Жидкие намагничивающиеся среды

ВВЕДЕНИЕ

             Жидкие намагничивающиеся среды – ультрадисперсные коллоиды ферро- и ферримагнетиков, синтезированные в середине 60-х годов и получившие название “магнитные жидкости” до настоящего времени остаются объектом, привлекающим широкий интерес исследователей явлений, связанных с взаимодействием электромагнитного поля со средой. Это объясняется как возможностью применения магнитных жидкостей в машиностроении, приборостроении и медицине, так и возникновением целого ряда фундаментальных проблем физического, физико-химического и гидродинамического характера.

            Первоначально, при рассмотрении свойств магнитных жидкостей использовалось представление сплошной среды, позволяющее рассматривать магнитный коллоид как систему невзаимодействующих дипольных частиц. Однако впоследствии было установлено, что наблюдающиеся в магнитных жидкостях магнитомеханические, термомагнитные, магнито- и эектрооптические эффекты во многом определяются гранулометрическим составом однодоменных магнитных частиц, их взаимодействием и связанной с ним и воздействием внешних полей структурной организацией системы.          

            Структурное состояние магнитных жидкостей может существенно зависеть от сдвиговых напряжений, изменения температуры и электрогидродинамических течений. С определенным типом структуры, возникающей в магнитных жидкостях, связан ряд приложений таких сред в технике и медицине.

 

 

 

 

1. МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ

           Магнитные жидкости (МЖ) – это уникальный технологический искусственно синтезированный материал, обладающий жидкотекучими и магнитоуправляемыми свойствами с широкими перспективами применения в технике, медицине, биологии, экологии.

           Встречающиеся в природе жидкости с магнитным полем взаимодействуют слабо. Тем не менее, возможность управления жидкостью при помощи магнитного поля привлекательна для решения различных технических задач. Для этого были созданы искусственные сильномагнитные жидкие среды – магнитные жидкости, представляющие собой коллоидные растворы высокодисперсных ферромагнетиков в жидкостях-носителях, таких как вода, жидкие углеводороды, кремний и фторорганические жидкости. Это удивительные жидкости, поверхность которых зависит от геометрии магнитного поля и образует в нем что-то вроде ежа (рис. 1). В середине 60-х годов они были практически одновременно синтезированы в США и России.      

           В настоящее время магнитные жидкости активно изучают также и в большинстве развитых стран: Японии, Франции, Германии, Великобритании, Нидерландах, Израиле.

           Магнитные жидкости уникальны тем, что высокая текучесть в них сочетается с высокой намагниченностью. Секрет такой высокой намагниченности заключается в том, что в обычную жидкость, например в керосин (жидкий углеводород), внедряется огромное количество мелких частиц (размер около 10-9 м), которые представляют собой миниатюрные постоянные магниты. Каждая такая частица покрыта тонким слоем защитной оболочки, что предотвращает слипание частиц, а тепловое движение разбрасывает их по всему объему жидкости. Поэтому в отличие от обычных суспензий частицы в магнитных жидкостях не оседают на дно, и последние могут сохранять свои рабочие характеристики в течение многих лет.

           Каждый микроскопический постоянный магнитик хаотически вращается и перемещается в жидкой среде под действием теплового движения. Внешнее магнитное поле ориентирует магнитные моменты частиц, что приводит к изменению магнитных, реологических и оптических свойств раствора (рис. 2). Высокая чувствительность свойств раствора к внешнему полю позволяет управлять поведением магнитных жидкостей и использовать их в прикладных задачах. Сочетание свойств МЖ позволяет использовать все преимущества жидкого материала (малый коэффициент трения в контакте с твердым телом, возможность проникать в микрообъемы, смачивание практически любых поверхностей и др.), в то же время, удерживая МЖ в нужном месте устройства под действием магнитного поля. Таким образом, магнитоуправляемость МЖ является ключевым свойством, обусловливающим эксплуатационные характеристики жидкостей в различных условиях применения.

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ПРОИЗВОДСТВО И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

            Магнитные жидкости, как правило, производят небольшими партиями и используют в высокотехнологичных устройствах и приборах: системах герметизации ввода вращающихся валов, антифрикционных узлах и демпферах, в ультразвуковой дефектоскопии и высококачественных громкоговорителях, магнитных сепараторах редких элементов, датчика наклона и высокочувствительных измерителях ускорений, микроманометрах и исполнительных механизмах роботов. Изобретение магнитных жидкостей и магнитожидкостных герметизаторов (принципиальная схема приведена на рис. 3) в начале 60-х годов прошлого века было связано с выполнением космических программ NASA (в частности, для контроля за движением топлива в ракетном двигателе в условиях невесомости), поэтому магнитные жидкости и магнитожидкостные герметизаторы сразу же нашли применение в космической и вакуумной технике. Пионером и мировым лидером в области технического и коммерческого использования магнитожидкостных технологий, в том числе и вакуумных, является основанная в 1968 г. американская корпорация «Ferrofluidics Corporation». Изделия этой фирмы широко используются для герметизации вводов вращательного и более сложных видов движения в технологических процессах, где требуется поддержание глубокого вакуума – в производстве полупроводников, при напылении, металлизации, вакуумной сушке, в рентген-аппаратах, электронных микроскопах, вакуумных печах, маховичных двигателях, масс-спектрометрах и т.п. В США существует постоянный и устойчивый промышленный спрос на магнитные жидкости и магнитожидкостные устройства.

           В странах СНГ исследования и разработки магнитожидкостных герметизаторов начались в конце 60-х – начале 70-х годов. Магнитожидкостные герметизаторы достаточно широко применяются в космической технике, однако вплоть до настоящего времени их промышленное использование весьма ограничено, несмотря на явные технические преимущества по сравнению с традиционными уплотнениями (рис. 4).

К таким преимуществам относятся:

- практически нулевые  утечки герметизируемой среды  при заданных условиях работы;

- отсутствие износа вала  и низкие потери мощности двигателя  вследствие чисто жидкостного  трения в зазоре между подвижными  и неподвижными элементами;

- отсутствие необходимости  в смазке;

- простота технического  обслуживания;

- незначительные эксплуатационные  расходы.

           Магнитожидкостные герметизаторы сохраняют работоспособность в любом пространственном положении, в стояночном и динамическом режимах, в условиях переменных и знакопеременных давлений и вибрационных воздействий. К достоинствам можно отнести также такие уникальные свойства, как способность магнитной жидкости выталкивать наружу попадающие в рабочий зазор герметизатора немагнитные частицы пыли или влаги (магнитолевитационный эффект) и способность к самовосстановлению.

            Конфигурация МЖ определяет рабочие свойства магнитожидкостных устройств. С изменением режима работы устройства изменяются положение и форма МЖ.

           В других сферах магнитная жидкость, разработанная учеными из ИГЭУ, применяется давно. Речь идет прежде всего о космосе, где она используется в различных установках в качестве своеобразной смазки для движущихся частей и механизмов. Материал, созданный в Иваново, применялся в таких проектах, как «Марс», «Фобос», на орбитальной станции «Мир». На нынешней международной космической станции тоже не обошлось без него. Взять, например, космические антенны. Они выносятся наружу, поэтому должны быть абсолютно герметичными. Самую же высокую степень их герметичности может обеспечить только магнитная жидкость, причем российского производства. Во многом благодаря ей увеличивается и срок эксплуатации оборудования. Так, магнитожидкостные уплотнения на орбитальной станции «Мир» проработали без дозаправки 15 лет.

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. РАЗВИТИЕ МАГНИТОЖИДКОСТЕЙ ПО ПОКАЛЕНИЯМ.
1. Магнитожидкостные герметизаторы в своем развитии прошли

уже несколько поколений. Принципиальная схема герметизатора 1-го поколения приведена на рис.5. Обычное магнитожидкостное уплотнение 1-го поколения состоит из кольцевого аксиально намагниченного постоянного магнита 1, охватывающего вал 2, к торцам которого примыкают полюсные приставки 3. Обращенные друг к другу поверхности полюсных приставок и вала образуют зазор 4, в который вводится магнитная жидкость. На образующих зазор поверхностях полюсных приставок или вала располагаются кольцевые концентраторы 5, преобразующие магнитное поле в зазоре в резко неоднородное. МЖ втягивается в области с максимальной напряженностью магнитного поля, образуя магнитожидкостные жгуты 6 вокруг вала, герметично перекрывающие зазор. Каждый жгут или магнитожидкостная пробка имеет повышенное внутренне давление, зависящее от магнитных свойств жидкости и характера распределения напряженности магнитного поля в зазоре. Величина удерживаемого перепада давлений магнитожидкостной пробки определяется по формуле:

 

 где μ0 – магнитная  постоянная,

 М – намагниченность  магнитной жидкости,

 Н – напряженность  магнитного поля в зазоре,

 Нmax и Нmin – максимальная и минимальная напряженности магнитного поля на границах магнитожидкостной пробки в момент удержания ею максимального перепада давлений.

         3.2.В системах второго поколения изменение напряженности магнитного поля вдоль зазора достигается не изменением величины зазора, а изменением потенциала на поверхности полюсной приставки или вала. Уплотнение второго поколения состоит из ряда последовательно установленных кольцевых магнитов с аксиальной намагниченностью, которые разделены полюсными приставками, выполненными в виде тонких магнитопроводящих дисков (рис. 6). Рядом расположенные магниты имеют встречную намагниченность. Их суммарный магнитный поток выдавливает в рабочий зазор через ограниченную поверхность магнитопроводящего диска, проходит через вал, еще раз пронизывает рабочий зазор и замыкается на соседний магнитопроводящий диск противоположной полярности. В рабочем зазоре создается магнитное поле с напряженностью чередующейся полярности. Это значит, что напряженность магнитного поля в зазоре обязана проходить через нулевое значение.

          Преимуществом уплотнения данного типа является существенное снижение радиальных размеров. Высота магнитов соизмерима с высотой зубцов уплотнение первого типа. Исключаются громоздкие полюсные приставки. Аксиальные размеры снижаются, но не столь значительно. Расчеты показывают, что если использовать редкоземельные магнитотвердые материалы КС37, то шаг межполюсного давления, то есть аксиальная длина участка работы магнитожидкостной пробки составляет (10÷30)δ. Это примерно в два раза меньше по сравнению с уплотнением первого типа.

         3.3.Уплотнение третьего типа устроено следующим образом. К торцевым поверхностям кольцевого магнита 1 (рис. 7) примыкают полюсные приставки 2. На поверхностях полюсных приставок, обращенных к валу 3, выполнены кольцевые пазы 4. На валу 3 герметично установлены немагнитные диски 5, заходящие в пазы полюсных приставок с зазором. В зазор между полюсной приставкой и валом помещена магнитная жидкость, которая разбивается на отдельные магнитожидкостные пробки 6. В данном уплотнении предлагается отказаться от канавки и ее роли – снижения напряженности поля вдоль рабочего зазора. Вместо этого на ровной поверхности полюсной приставки выполняется узкий кольцевой паз. Его роль заключается не в изменении напряженности магнитного поля в зазоре, а в создании полого пространства в теле полюсной приставки, окруженного с трех сторон средой с высокой магнитной проницаемостью. Такая конструкция обеспечивает, при отсутствии насыщения стали полюсных приставок, нулевую напряженность магнитного поля в глубине паза. Диски, закрепленные на валу, смещают вторую свободную поверхность магнитожидкостной пробки в паз, где поле равно нулю. Магнитожидкостная пробка в такой системе удерживает максимально возможный перепад давлений. С точки зрения формирования поля в рабочем зазоре, чем уже паз, тем эффективнее работает магнитная система.

         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. МАГНИТОЖИДКОСТНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ ИХ ПРИМЕНЕНИЕ.

        Достигаемый технический результат заключается в повышении удерживающей способности магнитожидкостного уплотнения, в снижении габаритов уплотнения.

          В свое время создавались винчестеры с абсолютной герметизацией для отечественных компьютеров, которые выпускались десятками тысяч вплоть до 1992-1993 года, когда рухнула отечественная электронная промышленность и от перспективной программы пришлось отказаться. Для текстильной промышленности были разработаны подшипники с уплотнением, в качестве которого использовалась магнитная жидкость. Срок их использования без дозаправки увеличился в шесть раз. Еще в шестидесятые годы прошлого века наши ученые предлагали применить магнитную жидкость для создания аппарата искусственного сердца, но эта идея тогда не получила развитие, т.к. еще не были решены другие вопросы, связанные с данной темой.

           В целом основное применение магнитожидкостных уплотнений (МЖУ), разработанных российскими учеными, можно показать в следующем перечне:

1. Космическая техника. Разработаны МЖУ для валов. Такие уплотнения обладают практически полной герметичностью, малыми собственными потерями на трение, что особенно важно в условиях ограниченного энергоснабжения автономных космических аппаратов. Уплотнения прошли весь комплекс наземных испытаний и хорошо зарекомендовали себя в натурных условиях эксплуатации на протяжении более 20 лет.