures. 2019. Vol. 28, no. 11. P. 115014.

30. Rheological investigations on the theoretical predicted “Poisoning” effect in bidisperse ferrofluids / E. Siebert, V. Dupuis, S. Neveu, S. Odenbach // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2015. Vol. 374. P. 44–49.

31. Magnetorheology for suspensions of solid particles dispersed in ferrofluids / M. T. López-López, P. Kuzhir, S. Lacis, G. Bossis, F. González-Caballero, J. D. Durán // Journal of Physics: Condensed Matter. 2006. Vol. 18, no. 38. P. S2803.

32. McTague J. P. Magnetoviscosity of magnetic colloids // The Journal of Chemical Physics. 1969. Vol. 51, no. 1. P. 133–136.

33. Krichler M., Odenbach S. Thermal conductivity measurements on ferrofluids with special reference to measuring arrangement // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2013. Vol. 326. P. 85–90.

34. Thermal conductivity measurements on ferrofluids / J. Popplewell, A. Al-Qenaie, S. W. Charles, R. Moskowitz, K. Raj // Colloid and Polymer Science. 1982. Vol. 260, no. 3. P. 333–338.

35. Raj K., Moskowitz B., Casciari R. Advances in ferrofluid technology // Journal of magnetism and magnetic materials. 1995. Vol. 149, no. 1-2. P. 174–180.

36. Bottenberg W., Melillo L., Raj K. The dependence of loudspeaker design parameters on the properties of magnetic fluids // Journal of the Audio Engineering Society. 1980. Vol. 28, no. 1/2. P. 17–25.

37. Scherer C., Figueiredo Neto A. M. Ferrofluids: properties and applications // Brazilian journal of physics. 2005. Vol. 35. P. 718–727.

38. Динамическая упругость столбика магнитной жидкости в сильном магнитном поле / В. М. Полунин, П. А. Ряполов, Е. В. Шельдешова, А. Е. Кузько, И. М. Арефьев // Известия высших учебных заведений. Физика. 2017. Т. 60, № 3. С. 3–10.

39. Ryapolov P. A., Polunin V. M., Shel'deshova E. V. An alternative way to study magnetic fluid magnetization and viscosity // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. Vol. 496. P. 165924.

40. Вязкость магнитной жидкости при колебаниях в сильном магнитном поле / В. М. Полунин, П. А. Ряполов, А. И. Жакин, Е. В. Шельдешова // Акустический журнал. 2019. Т. 65, № 4. С. 477–483.