14.2 Применение нанодисперсных магнитных жидкостей в науке и технике

Перечислим основные, ставшие традиционными, применения магнитных жидкостей.

Магнитожидкостные герметизаторы (МЖГ) и уплотнения (МЖУ)

Принцип действия МЖУ и МЖГ состоит в том, что в зазоре между корпусом и вращающимся или совершающем возвратно- поступательные движения валом создается неоднородное магнитное поле, которое удерживает в зазоре МЖ. То есть МЖ перекрывает зазор, обеспечивая требуемую герметичность при практически свободном движении вала.

Очистка водных поверхностей от нефтепродуктов при аварийных разливах и катастрофах

Магнитные жидкости на керосине растворяются в нефтепродуктах, превращая их в малоконцентрированную МЖ. Получаемые растворы собираются магнитной «ловушкой», после чего при помощи сильно неоднородного магнитного поля осуществляется отделение нефтепродуктов от МЖ.

Охлаждающие жидкости при механической обработке металлов и охлаждении трансформаторов

Термомагнитная конвекция может значительно превышать естественную, поэтому применение МЖ в качестве теплоносителя эффективно в устройствах, технологически наделенных сильным магнитным полем. В частности, замена в мощных трансформаторах обычного трансформаторного масла на МЖ, приготовленную на основе того же масла, существенно увеличивает допустимую мощность.

Тонкое разделение и сепарация немагнитных материалов с различной плотностью

На основе эффекта управляемой магнитной левитации на магнитной жидкости осуществляется процесс выделения нужной фракции из многокомпонентной дисперсной системы. Наиболее экономически предпочтителен данный метод при сепарации немагнитных частиц цветных (дорогостоящих) металлов и минералов.

Датчики уровня и угла наклона

МЖ характеризуется двумя «взаимоисклоючающими» свойствами – текучестью и относительно большой магнитной восприимчивостью. Поэтому применение МЖ в качестве активных элементов в датчиках уровня и угла наклона позволяет, во-первых, использовать простой и надежный способ электромагнитной индикации, а во-вторых, существенно повысить точность измерений.

Акустические широкополосные динамики повышенной мощности

Межполюсной зазор акустического динамика с сильным неоднородным магнитным полем заполняется МЖ, в результате чего основной функциональный элемент динамика - катушка индуктивности, фактически «плавает» в жидкости. В данном случае МЖ выполняет роль теплоотводящего элемента и акустической контактной смазки, что позволяет значительно расширить динамический диапазон устройства и его амплитудно-частотную характеристику.

Магнитоуправляемая транспортировка лекарств

При помощи МЖ, управляемой магнитным полем, можно доставлять в нужное место организма, например, к месту расположения злокачественной опухоли, диспергированные в ней лекарственные препараты. Можно локализовать действие лекарства и длительное время удерживать его в данном месте. Однако, до настоящего времени существует проблема получения оптимального, с точки зрения побочных действий, состава МЖ и полного вывода магнитных наночастиц из организма человека по окончании лечебного процесса.

Магнитная дефектоскопия и визуализации видеосигналограмм

Нанося на намагниченную поверхность тонкий слой магнитной суспензии или коллоида с микрокаплями, можно увидеть с помощью оптического микроскопа картины, которые получаются в результате концентрации микрочастиц (микрокапель) на тех участках образца, где намагниченность меняет свой знак. На этом явлении основана магнитная дефектоскопия, которая позволяет выявить такие дефекты как неметаллические и шлаковые включения, пустоты в изделии, расслоения, дефекты сварки, трещины, а также дефекты магнитной записи. В отличие от сухих порошков ферромагнетика микрокапли быстро перемещаются к участкам с дефектами, поскольку, находясь во взвешенном состоянии, почти не испытывают трения.

Магнитная жидкость – смазка

При помощи магнитного поля можно удерживать МЖ, выполняющую роль смазки, в зоне контакта трущихся поверхностей. В этом случае резко сокращается расход смазки и число остановок механизма. Причем магнитные смазки на основе кремнийорганических жидкостей и минеральных масел обладают высокими противозадирными свойствами, применимы при температурах до 300 ^оС.

В последние десятилетия магнитные жидкости нашли применение в научных исследованиях.

Акустомагнитная идентификация звуковой волны

В работе В.М. Полунина и И.Е. Дмитриева 1997 г. [51] исследована дисперсия скорости звука в системе жидкость – цилиндрическая оболочка методом, основанном на использовании акустомагнитного эффекта в магнитной жидкости. Акустомагнитный эффект состоит в том, что при распространении звуковой волны в намагниченной МЖ наблюдается возмущение намагниченности, что приводит к возникновению переменной ЭДС в катушке индуктивности, прилегающей к границе звукового пучка.

Вместо «обычной» жидкости оболочка заполняется магнитной жидкостью, а в роли приемника звуковых колебаний служит магнитная головка, размещенная за пределами оболочки. Благодаря этому становится возможным перемещать приемник вдоль трубы с жидкостью на большие расстояния, не возмущая при этом акустическое поле в жидкости. Отпадает необходимость учета дифракционного возмущения, вносимого гидрофоном.

М агнитная головка состоит из катушки индуктивности и источника постоянного магнитного поля.

На рис. 14.1 показана блок-схема экспериментальной установки. Источником упругих колебаний является излучатель 3, содержащий пьезопластинку с резонансной частотой 1 МГц. Измерения проводятся на частотах не выше 200 кГц, то есть вдали от резонансной частоты, поэтому можно считать ее частотную характеристику линейной (имеющей форму плато). Источником переменной ЭДС служит генератор 1. Упругие волны через волновод 4 вводятся в МЖ 5, заполняющую трубу. Магнитная головка включает постоянный кольцевой магнит 6, намагниченный вдоль оси, и катушку индуктивности 7, размещенную внутри и жестко связанную с ним. Между катушкой и трубкой имеется воздушный зазор. Кольцевой магнит в месте расположения катушки индуктивности намагничивает жидкость преимущественно вдоль оси трубы. Переменная ЭДС, индуцируемая в катушке при распространении в жидкости звуковой волны, поступает на вход осциллографа 9. Магнитная головка размещена на кинематическом узле катетометра 8 и свободно перемещается вдоль трубки.

Как и в обычном ультразвуковом интерферометре, измерение скорости звука в жидкости сводится к нахождению числа стоячих волн N_s, укладывающихся на длине ΔL. Расчет выполняется по формуле:

c=2ΔL/N_s.

Полученные экспериментальные данные по дисперсии скорости звука в системе жидкость – оболочка с использованием оболочек с широким спектром геометрических и упругостных параметров показывают эффективность применения акустомагнитного метода для исследования систем такого рода. Разработанная экспериментальная методика может быть применена для проведения измерений в различного рода системах, в том числе в таких, в которых получение теоретических результатов представляется затруднительным.

Магнитожидкостная мембрана – модель МЖУ

В настоящее время основное применение МЖ находят в магнитожидкостных уплотнителях (МЖУ). Большое значение имеют прочностные и кинетические свойства этих устройств, исследование которых, однако, представляет сложнейшую экспериментальную задачу. В связи с этим возникает интерес к исследованию магнитожидкостной мембраны (МЖМ) [3], которая может выступать как модель МЖУ. Основным элементом МЖМ является магнитожидкостная перемычка, подробное описание которой приведено в п. 11. В МЖМ магнитожидкостная перемычка перекрывает сечение трубки с присоединенным к ней резервуаром, который служит моделью объекта герметизации.

Перечислим некоторые перспективные применения нанодисперсных магнитных жидкостей:

1. Свойства МЖ хорошо управляются внешним магнитным полем, что дает широкие возможности для технических и биомедицинских применений. Исследуются возможности применения магнитных жидкостей для получения композиционных систем с магнитной жидкостью, предназначенной для направленной доставки лекарственного препарата.

2. Тестируется возможность использования магнитной наножидкости в качестве активного носителя соединения антибактериального воздействия на золотистого стафилококка и кишечную палочку.

3. Легко осуществимые в магнитной жидкости эффекты левитации нашли применение при конструировании сепараторов и плотномеров немагнитных материалов, чувствительных трехосных акселерометров, ряда других прогрессивных устройств. Исследуется влияние процессов магнитофореза и броуновской диффузии на левитацию тел в МЖ [53] .

4. Публикуются работы, описывающие новые устройства, принцип действия которых основан на магнитной левитации в МЖ. Так, в одной из последних работ предлагается магнитожидкостный привод, принцип действия которого основан на явлении левитации немагнитного тела, погруженного в МЖ в магнитном поле.

5. Военно-воздушные силы США внедрили радиопоглощающее покрытие на основе ферромагнитной жидкости. Снижая отражение электромагнитных волн, оно помогает уменьшить эффективную площадь рассеяния самолета.

6. Магнитные жидкости имеют множество применений в оптике благодаря их преломляющим свойствам. Среди этих применений измерение удельной вязкости жидкости, помещенной между поляризатором и анализатором, освещаемой гелий-неоновым лазером.

7. Благодаря наличию в МЖ ПАВ и многочисленных частиц, несущих на себе электрические заряды, они являются эффективной пенообразующей добавкой. Добавка МЖ на основе керосина или воды в топливо двигателей внутреннего сгорания в соотношении по объему 1:350 на четверть уменьшает содержание окислов азота в выхлопных газах, увеличивает эффективность сгорания топлива.

8. Если воздействовать магнитным полем на МЖ с разной восприимчивостью (например, из-за температурного градиента) возникает неоднородная магнитная объемная сила, что приводит к форме теплопередачи, называемой термомагнитная конвекция. Такая форма теплопередачи может использоваться там, где невозможно применить обычную конвекцию, например, в микроустройствах или в условиях пониженной гравитации.

9. Эффект магнито-зависимости прозрачности жидкости можно использовать для глубокой низкочастотной модуляции света. На этом принципе могут действовать динамо-магнитооптические датчики скорости сдвиговой деформации. Датчики другого типа реагируют на величину, а не на скорость деформации. Чувствительность динамо-магнитооптических датчиков достаточна для создания микрофонов и сенсорных датчиков типа дисплеев карманных компьютеров с сенсорным вводом команд и данных.

10. Нагревая МЖ выше точки Кюри Т_C, можно существенно уменьшить её магнитную восприимчивость, что лежит в основе явления термомагнитной конвекции. Слои МЖ с Т<Т_C обладают большей магнитной восприимчивостью и втягиваются в области с большей напряжённостью магнитного поля, вытесняя слои с Т>Т_C. При этом термомагнитная конвекция по интенсивности может во много раз превосходить гравитационную конвекцию.

11. В последнее время появились сообщения, что замена сферических наночастиц в «обычной» МЖ на магнитные нанотрубки приведет к более сильной зависимости вязкости от магнитного поля, что расширяет возможности технологической эксплуатации магнитовязкого эффекта [54].

12. Изучен процесс захвата, герметизации и дробления газовой полости магнитной жидкостью, управляемой магнитным полем. Полученные результаты будут полезны при разработке устройств для взятия проб газа, их хранения и последующего анализа, счетчиков и дозаторов газа, используемых в химико-технологическом производстве, фармацевтике [55, 56].

Для высококачественного мониторинга процесса дозированной подачи малых порций газа представляют интерес результаты экспериментального исследования явления отрыва воздушного пузырька от полости в магнитной жидкости, сдавленной пондеромоторными силами магнитного поля [58]. Оторвавшиеся от полости воздушные пузырьки пульсируют в намагниченной магнитной жидкости и генерируют переменное магнитное. поле.