Микроструктура и магнитные свойства бидисперсных феррожидкостей с цепочечными агрегатами

• Автор: Пьянзина, Елена Сергеевна
• Шифр специальности: 01.04.11
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 186 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Современное состояние исследований в области феррожидкостей: эксперименты и теории
1.1 Феррожидкости: макро- и микросвойства
1.2 Феррожидкости: теории и эксперименты
1.3 Феррожидкости: цепочечные агрегаты
1.4 Основные результаты главы
2 Функционал свободной энергии бидисперсной феррожидкости с цепочечными агрегатами
2.1 Построение функционала свободной энергии для бидисперсной феррожидкости
2.2 Конфигурационный интеграл цепочки в произвольном магнитном поле
2.3 Уточненная постановка
2.4 Основные результаты главы
3 Микроструктура бидисперсной феррожидкости
3.1 Минимизация функционала плотности свободной энергии системы
3.2 Бидисперсное распределение частиц по размерам
3.3 Основные классы цепочечных агрегатов
3.4 Анализ основных классов цепочек
3.5 Кластерный анализ
3.6 Основные результаты главы

4 Магнитные свойства феррожидкостей
4.1 Намагниченность
4.2 Начальная восприимчивость
4.3 Основные результаты главы
5 Структурный фактор феррожидкостей
5.1 Общие положения
5.2 Вычисление среднего расстояния
5.3 Монодисперсный случай
5.4 Видисперсный случай
5.5 Основные результаты главы
Заключение
Литература
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г

Введение
Однодоменная частица называется “суперпарамагнитной”, если время релаксации ее магнитного момента мало по сравнению со временем наблюдения [1, 2]. Это условие выполняется в том случае, когда энергия магнитной анизотропии невелика по сравнению с тепловой энергией, и перемагничиванне частицы не сопровождается преодолением высокого потенциального барьера. Магнитный момент такой частицы достаточно свободно флуктуирует внутри нее относительно кристаллографических осей. В пределе малой энергии анизотропии ансамбль суперпарамагиитных частиц во внешнем поле ведет себя подобно парамагнитному газу с той единственной разницей, что магнитные моменты частиц на несколько порядков превышают магнитный момент отдельного атома.
Однодоменные частицы, взвешенные в жидкой матрице, могут быть суперпара-магнитными независимо от величины магнитной анизотропии. Наличие вращательных броуновских степеней свободы полностью устраняет влияние последней на равновесные свойства системы [3]. Типичными и весьма распространенными примерами таких систем являются феррожидкости (“магнитные жидкости”, “магнитные коллоиды”, “ферроколлоиды”). Данные системы представляют собой устойчивые коллоидные взвеси частиц ферро- и ферримагнитных материалов в жидких средах. Характерные значения диаметров магнитных частиц имеют значения порядка 10 нм, что оказывается меньше границы однодомепности. При таких размерах частицы остаются однородно намагниченными, а ориентационные флуктуации магнитных моментов частиц и перемагничиванне всего ансамбля определяются броуновским и нее-левским релаксационными механизмами. Способность феррожидкостей сильно взаимодействовать с магнитным полем без изменения жидкого агрегатного состояния является их главной особенностью и обуславливает широкое применение в различ-

нию числа частиц, заключенных во всех цепочках, к числу таких цепочек. Зависимость данной характеристики от различных параметров приведены на Рис. 1.3. На каждом из рисунков представлена зависимость средней длины от одного из параметров (концентрации, интенсивности магнитного диполь-дипольного взаимодействия, температуры). Видно, что с ростом <р и Л (Рис. 1.3а и Рис. 1.36) растет и средняя длина цепочки, а вот зависимость от температуры имеет обратный характер (Рис. 1.3в): с ростом температуры средняя длина уменьшается. Это верный результат, поскольку с увеличением температуры возрастает роль тепловых флуктуаций, магнитное притяжение ослабевает, что и приводит к уменьшению длины цепочек.
Рис. 1.3: Средняя длина цепочки: (а) как функция концентрации частиц дисперсной фазы <р (А = 2.5, Т = 275), (б) как функция параметра магнитного диполь-дипольного взаимодействия А ( = 0.1, Т = 275), (в) как функция температуры Т (<р = 0.14, Л = 4).
Итак, для описания формирования цепочек существует два основных подхода. Первый использует динамический метод, в рамках которого процесс комбинации/ рекомбинации частиц в цепочках трактуется аналогично химическим реакциям. Требование динамического равновесия позволяет получить распределение частиц по цепочкам разных длин и на основании этого прочие характеристики системы. Второй подход, используемый наиболее часто, основывается на минимизации функционала плотности свободной энергии системы относительно концентраций цепочек различной длины. Из общих принципов статистической термодинамики очевидно следует, что минимум свободной энергии достигается на равновесном распределении, которое понимается в динамическом смысле.
Основным результатом модели цепочек [101] является сильная экспоненциальная зависимость среднего числа частиц в цепочке от параметра магнитного диполь-дипольного взаимодействия А. Теоретическому изучению образования цепочек посвя-