ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ
, , Герра Массон Хулио Эстебан
Юго-Западный государственный университет, г. Курск
Е-mail: *****@***ru
В работе описана виртуальная лабораторная установка, созданная в программной среде LabView для моделирования процесса получения нанодисперсных магнитных жидкостей и анализа физических параметров образца.
Нанодисперсные магнитные жидкости (МЖ) - уникальный искусственно синтезированный материал, обладающий одновременно текучестью и магнитными свойствами. Сочетание этих характеристик, которое не встречается в известных природных материалах, открыло широкие перспективы для создания новых технических устройств и технологий в различных областях науки и техники.
Обзор современного состояния технологий получения магнитных жидкостей показывает, что данный процесс состоит из двух основных стадий: получения магнитных частиц коллоидных размеров и стабилизации их в жидкой основе. Основная особенность этого процесса состоит в том, что обе стадии совмещены во времени: чтобы предотвратить слипание частиц под действием сил притяжения, образование адсорбционных слоёв на поверхности магнитных частиц должно происходить в момент появления последних.
Проблемы синтеза магнитных жидкостей являются, безусловно, актуальными. Важной технологической особенностью их получения является защита частиц высокодисперсных магнитных материалов от окисления и предотвращения их коагуляции, как в процессе получения, так и при переводе частиц в коллоидное состояние в дисперсионной среде. Наиболее успешно эта задача решается путём получения высокодисперсных частиц непосредственно в дисперсионной среде и стабилизации их поверхностно-активными веществами (или полимерами) сразу после их образования [1-3].
На фоне наблюдаемой на сегодняшний день широкой компьютеризации образования особый статус приобретают навыки экспериментальной работы, умение подсоединять и настраивать приборы. Целью настоящей работы является разработка системы виртуального синтеза магнитной жидкости методом химической конденсации в программной среде LabView. Отличие модельного эксперимента от реального заключается в том, что в модельном эксперименте могут быть реализованы любые ситуации, в том числе «невозможные» и аварийные, что в силу различных причин бывает недопустимо при работе с реальными объектами.
Разработанная в системе программирования LabView программа позволяет моделировать процесс синтеза нанодисперсных магнитных жидкостей и анализа физических параметров образца, в том числе оценку гранулометрического состава и получение кривой намагничивания.
Интерфейс виртуальной лабораторной установки представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Интерфейс виртуальной лабораторной установки
В состав оборудования для синтеза МЖ входят: 1 - контейнер с олеиновой кислотой; 2 - контейнер с водой; 3 - контейнер с FeCl3.6H2O; 4 - контейнер с NH4OH; 5 - контейнер с FeSO4·7H2O; 6 - контейнер с керосином; 7 - контейнер с C2H5OH; 8 - емкость для смешивания H2O с FeSO4·7H2O; 9 - индикатор температуры; 10 - установка для перемешивания; 11 - контейнер для полученной МЖ; 12 - емкость для смешивания; 13 - нагреватель (термопара); 14 - контейнер для отходов; 15 - емкость для смешивания H2O с FeCl3.6H2O; 16- емкость для смешивания олеиновой кислоты с керосином.
Функциональная схема соединения элементов программной среды LabView, используемых для моделирования, представлена на рис. 2. При запуске программы происходит имитация процесса смешивания химических реактивов, что в итоге приводит к получению магнитной жидкости.
Рис.2. Схема программы для моделирования
Исследование структуры полученного образца (рис. 3) подразумевает, в первую очередь, получение распределения частиц по размерам. Кроме того, предусмотрен анализ кривой намагничивания, что позволяет провести оценку максимального и минимального размеров магнитных частиц образца.
Рис. 3. Исследование структуры полученного образца
Для анализа размеров частиц дисперсной фазы МЖ используется программное средство обработки сканов Digimizer. При этом используются сканы реальных образцов МЖ, полученные методом атомно-силовой микроскопии. На основе этих данных симулируется получение изображения (рис. 4).
Рис. 4. Моделирование атомно-силового изображения частиц
Изображения, получаемые с помощью программы, основаны на реальных данных (рис. 5).
Рис. 5. Изображение частиц магнетита, полученное на атомно-силовом микроскопе
Размер магнитных частиц зависит от исходных условий синтеза и концентрации прекурсоров. В свою очередь, магнитные и реологические свойства магнитных коллоидных систем во многом определяются дисперсным составом [4]. Таким образом, моделируемые процессы находятся в тесной взаимосвязи и должны рассматриваться в совокупности.
С точки зрения выбора программного обеспечения для решения задачи моделирования получения и исследования магнитной жидкости, наиболее целесообразным является применение среды LabView. Это связано с тем, что LabView позволяет разрабатывать прикладное программное обеспечение для организации взаимодействия с измерительной и управляющей аппаратурой, сбора, обработки и отображения информации и результатов расчетов, а также моделирования отдельных объектов и автоматизированных систем в целом.
Результатом работы является программа для виртуального синтеза магнитной жидкости методом химической конденсации, а также моделирования процесса анализа физических параметров полученного образца. Программное исследование структуры образца МЖ позволяет получить распределение частиц образца по размерам, кривую намагничивания, по которой проводится оценка максимального и минимального размеров частиц. Данная программа используется в образовательном процессе при подготовке студентов по направлению подготовки «Нанотехнологии и микросистемная техника».
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ (МК-5703.2016.8).
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Vékás L., Raşa M. // Eur. Phys. J. 2000, V. E 2, P. 265 – 275.
2. Vékás L., Raşa M., Bica D. // J. Coll. Int. Sci., 2000, V. 231, P. 247 – 254.
3. , , // Тез. Докл. X Межд. Конф. по магнитным жидкостям, Плёс, 2002, C.29 – 36.
4. Storozhenko A. M., Shabanova I. A. , Tantsyura A. O. The results of research of magnetic fluid nanoparticles by microscopy and X-ray methods // Journal of Nano - and Electronic Physics. - 2015. - V. 7, No 4. – P. 04056(3pp)
