Устройство и способ определения устойчивости и структурной стабильности магнитных жидкостей Российский патент 2021 года по МПК G01R33/12 G01N27/72 

Изобретение относится к определению устойчивости характеристик магнитных жидкостей и может быть использовано для определения устойчивости и структурной стабильности магнитных жидкостей.

Известен способ определения диаметра ферромагнитных частиц и объемной доли твердой фазы магнитной жидкости (RU 2611694, G01N 15/02, 28.02.2017). Однако, этот способ не дает возможности определить состав и структуру магнитной жидкости, которые имеет большое значение для ее практического применения.

Наиболее близким к предложенному, является способ определения устойчивости магнитной жидкости, включающий воздействие на нее неоднородным магнитным полем, оценку устойчивости магнитной жидкости, в котором перед и после воздействия на магнитную жидкость неоднородным магнитным полем определяют плотность образца магнитной жидкости, при этом для определения плотности магнитной жидкости после воздействия на нее неоднородным магнитным полем используют часть образца магнитной жидкости, расположенную в зоне с экстремальным значением магнитной силы, а оценку устойчивости магнитной жидкости производят по степени изменения плотности магнитной жидкости (RU 20793775, В03С 1/32, 20.05.1997).

Однако, при его использовании не возможно определить, как меняется и устойчива ли структура магнитной жидкости во времени. Не предложен критерий для оценки ее устойчивости.

Технической проблемой изобретения является разработка устройства и способа определения устойчивости и структурной стабильности магнитных жидкостей во времени, критерия для ее оценки.

Технический результат заключается в определении устойчивости и структурной стабильность магнитных жидкостей посредством оценки критериальной величины в условиях воздействия градиентных магнитных полей.

Поставленная проблема и указанный технический результата достигаются тем, что устройство для определения устойчивости магнитной жидкости состоит из двух постоянных магнитов в виде параллелепипеда, прикрепленной к ним снизу пластины из магнитомягкого материала для замыкания магнитного поля, сверху прикрепленных к ним двух магнитопроводов из магнитомягкого материала, создающих неоднородное магнитное поле градиентом ∇H=4⋅10⁷ - 4⋅10⁸ А/м², с закрепленными датчиками Холла для измерения индукции магнитного поля, образующих зазор в виде клина с углом 90°-150°, в который помещается емкость с исследуемой магнитной жидкостью.

Способ определения устойчивости магнитной жидкости, включающий воздействие на нее неоднородным магнитным полем, оценку устойчивости магнитной жидкости, заключается в том, что в устройство в зазор в виде клина с углом 90°-150° помещается емкость с исследуемой магнитной жидкостью, с формой идентичной зазору, и выдерживается в нем в течение 50-200 часов, при этом для оценки коллоидной устойчивости и структурной стабильности магнитной жидкости используется критериальная величина ω, равная отношению исходной намагниченности магнитной жидкости J_Os к равновесной намагниченности J_hs в магнитном поле: ω=J_os/J_hs.

Выбор величины градиента магнитного поля обусловлен следующим: при величине его менее 1⋅10⁷ А/м² магнитная жидкость плохо удерживается на рабочих поверхностях, например, в узлах трения, что резко снижает область их практического применения. Поэтому, исследование структурной стабильности магнитной жидкости в слабых магнитных полях не имеет практического смысла.

Магнитная жидкость в полях с величиной градиента больше 4⋅10⁸ А/м² теряет седиментационную устойчивость, расстояние между магнитными частицами значительно уменьшается, происходит их необратимая агломерация и соответственно потеря работоспособности.

Выбор времени выдержки исследуемой жидкости в приборе обусловлен следующим: при выдержке ее менее 50 часов происходит достаточно быстрое перераспределение в магнитном поле крупных агломератов из ферро-частиц, которые всегда имеются в жидкости после ее изготовления. Магнитная сила, действующая на них в неоднородном магнитном поле, превышает силы внутреннего трения, замедляющую их движение, поэтому намагниченность растет с относительно высокой скоростью. Поэтому, объективно оценить устойчивость структуры магнитной жидкости в течение времени выдержки менее 50 часов нельзя.

В то же время при выдержке жидкости более 200 часов рост намагниченности происходит только из-за броуновского перераспределения отдельных наночастиц и сам по себе незначителен. Поэтому выдержка жидкости более 200 часов не имеет практического смыла для оценки устойчивости.

Выбор угла в зазоре клиновидной формы обусловлен требуемым для измерения необходимым градиентом магнитного поля и объемом исследуемой магнитной жидкости. Если угол меньше 90°, то градиент магнитного поля в зазоре мал, что не отражает реальную работу магнитной жидкости на рабочих поверхностях.

Если угол больше 150°, то фактический объем исследуемого материала мал, при этом градиент магнитного поля очень высок, происходит необратимая агломерация магнитных частиц и невозможно объективно оценить структурную устойчивость магнитной жидкости.

Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами. На фиг.1 (вид в разрезе) и фиг.2 (вид сверху) представлено устройство для исследования устойчивости магнитной жидкости.

Устройство состоит из двух постоянных магнитов в виде параллелепипеда 1, прикрепленной к ним снизу пластины 2 из магнитомягкого материала для замыкания магнитного поля, сверху прикрепленных к ним двух магнитопроводов 3 из магнитомягкого материала, создающих неоднородное магнитное поле градиентом ∇H=4⋅10⁷ - 4⋅10⁸ А/м², с закрепленными датчиками Холла 5, 6 для измерения индукции магнитного поля, образующих зазор в виде клина с углом 90°-150°, в который помещают емкость 4 с исследуемой магнитной жидкостью. Емкость 4 с исследуемой магнитной жидкостью, с формой идентичной зазору, выдерживают в устройстве в течение 50-200 часов.

Индукцию магнитного поля в магнитной среде в процессе исследования измеряют с помощью датчиков Холла 5 и 6. Их разность сигналов пропорциональна величине намагниченности магнитной жидкости. Коэффициент пропорциональности устанавливается тарированием датчиков в фиксированном поле. После помещения емкости 4 с магнитной жидкостью в устройство, измеряют начальную намагниченность. Под воздействием неоднородного магнитного поля происходит перераспределение дисперсных частиц в магнитной жидкости. С течением времени их наибольшая концентрация возникает в нижней части кюветы. Соответственно, там же наблюдают максимальную неоднородность магнитного поля и его значение. Измеряя намагниченность в этой точке с течением времени, можно проследить динамику перераспределения феррочастиц. Скорость нарастания намагниченности при этом характеризует степень седиментационной устойчивости магнитной жидкости, а, следовательно, можно прогнозировать ее структурную стабильность.

Для оценки коллоидной устойчивости и структурной стабильности магнитной жидкости предлагается использовать критериальную величину ω, равную отношению исходной намагниченности магнитной жидкости J_os к равновесной намагниченности J_Hs в магнитном поле: ω=J_os/J_hs.

Очевидно, что чем меньше разница между намагниченностями, тем меньше изменение структуры коллоида, выше устойчивость магнитной жидкости (Берковский Б.М., Медведев В.Ф., Краков М.С. Магнитные жидкости: монография. Москва: Издательство: Издательство Химия, 1989. 240 с.). Следовательно идеальное значение критериальной величины ω должно стремиться к единице.

Изобретение описывается следующими примерами использования.

Пример 1.

Для исследования устойчивости были выбраны магнитные жидкости на основе: 1 - тетрадекана; 2 - турбинного масла; 3 - ПЭС-В-2; 4 - ПЭС-5; 5 - ПОМ; 6 - ДБС; 7 - ДОС-1; 8 - ДОС-2. Градиент напряженности магнитного поля (∇H=4⋅10⁷ А/м²). Выдержка магнитной жидкости в приборе - 50 часов.

Структурную устойчивость магнитной жидкости определяли следующим образом. Кювету заполняли магнитной жидкостью таким образом, чтобы ее внешняя граница находилась за пределами поля. При этом замеряли начальную намагниченность. Под воздействием неоднородного магнитного поля происходит перераспределение дисперсных частиц в магнитной жидкости. С течением времени их наибольшая концентрация возникает в нижней части кюветы. Соответственно, там же наблюдали максимальную неоднородность поля и его значение. Измеряли намагниченность в этой точке с течением времени и проследили динамику перераспределения феррочастиц.

Критерий ω, равный отношению намагниченности однородной исходной магнитной жидкости J_Os к равновесной намагниченности J_hs в магнитном поле, рассчитали по формуле ω=J_os/J_hs. Результаты приведены в таблице 1.

Пример 2.

Условия те же. Градиент напряженности магнитного поля (∇H=2⋅10⁸ А/м²). Выдержка магнитной жидкости в приборе - 125 часов.

Результаты приведены в таблице 2.

Пример 3.

Условия те же. Градиент напряженности магнитного поля (∇H=3,7⋅10⁸ А/м²). Выдержка магнитной жидкости в приборе - 200 часов. Результаты приведены в таблице 3.

Таким образом, предложенные устройство и способ позволяют определить устойчивость и структурную стабильность магнитных жидкостей посредством оценки критериальной величины ω. Чем ближе она к единице у различных исследуемых жидкостей, тем меньше изменение структуры коллоида, выше устойчивость магнитной жидкости.

Использование: для определения устойчивости и структурной стабильности магнитных жидкостей. Сущность изобретения заключается в том, что в зазор в виде клина с углом 90-150° помещается емкость с исследуемой магнитной жидкостью с формой, идентичной зазору, и выдерживается в нем в течение 50-200 часов, при этом для оценки коллоидной устойчивости и структурной стабильности магнитной жидкости используется критериальная величина ω, равная отношению исходной намагниченности магнитной жидкости J_os к равновесной намагниченности J_Hs в магнитном поле: ω=J_os/J_hs. Технический результат: обеспечение возможности определения устойчивости и структурной стабильности магнитных жидкостей во времени, а также обеспечение возможности определения критерия для ее оценки. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для определения устойчивости магнитной жидкости, состоящее из двух постоянных магнитов в виде параллелепипеда, прикрепленной к ним снизу пластины из магнитомягкого материала для замыкания магнитного поля, сверху прикрепленных к ним двух магнитопроводов из магнитомягкого материала, создающих неоднородное магнитное поле градиентом ∇H = 4⋅10⁷-4⋅10⁸ А/м², с закрепленными датчиками Холла для измерения индукции магнитного поля, образующих зазор в виде клина с углом 90-150°, в который помещается емкость с исследуемой магнитной жидкостью.

2. Способ определения устойчивости магнитной жидкости, включающий воздействие на нее неоднородным магнитным полем, оценку устойчивости магнитной жидкости, отличающийся тем, что в устройство по п. 1 в зазор в виде клина с углом 90-150° помещается емкость с исследуемой магнитной жидкостью с формой, идентичной зазору, и выдерживается в нем в течение 50-200 часов, при этом для оценки коллоидной устойчивости и структурной стабильности магнитной жидкости используется критериальная величина ω, равная отношению исходной намагниченности магнитной жидкости J_os к равновесной намагниченности J_hs в магнитном поле: ω=J_qs/J_hs.