221

ИЗСЛЕдВАНЕ НА НАНО-ФЕРОФЛуИдНИ МАТЕРИАЛИ

Валентин Матеев1), Анелия Терзова1), Илиана Маринова1)1) ТУ-София, София, бул. „Кл. Охридски” 8

email: vmateev@tu-sofia.bg, aterzova@tu-sofia.bg, iliana@tu-sofia.bg

Резюме: В тази статия са приложени три метода за определяне на магнитните характеристики на нано-ферофлуидни материали. Първият метод се основава на изменението на индуктивността на намотка, когато в нея е поставена изследваната проба с ферофлуид. Вторият метод се основава на измерването на електромагнитната сила, действаща на проба, поставена в магнитно поле. Третият метод се основава на балистичния метод за изследване на феромагнитни материали. Изследвани са различни нано-ферофлуидни материали. Определени са динамичният и кинематичният вискозитет на изследваните материали. Получени са резултати за магнитните характеристики и вискозитета на изследваните ферофлуидни материали.

Ключови думи: - нано-ферофлуидни материали, магнитни характеристики, магнитна проницаемост

1. ВъведениеСъвременното развитие на нанотехнологиите

и новите материали доведоха до широкото приложение на нано-ферофлуидните материали, например в различни видове електромагнитни и микроелектромеханични системи, преобразу- ватели и сензори [1, 2], технологии за уплътнение при малки хидравлични и пневматични уст- ройства [3], в медицината [4] и др.. Прецизното определяне на свойствата и характеристиките на феромагнитните материали е от голямо значение, както при проектирането на електромагнитни устройства и системи, така и за редица индуст- риални приложения.

Ферофлуидът представлява колоидна стабил- на суспензия от феритни наночастици в разтвор и повърхностно активни вещества. Ферофлуидът се характеризира с много ниска относителна проницаемост, с пренебрежими хистерезисни свойства, лесно и бързо насищане при относител- но малки стойности на външни магнитни полета, силното влияние върху характеристиките на различни случайни фактори при измерването им, нелинейни свойства при стойности на магнитната индукция, близки до индукцията на насищане и др. [5]. Тези особености на ферофлуидните материали правят трудно приложими методите за определяне на магнитните характеристики на конвенционалните феромагнитни материали.

Нарастващият интерес към ферофлуидните материали и широкото им приложение изисква разработването на методи за определянето на маг- нитните и магнито-флуидни им характеристики с висока точност. В [6-10] са предложени различни методи за измерване и са изследвани различни

ферофлуидни материали.В тази статия са приложени и изследвани три

метода за определяне на магнитните характе- ристики на нано-ферофлуидни материали - Метод с индуктивност на намотка, Метод с електромагнитната сила и Индукционен метод. Използвани са методи и техники за определяне на магнитната проницаемост на твърди ферофмагнтни материали, които са адаптирани за ферофлуиди. Възможностите на използваните методи са анализирани. Изследвани са различни нано-ферофлуидни материали. Определени са и динамичният и кинематичният вискозитет на изследваните нано-ферофлуидни материали.

2. Нано-ферофлуидни материали Ферофлуидът е колоидна стабилна суспензия,

която се състои най-често от наночастици, като - Co, FePt, Gd2O3, γ – Fe2O3, Fe3O4, в разтвор и повърхностно активни вещества. Размерът на наночастиците е от 1 nm до 30 nm и определя свойствата на ферофлуида.

Магнитната проницаемост е физична величи- на, описваща магнитните свойства на материали- те, и се определя от големината на интензитета на магнитното поле H и магнитната индукция B.

При нано-ферофлуидните материали при липса на външно магнитно поле (H=0) се опреде- ля началната магнитна проницаемост μнач, тогава ферофлуидът има характеристиките на течност. Когато се приложи външно магнитно поле ферофлуидът променя своите физични свойства и се ориентира по посока на силовите линии на

222

магнитното поле. Магнитната проницаемост на ферофлуида се изменя в зависимост от големината на интензитета на магнитното поле H и магнитната индукция B. При постоянно магнитно поле се определя статичната магнитна проницаемост

HB

=µ . (1)

След премахването на външното магнитно поле, ферофлуидът не запазва своята намагни- теност и се връща в началното си състояние [11, 12].

Относителна магнитна проницаемост μr, е

0µµµ =r , (2)

където μ е магнитната проницаемост на оп- ределена материална среда, μ0= 4π×10−7 H/m е магнитната проницаемост на вакуума.

За течни феромагнитни материали стой- ностите на µr са в диапазона от 1 ÷10.

3. Метод с индуктивност на намоткаЗа определяне на магнитната проницаемост

на ферофлуид е използвана електромагнитна система от намотка и ферофлуид. Методът използва изменението на индуктивността на намотка при поставяне на ферофлуиден материал [9]. Относителната магнитна проницаемост на изследвания ферофлуид се определя от отношението на индуктивността на намотката с ферофлуид Lф към собствената индуктивност на намотката L0, която e измерена без ферофлуид

0LLф

rф =µ . (3)

Индуктивността на намотката с феро-флуид може да се представи като сума от две компоненти - собствената индуктивност на намотката L0 и компонентната, обусловена от наличието на ферофлуид L'ф.

фф LLL '0 += . (4)

Относителната магнитна проницаемост на изследвания ферофлуиден материал е

0

'1

LL ф

rф +=µ , (5)

като последната компонента на уравнението L'ф /L0 определя относителната магнитната

проницаемост, обусловена от ферофлуида rф'µ . Уравнението може да бъде записано във вида

rфrrф 'µµµ += . (6)

За измерване на магнитната проницаемост на ферофлуид са използвани два типа измервателни намотки, цилиндрична и тороидална (фиг. 1).

Таблица 1. Размери на намотките

Цилиндрична Тороидална външен диаметър D1 68mm d1 60mm вътрешен диаметър D2 38mm d2 40mm височина H1 56mm h1 30mm брой навивки w1 1600 w2 100

а) цилиндрична б) тороидална

Фиг.1. Измервателни намотка

Фиг. 2 Измервателна система за определяне на индуктивността

Измервателната система за определяне на индуктивността е показана на Фиг. 2. Тя се състои от прецизен импеданс анализатор Agilent (HP) 4294A [13], персонален компютър, постоянно токово захранване и измервателна намотка.

Изследвани са три вида водно базирани нано-ферофлуидни материали. Първият ферофлуид ФФ1 е с размер на частиците 1-10nm, вторият ФФ2 е с размер на частиците около 10nm и третият ФФ3 е с размер на частици 5-10 nm. Получените резултати за началната относителна магнитна проницаемост на ферофлуидните материали и индуктивността на намотките са дадени в

223

Табл. 2 и 3. При поставяне на ферофлуиден материал индуктивността на намотките нараства. Началната относителна магнитна проницаемост на ферофлуидните материали е определена с (6). За да бъдат сравнени получените резултати всички измервания са направени при работна честота f=50Hz.

Таблица 2 Цилиндрична намоткаL0=61.6 mH ФФ1 ФФ2 ФФ3

Lф, mH 71.4 75.8 77.7 L'ф, mH 9.8 14.2 16.1 μrф 1.16 1.23 1.26 μ'rф 0.16 0.23 0.26

Таблица 3 Тороидална намоткаL0=0.084 mH ФФ1 ФФ2 ФФ3

Lф, mH 0.140 0.142 0.146 L'ф, mH 0.056 0.058 0.062 μrф 1.67 1.69 1.74 μ'rф 0.67 0.69 0.74

Получената начална относителна магнитна проницаемост при използването на тороидална измервателна намотка е с около 40% по висока от относителната магнитна проницаемост на ферофлуид, определена с цилиндрична намотка. Това се дължи на разсейване на магнитния поток при използването на цилиндрична намотка, докато при тороидална намотка магнитният поток се затваря изцяло през изследвания ферофлуид.

3. Метод с електромагнитната силаТози метод се основава на определянето на

електромагнитната сила, действаща на проба, поставена в магнитно поле [10].

Измервателната система използва специално изработена цилиндрична намотка като формата и размерите й позволяват поставяне на изследваната проба (фиг. 1 – a).

Изследваният ферофлуиден материал е поставен в херметичен цилиндричен контейнер за течни проби с диаметър D=30mm, напречно кръгло сечение S=706.5mm2 и височина ℓ=50 mm. Обемът на контейнера е V = 35 ml.

Пробата е закрепена към стенд за изпитване и е разположена съосно на намотката. На фиг. 3 е показана използваната измервателна система, състояща се от стенд за изпитване, измервателни сензори и преобразуватели, намотка, управляемо захранване. За определяне на електромагнитната сила е използвана тензометрична везна с точност на измерването 1×10-4N.

Фиг. 3 Измервателна система за определяне

на електромагнитната сила

За определяне на магнитната проницаемост на ферофлуидните материали в зависимост от получената електромагнитна сила е създаден двумерен модел на измервателната намотка и изследваната проба. Задачата е решена по метода с крайни елементи, приложен с програмата femm. Получените ха-рактеристики са показани на фиг. 4.

Фиг. 4 Електромагнитната сила в зависимост от магнитната проницаемост на ферофлуида

Получената относителната магнитна проницаемост на ферофлуидните материали спрямо интензитета на полето са показани на фиг. 5. Максималната стойност на относителната магнитна проницаемост на ФФ1 е μrф=2.58 и е достигнатa при интензитет на полето H=32.38A/m, ФФ2 е μrф=2.64 при H=28.92A/m, ФФ2 е μrф=3.78 при H=20.79A/m.

Фиг. 5 Изменението на отностелната магнитна проницаемост спрямо интензитета на полето

224

4. Индукционен метод При разглеждане на явленията и ефектите в

магнитните материали, както и техните свойства, се приема, че магнитното поле се създава в непрекъснат (затворен) образец (магнитопровод), върху който е навит проводник. Използван е тороида от фиг. 1-б, с равномерно навита по цялата му дължина намагнитваща бобина, която има w1=35 навивки. Така се осъществява равномерно намагнитване на материала. Интензитетът на полето по средната магнитна линия е

срlIwH 1= , (7)

където I е големина на тока, w1 – брой навивки, lср – средна дължина на магнитопровода. Върху тороида е навита още една бобина с навивки w2=100, от която се получава сигнал за определяне на индукцията В.

244.4 fSwUB = , (8)

където U e измереното напрежение, f е честотата, S е сечението на тороида, w2 брой навивки. На фиг. 6 е показан общ вид на опитната постановка.

Фиг. 6 Опитна постановка за определяне на магнитната проницаемост

На фиг.7 са показани зависимостите на отно- сителната магнитна проницаемост на феро- флуида спрямо интензитета на полето, определе- ни по индукционния метод. Максималната стойност на относителната магнитна прони- цаемост на ФФ1 е μrф=2.57 и е достигнатa при интензитет на магнитното полето H=45.84A/m, ФФ2 е μrф=2.68 при H=22.93A/m, ФФ2 е μrф=3.79 при H=50.76A/m. Измерванията са направени при температура на ферофлуидните материали 20°С, и честота f=50Hz.

Фиг. 7 Изменението на отностелната магнитна проницаемост спрямо интензитета на полето

5. Анализ на методи за изследване на ферофлуидни материалиЧрез метода с индуктивността се определя

началната относителна магнитна проницаемост. При този метод изборът на подходяща измер- вателна намотка е от съществено значение за точността на получените резултати. При ци- линдрична намотка се получава голямо разсей- ване на магнитния поток и влиянието на различни случайни фактори в процеса на измерването е по-силно изразено. При тороидална измервателна намотка магнитният поток се затваря изцяло през изследвания ферофлуид, по този начин се отчита по-добре влиянието на изследваната проба. Като недостатък на торидалната намотка може да се отчете по-трудното изпълнение на конструкцията, тя трябва да бъде с достатъчно тънки стени, изработени от немагнитен материал, да има подходящ отвор чрез който да се поставя изследвания материал. Точността на резултатите зависи пряко от избрания метод за измерване на индуктивността.

При методите с измерване на електро- магнитната сила, действаща върху проба и индукционния метод се определя изменението на относителната магнитна проницаемост спрямо интензитета на магнитното поле. Методът с електромагнитната сила използва цилиндрична измервателна намотка. Прецизността на метода зависи най-силно от точността на измерване на електромагнитната сила. Индукционният метод използва тороидална измервателна намотка. Точността се определя основно от използваните измервателни уреди за ток и напрежение.

6. Определяне на вискозитета на ферофлуидни материалиВажен параметър, с които се характеризира

ферофлуида е вискозитетът. Вискозитетът е свойство на флуидите да оказват съпротивление

225

срещу деформацията. Като мярка за вътрешното триене на флуидите се използва кинематичният вискозитет Vк

ρД

К

VV = , (9)

където VД е динамичният вискозитет. Дина- мичният вискозитет не зависи от налягането и характера на движението, а се определя само от физичните свойства на флуида. Изменението на вискозитета и плътността на ферофлуида при наличие на външно магнитно поле е само около 20%.

В таблица 4 са дадени получените резултати за динамичния и кинематичния вискозитет. Кинематичният вискозитет Vк е определен посредством вискозиметрична чаша [14]. Дина- мичният вискозитет VД е изразен от (9).

Таблица 4 Стойности на вискозитета ФФ1 ФФ2 ФФ3 VK, mm2/s 1.076 1.102 1.083 VД, mPa.s 2.501 2.567 2.516

Измерванията са направени при температура

на ферофлуида 20°С. За сравнение при температура 20°C водата има кинематичен вискозитет 1mm2/s и динамичен вискозитет 1 mPa•s.

7. ЗаключениеПриложени са три метода за изследване на

свойствата и магнитните характеристики на нано-ферофлуидни материали. Определени са началните магнитни проницаемости посредством изменението на индуктивността на намотка, когато в нея е поставена феромагнитна проба. Магнитната проницаемост в зависимост от интен- зитета на полето е определена чрез измерване на електромагнитната сила и чрез променливотоков индукционен метод. Изследвани са различни нано-ферофлуидни материали, определени са кинематичния и динамичният им вискозитет.

Направените изследвания могат да бъ- дат използвани при проектиране и анализ на електромагнитни системи, работещи с фероф- луидни материали.

8. благодарностиНаучните изследвания, резултатите от които

са представени в настоящата публикация, са финансирани по договор 132ПД0047-01, от Вътрешния конкурс на ТУ – София – 2013.

9. Литература[1] L. Martinez, F. Cecelja, R. Rakowski, A

novel magneto-optic ferrofluid material for sensor applications, Sensors and Actuators, 123–124, (2005), pp. 438–443.

[2] A. Nethe, T. Scholz, H. D. Stahlmann, and M. Filtz, Ferrofluids in electric motors – A numerical process model, IEEE Trans. Magn., vol. 38, (2002),.pp. 1177–1180.

[3] B. Sreedhar, R. Kumar, P. Sharma, S. Ruhela, J. Philip, S. Sundarraj, N. Chakraborty, M. Mohana, V. Sharma, G. Padmakuma, B. Nashine, K. Rajan, Development of active magnetic bearings and ferrofluid seals toward oil freesodium pumps, Nuclear Engineering and Design, (2013), p.9.

[4] V. Mateev, I. Marinova, Y. Saito, Coupled Field Modeling of Ferrofluid Heating In Tumor Tissue, IEEE Transactions On Magnetics, vol. 49, no. 5, (2013), pp. 1793 – 1796.

[5] В . М а т е е в , А . Т е р з о в а , И . Маринова, Експериментално определяне на електромагнитните свойства на нано-ферофлуиден материал, Сборник с доклади на XXIII ММО-2013, Созопол, 2013, сс. 233-238.

[6] K. H. J. Buschow, F. R. de Boer, Physics of Magnetism and Magnetic Materials, Kluwer Academic Publishers, New York, 2003, 182p.

[7] Р. Бозорт, Феромагнетизм, Инастронной Литературьi, Москва, 1956г., 784c.

[8] P. Marcon and K. Ostanina, Overview of Methods for Magnetic Susceptibility Meas-urement, PIERS Proceedings, Malaysia, 2012, pp. 420-424

[9] D.Mayer, P.Polcar, A novel approach to measurement of permeability of magnetic fluids, Electrical Review, 2012, pp. 229-231.

[10]C. Buzduga, A. Benabou, Measurement magnetic force that be exercised on the tube with ferrofluid, Buletinul AGIR, vol. 4, 2011, pp.243-248.

[11] C. Scherer, A. M. Figueiredo Neto, Fer-rofluids: Properties and Applications, Bra-zilian Journal of Physics, vol. 35, no. 3A, (2005), pp. 718-727.

[12] K. Raj, B. Moskowitz and S. Tsuda, New commercial trends of nanostructured fer-rofluids, International Journal of Engineer-ing and Materials Sciences,Vol. 11, (2004), pp. 241-252.

[13] Agilent Technologies Impedance Measure-ment Handbook. Agilent Technologies, 2006. 154 p.

[14] Paints and varnishes-Determination of flow time by use of flow cups (ISO 2431:2011).

226

данни за авторитеВалентин Матеев, магистър инженер, ТУ-

София (2004)-Електротехника. Месторабота:-асистент в катедра „Електрически апарати”, ЕФ, ТУ-София. Област на научни интереси: обратни задачи в електромагнетизма и биоелектро- магнетизма, интелигентни средства за измерване, числени методи, електромагнитни устройства.

Анелия Терзова, магистър инженер, ТУ-София (2012)-Електротехника. Месторабота: асистент и докторант в катедра „Електрически апарати”, ЕФ, ТУ-София. Област на научни интереси: електромагнитни устройства, компю- търни системи за проектиране, съвременни методи за оптимизация, нано-ферофлуидни

материали, компютърни системи за изпитване.Илиана Маринова, д.т.н. (2010), д-р (1989).

Професор, катедра „Електрически апарати”, ЕФ, ТУ-София. Област на научни интереси: обратни задачи в електромагнетизма и био- електромагнетизма, интелигентни средства за измерване, числени методи за моделиране на полета, устройства и процеси, електромагнитни устройства, феромагнитни материали, оптими- зация, съвременни средства за визуализация.

Рецензент: проф. д-р пламен Цветков,

Технически Университет – София

227

INVESTIgATION OF NANO-FERROFLUID MATERIALS

Valentin Mateev1), Aneliya Terzova1) and Iliana Marinova1)1) TU - Sofia, Sofia, bul. Kliment Ohridksi 8

e-mail: vmateev@tu-sofia.bg, aterzova@tu-sofia.bg, iliana@tu-sofia.bg

Abstract: - In this paper three methods for determination of magnetic characteristics of nano-ferrofluid materials are applied. The first method is based on change of coil inductance, when inves-tigated specimen is placed. The second method is based on measuring of electromagnetic force acting on sample, placed in magnetic field. The third method is based on ballistic method for inves-tigation of ferromagnetic material. Three types of nano-ferrofluid materials are investigated. Results for magnetic characteristics, relative magnetic permeability and viscosity of ferrofluid are obtained.

Key-Words: - nano-ferrofluid materials, magnetic characteristics, magnetic permeability

Literatura[1] L. Martinez, F. Cecelja, R. Rakowski, A

novel magneto-optic ferrofluid material for sensor applications, Sensors and Actuators, 123–124, (2005), pp. 438–443.

[2] A. Nethe, T. Scholz, H. D. Stahlmann, and M. Filtz, Ferrofluids in electric motors – A numerical process model, IEEE Trans. Magn., vol. 38, (2002),.pp. 1177–1180.

[3] B. Sreedhar, R. Kumar, P. Sharma, S. Ruhela, J. Philip, S. Sundarraj, N. Chakraborty, M. Mohana, V. Sharma, G. Padmakuma, B. Nashine, K. Rajan, Development of active magnetic bearings and ferrofluid seals toward oil freesodium pumps, Nuclear Engineering and Design, (2013), p.9.

[4] V. Mateev, I. Marinova, Y. Saito, Coupled Field Modeling of Ferrofluid Heating In Tumor Tissue, IEEE Transactions On Magnetics, vol. 49, no. 5, (2013), pp. 1793 – 1796.

[5] V. Mateev, A. Terzova, I. Marinova, Eksperimentalno opredelyane na elek-tromagnitnite svoystva na nano-ferofluiden material, Sbornik s do-kladi na XXIII MMO-2013, Sozopol, 2013, ss. 233-238.

[6] K. H. J. Buschow, F. R. de Boer, Physics

of Magnetism and Magnetic Materials, Kluwer Academic Publishers, New York, 2003, 182p.

[7] R. Bozort, Feromagnetizm, Inastron-noy Literaturyi, Moskva, 1956g., 784c.

[8] P. Marcon and K. Ostanina, Overview of Methods for Magnetic Susceptibility Meas-urement, PIERS Proceedings, Malaysia, 2012, pp. 420-424

[9] D.Mayer, P.Polcar, A novel approach to measurement of permeability of magnetic fluids, Electrical Review, 2012, pp. 229-231.

[10]C. Buzduga, A. Benabou, Measurement magnetic force that be exercised on the tube with ferrofluid, Buletinul AGIR, vol. 4, 2011, pp.243-248.

[11] C. Scherer, A. M. Figueiredo Neto, Fer-rofluids: Properties and Applications, Bra-zilian Journal of Physics, vol. 35, no. 3A, (2005), pp. 718-727.

[12] K. Raj, B. Moskowitz and S. Tsuda, New commercial trends of nanostructured fer-rofluids, International Journal of Engineer-ing and Materials Sciences,Vol. 11, (2004), pp. 241-252.

[13] Agilent Technologies Impedance Measure-ment Handbook. Agilent Technologies, 2006. 154 p.

[14] Paints and varnishes-Determination of flow time by use of flow cups (ISO 2431:2011