Роль кластеризации структуры ферросуспензии в формировании магнитной восприимчивости

В магнитном поле протекает процесс кластеризации магнитной системы: магнитные частицы образуют цепочки, вытянутые вдоль поля. При достаточном уровне общего дипольного или молекулярного взаимодействий частицы образуют цепочки, кластеры с замкнутым внутри них потоком или сплошную пространственную сетку даже в отсутствие внешнего поля. В суспензии однодоменных частиц этот эффект проявляется достаточно сильно: при перемешивании частицы объединяются в одинаковые по размерам сферические гранулы диаметром до нескольких миллиметров. Механическое перемешивание действует подобно нагреванию суспензии, т.е. вызывает раскачивание частиц в кластерах и перестройку их структуры. Кластеры обладают более высокой плотностью, поскольку увеличение плотности кластеров обусловлено дипольным взаимодействием частиц и оно энергетически выгодно.

Молекулярные силы сцепления не зависят от ориентации магнитных диполей и вызывают случайное слипание частиц в рыхлые агрегаты. Если эти силы существенно выше дипольных, то необходимые для расшатывания кластера гидродинамические силы также окажутся больше дипольных.

В кластерах, структурной сетке и гранулах локальное поле имеет случайное направление, а ориентация магнитных моментов частиц совпадает в среднем с направлением локального поля. В этом случае локальное поле препятствует ориентации частиц вдоль внешнего поля и уменьшает магнитную восприимчивость взвеси.

Если вместо кластеров имеются цепочки из N частиц, то в поле они ведут себя как частица с моментом , и тогда начальная восприимчивость возрастает в N раз: . Восприимчивость в этом случае определяется только концентрацией магнитной фазы φ и структурой суспензии.

Однако если бы причиной приращения намагниченности было только спонтанное образование цепей, то начальный участок графика М(Н) был бы линейным, так как в этом случае начальная восприимчивость в слабых полях постоянна. При вынужденной полем агрегации N растет с увеличением напряженности поля за счет вовлечения все большего числа частиц в агрегаты и уменьшения среднего по всем частицам расстояния между ними r₀.

Однородность разбавленных ферросуспензий можно поддерживать только постоянным их перемешиванием, которое разрушает крупные хлопья до более мелких фрагментов. В результате этого уменьшается среднее число ближайших соседей z и увеличивается начальная магнитная восприимчивость. Прекращение перемешивания ведет к снижению начальной восприимчивости.

При неизменной интенсивности перемешивания удельная восприимчивость снижается с ростом концентрации частиц, так как увеличиваются размер хлопьев и среднее число z соседей по взаимодействию. В суспензиях BaO·6Fе₂О₃с частицами размером около 1 мкм и в суспензиях γ·Fe₂O₃с частицами размером около 0,3 мкм величина приближается к 1,5, т. е. z - к 2.

Концентрированные суспензии, однодоменных частиц (φ ^> 0,1) сохраняют однородность (не расслаиваются) и без перемешивания благодаря образованию сплошной сетки из взаимосвязанных частиц. При напряженности поля меньшей, чем коэрцитивная сила частиц, суспензии намагничиваются в основном за счет поворота частиц. Вращение возможно, если силы сцепления частиц достаточно малы. Эти силы ослабляются при образовании на частицах адсорбционных слоев, поэтому сильное влияние на намагничивание оказывает введение в жидкую среду ПАВ, например олеиновой кислоты, к частицам BaO·6Fе₂О₃в углеводородной среде. Введение небольшого количества ПАВ придает кривой намагничивания вид, типичный для предельной петли гистерезиса. После отверждения среды той же суспензии намагниченность полученной системы обусловлена вращением вектора намагниченности внутри частиц.

Пример 7.1: Формула для относительной вязкости раствора типа «магнетит в керосине», полученная в результате аппроксимации экспериментальных данных:

,

где j_g – гидродинамическая концентрация частиц дисперсной фазы, включающая кроме объемной доли твердой фазы j также объемную долю защитных оболочек; h и h₀ – динамические вязкости коллоида и жидкости-основы.

Найти j_g , при которой = 1,2.

4.11.5 особенности прохождения ультразвука через ферросуспензию

Магнитные свойства концентрированных ФС исследовались достаточно подробно [151, 245]. Эти исследования привели к предположению о наличии устойчивой структуры в ферросуспензии, подвергнутой предварительному намагничиванию и об определенной перестройке структуры при циклическом перемагничивании. Однако результаты измерений магнитных параметров можно рассматривать лишь как косвенные данные в пользу указанного предположения.

Прямым подтверждением наличия структуры могут служить результаты оптических, рентгеновских и акустических исследований. Ограничения, связанные с применением оптических и рентгеновских методов измерений для изучения ФС, обусловлены их практически полной непрозрачностью для света, и относительной крупностью диспергированных в них частиц, имеющих линейные размеры, значительно превосходящие длину волны рентгеновского излучения. Наиболее эффективными в данном случае являются акустические методы, которые не нуждаются в наличии оптической прозрачности и достаточно чувствительны к различным структурным изменениям [63].

Особенностью структур, образующихся в ФС в процессе намагничивания, является их неспособность противостоять механическому перемешиванию. На это указывает, в частности, тот факт, что в результате механического перемешивания ФС полностью утрачивается остаточная намагниченность [245]. По этой причине в работе [246] применяется методика «постоянной базы измерений», подробное описание которой дано в п. 4.3.

Блок-схема установки, предназначенной для измерения амплитуды прошедшего ультразвукового импульса в зависимости от напряженности намагничивающего поля, представлена на рисунке 4.18. Радиоимпульсы вырабатываются импульсным генератором 1 и поступают на излучающий пьезоэлемент 2. Ультразвуковые сигналы распространяются вдоль цилиндрической линии задержки из дюралюминия 3 и через исследуемую среду — ФС 4, залитую в специальную кювету. Эта кювета помещена в намагничивающий соленоид 5. Далее сигнал поступает через приемную линию задержки 6 на пьезоэлемент 7, преобразующий его в радиоимпульс. Высокочастотный радиоимпульс после усиления приемником 8 и детектирования устройством 9 поступает на вход осциллографа 10, работающего в режиме внешней синхронизации от генератора 1. Частота заполнения и частота следования радиоимпульсов составляет соответственно 2 МГц и 4 кГц.

На установке производись измерения относительного изменения амплитуды прошедшего через ФС ультразвукового сигнала в зависимости от напряженности как постоянного, так и переменного магнитного поля при постоянной толщине слоя ФС d=7мм.

ФС приготовлены путем тщательного перемешивания ферромагнитного порошка с касторовым маслом. Выбор касторового масла в качестве жидкости-носителя обусловлен тем, что оно, во-первых, является достаточно вязким, а, во-вторых, — однородным по своему химическому составу. Объемная концентрация исследованных суспензий составляет 30%. Измерения проводились при комнатной температуре Т_с=20 °С.

На рисунке 4.19 даны зависимости относительного изменения амплитуды β=А/А₀ ультразвукового импульса, прошедшего через суспензию, от напряженности постоянного однородного магнитного поля Н. В качестве реперного значения амплитуды выбирается начальное значение амплитуды сигнала (до наложения магнитного поля) А₀.

Кривая 3 представляет указанную зависимость для суспензии приготовленной с использованием ферритового порошка Ф-600 (средний размер твердой частицы составляет ~3¸5мкм). Кривая 2 относится к суспензии, приготовленной на базе ферритового порошка Ф-2000 с крупностью частиц не более 63 мкм. Обе кривые характеризуются спадом, крутизна которого убывает по мере увеличения намагничивающего поля и, начиная с Н≥16кА/м, значение β этих кривых практически остается на одном и том же уровне и составляет 0,07 и 0,19 для суспензий, приготовленных с использованием ферритового порошка соответственно Ф-600 и Ф-2000. После выключения магнитного поля амплитуда прошедшего сигнала не изменяется.

Представленная зависимость (ход кривых 2 и 3) не является неожиданной, поскольку относительное изменение амплитуды колебаний при постоянстве акустического сопротивления исследуемой среды определяется коэффициентом поглощения α, который предполагается пропорциональным сдвиговой вязкости жидкости. Известно, что сдвиговая вязкость концентрированных ФС находится в сильной зависимости от напряженности намагничивающего поля. (Строго говоря, ФС не является ньютоновской жидкостью, поэтому представление об обычной сдвиговой вязкости в этом случае можно ввести лишь в первом приближении). Кривая 1 относится к ФС, твердая компонента которой помимо порошка Ф-600 содержит немагнитный кварцевый порошок в отношении 1:1. В отличие от кривых 2 и 3 спад кривой 1 более пологий, что связано, по-видимому, с уменьшением объемной доли магнитной компоненты. Полный разворот частиц и образование структуры в данном случае достигается при меньших полях.

На рисунке 4.20 представлены зависимости β от амплитуды напряженности магнитного поля Н₀ , изменяющегося с частотой 50 Гц, для суспензий, приготовленных на основе порошка Ф‑2000 (кривая 1) и порошка Ф-600 (кривая 2). Можно отметить, что и в данном случае происходит уменьшение амплитуды сигна­ла при увеличении Н₀, причем кривые 1 и 2 на рисунке 4.20 расходятся по мере увеличения Н₀ так же как и кривые 2 и 3 на рисунке 4.19. Из сравнения зависимостей, представленных на рисунке 4.19 и рисунке 4.20, следует, во-первых, что при наложении постоянного магнитного поля амплитуда прошедшего сигнала убывает сильнее, чем при наложении переменного магнитного поля, а, во-вторых, что крутизна кривых 1 и 2 (рис. 4.20) в исследованном интервале напряженности изменяется меньше, чем у кривых 2 и 3 на рисунке 4.19. Можно предположить поэтому, что структурообразование идет быстрее при наложении статических магнитных полей, и что существует характерное время протекания этого процесса, которое в данном случае превосходит 0,02с.

На рисунке 4.21 представлено относительное изменение амплитуды β сигнала, прошедшего через ферросуспензию, полученную на основе порошка концентрата магнетита 4-ой стадии мокрой магнитной сепарации, в зависимости от напряженности постоянного магнитного поля. Измерения выполнялись при циклическом перемагничивании образца в квазистатическом режиме.

При первоначальном намагничивании (участок кривой АВ) происходит монотонное убывание амплитуды импульса. Уменьшение напряженности магнитного поля первоначального направления приводит к небольшому возрастанию амплитуды сигнала в малых полях (участок ВС). С изменением направления магнитного поля на противоположное обнаруживается экстремальное поведение кривой (участок ДЕ).

Таким образом, кривая зависимости β(Н) для железорудной суспензии при циклическом перемагничивании ее свидетельствует о структурообразовании на этапе первоначального намагничива­ния и перестройке структуры при изменении направления поля.