Фазовые переходы в магнитореологических суспензиях

А.Ю. Зубарев, Л.Ю. Искакова, А.П. Романчук  (Екатеринбург)

Многочисленные компьютерные и лабораторные эксперименты показывают, что под действием внешнего магнитного поля частицы в МРС объединяются в плотные капле- или колонноподобные агрегаты. Образование таких агрегатов ведет к резкому, вплоть до нескольких десятичных порядков, увеличению реологических и других характеристик МРС.

В работе рассматриваются следующие аспекты теоретического описания МРС с цепочками.

1. Магнитореологическая суспензия как ансамбль цепочек. Рассматривается модель, в которой не учитывается взаимодействие цепочек друг с другом. Построены функции распределения цепочек по размерам, проведена оценка среднего размера цепочек. Расчеты показывают возможность существования довольно длинных цепочечных агрегатов, когда величина магнитного поля превышает некоторое пороговое значение, что соответствует экспериментальным наблюдениям.

2. Учет взаимодействия цепочек и их конденсация в плотные фазы. Для упрощения вычислений считается, что все цепочки одинаковы и содержат число частиц, равное среднему числу частиц в цепочке. Определяется выражение свободной энергии системы, в которой учитывается энергия магнитного и стерического взаимодействия цепочек. Используя стандартные термодинамические соотношения, вычисляется химический потенциал n и осмотическое давление p. Расчеты показывают, что если внешнее магнитное поле меньше некоторого критического значения, то n и p – монотонно возрастают. При превышении данного значения на графиках n и p появляются петли Ван-дер-Ваальса, указывающие на возможность расслоения суспензии на две фазы с разной плотностью частиц. Для сравнения результатов используется модель фазового перехода, где изначально предполагается, что все частицы индивидуальны. Тот факт, что в модели с цепочками фазовый переход наступает при значениях магнитного поля значительно меньших, чем в модели индивидуальных частиц, означает, что при повышении поля в МРС вначале образуются цепочечные кластеры, которые затем конденсируются в плотные фазы.

В работе предложен новый сценарий конденсационного фазового перехода в МРС под действием внешнего поля. В рамках этого сценария, в отличие от традиционных, основанных на классической теории Ван-дер-Ваальса, появление линейных цепочек предшествует образованию плотных фаз. В принципиальном отношении выводы и результаты работы соответствуют всем известным экспериментам.

Работа поддержана РФФИ ( гранты № 002-02-17731, № 02-01-6072 и № 01-01-00058) и грантом CRDF (грант № REC-005).