تحقیق بررسی کاربردهای سیالات مغناطیسی (فِروسیالات)

توضیحات

 عنوان فارسی: بررسی کاربردهای سیالات مغناطیسی (فِروسیالات)

• مقدمه
• توصیف فروسیال ها
• سنتز فروسیال ها
• مشخصات فروسیال ها
• تحقیقات ساختمانی و پایداری کلوئیدی
• خواص مغناطیسی
• خواص ناشی از جریان و تغییر شکل ماده 
• خواص هیدرولوژی مغناطیسی
• ناپایداری در میدان عمودی
• ترسازهایِ معمولِ فروسیال
• فروهیدرودینامیک
• تفاوت بین فروسیال‌ها و سیال‌های مغناطورئولوژی
• کاربردهای فروسیال ها
•  در وسایل الکترونیکی
•  در تجهیزات ذخیره مغناطیسی
•  در لیتوگرافی
•  در حسگر ها
•  در مهندسی مکانیک
•  در کنترل مغناطیسی
•  در جداسازی فلزات
•  در تصفیه آب
•  در لرزه نگاری
•  در موارد نظامی
•  در هوافضا
•  در تجهیزات آنالیز
•  در پزشکی
•  در داروسازی
•  در صنایع غذایی
•  در انتقال گرما
•  در نورشناسی
•  در هنر
•  خلاصه کاربردهای صنعتی و زیستیپزشکی
• فهرست منابع و مراجع

 

• مقدمه

فروسیال‌ها (یا مایع‌های مغناطیسی)، به‌ویژه نانوسیال‌های قابلِ کنترلِ مغناطیسی، دسته‌ی ویژه‌ای از مواد نانوی هوشمندند [1]. این نوع از نانوسیال‌ها، کلوئیدهای مواد نانویی مثل  Fe₃O₄، γ-Fe₂O₃، CoFe₂O₄، Co، Fe  یا  FeC  می‌باشند که به‌طور پایدار در یک مایع حامل پراکنده شده‌اند [2]، درنتیجه، این مواد نانو به‌طور همزمان خواص سیّال و مغناطیسم را نشان می‌دهند. در شکل 1، فروسیال دیده می شود.

شکل 1 – فروسیال

     ازنظرِ بزرگ-مقیاس، معرفی نیروهای مغناطیسی در معادلات اساسی هیدرودینامیک برای مِدیوم‌های شِبهِ‌همگنِ مایعِ قابلِ مغناطیس شدن، موجِدِ علمِ هیدرودینامیکِ مغناطیسیِ نانوسیال‌ها (یا فروسیال‌ها)ی مغناطیسی می‌باشد که همچنین به‌عنوان فروهیدرودینامیک شناخته می‌شود و افق وسیعی از پدیده‌های جدید [3] و کاربردهای امیدبخش [4] را به‌روی ما می‌گشاید.

     ازنظر کوچک-مقیاس، نیروهای دور برد جاذبه‌ای وان‌دروالسی و مغناطیسی، همه‌جا حاضرند و بنابراین باید در توازن با نیروهای کولنی، فضایی، و دیگر فعل و انفعالات قرار گیرند تا پایداریِ کلوئیدیِ سیستم نانوذراتِ پراکنده شده را حتی در میدان‌های مغناطیسیِ قوی و به‌شدت غیرِیکنواخت، که ویژه‌ی غالبِ کاربردها هستند، کنترل نمایند [6،5].

     در بسیاری از کاربردهایی که با آنها مواجهیم، مثلاً در درزبندی‌‌ها یا بارپذیری‌های چرخشی، نیاز به سیال‌هایی مغناطیسی با مغناطشِ قوی و درعین‌حال با پایداری کلوئیدیِ طولانی‌مدت می‌باشد. فراهم‌آوریِ همزمانِ این الزمات، مشکل است و شرایط سختی را در مورد پروسه‌های پایدارسازی که در خلال سنتز نانوسیال‌های مغناطیسی به‌کار می‌رود، ایجاب می‌کند. درحالِ‌حاضر، ترکیب، ساختمان و خواص انواع مختلف فروسیال‌ها، و همچنین کاربرهای صنعتی و پزشکی-زیستی آنها مشخص و ارائه شده است [2،5].

• توصیف فروسیال ها

فروسیال‌ها متشکل از ذرات نانوابعاد (به قطرِ معمولاً 10 نانومتر یا کمتر) از جنسِ مگنتیت (magnetite)، یا هماتیت (hematite) یا ترکیباتِ دیگرِ حاویِ آهن می‌باشند. این ابعاد آنقدر کم هستند که آشفتگیِ گرمایی، آنها را به‌طورِ یکنواخت در یک مایعِ حامل پراکنده کند، و نیز آنقدر کم هستند که خودِ ذرات در واکنش‌های سراسریِ مایع شرکت می‌کنند. این موضوع، قابلِ قیاس است با طریقه‌ای که یون‌ها در یک محلولِ آبکی نمکیِ پارامغناطیسی (مثل یک محلولِ آبکیِ سولفات مس (2) یا کلرید منگنز (2)) محلول را پارامغناطیس می‌سازند.

     درواقع، فروسیال‌ها ذرات آهنیِ بسیار ریزی هستند که با یک لایه‌ی مایع و نیز ترساز پوشش داده شده‌اند و سپس به آب یا روغن اضافه شده‌اند که به آنها خواص مایع را می‌دهد. فروسیال‌ها، سوسپانسیون‌های کلوئیدی هستند، یعنی موادی با خواصی بیش از خواصِ یک حالت از ماده. در این مورد، دو حالت از ماده عبارتند از فلز جامد و مایعی که فلز در آن واقع است. این تواناییِ تغییرِ فاز، همراه با اِعمالِ میدان مغناطیسی، به آنها اجازه می‌دهد به‌عنوانِ درزبندها و روان‌سازها و حتی در کاربردهای بیشتر در سیستم‌های آینده‌ی نانوالکترومکانیک مورد استفاده قرار گیرند.

     فروسیال‌های کامل، پایدارند. این به این معناست که ذرات جامد، حتی تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسیِ بسیار شدید، دچار توده‌شدگی یا جداییِ فاز نمی‌شوند. اما عاملِ ترساز در طول زمان (چندساله) متمایل به شکسته شدن می‌باشد و نهایتاً نانوذرات، دچار توده‌شدگی خواهند شد و از مایع جدا شده و دیگر در واکنشِ مغناطیسی سیال شرکت نخواهد کرد. ساختار فروسیالات در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2 – ساختار فروسیالات

     فروسیال‌ها، خواص مغناطیسیِ خود را در دماهای به‌اندازه‌ی کافی بالا، که دمای کوری خوانده می‌شوند، ازدست می‌دهند. دمای ویژه‌ی کوریِ مورد نیاز، برحسبِ ترکیب‌های ویژه‌ی مورد استفاده برای نانوذرات، ترساز، و مایعِ حامل، متغیر است.

• سنتز فروسیال ها

سنتز فروسیال‌ها دو مرحله‌ی اصلی دارد :

• آماده‌سازی ذرات مغناطیسیِ نانوابعاد (درحدود 2 تا 15 نانومتر)، و
• متعاقباً پراکنده‌سازی/پایدارسازیِ نانوذرات در مایعات حامل قطبی و غیرقطبی مختلف.

     در آنچه به نانوذرات هیدروکسید آهن مربوط می‌شود، مؤثرترین روش، پروسه‌ی ته‌نشینی همزمان شیمیایی است [2]. برحسب خواص مایع حامل و کاربردهای مورد انتظار، رویّه‌های مختلفی از سنتز فروسیال توسعه یافته است [5]. عجالتاً، مکانیسم‌های پایدارسازی نانوذرات مغناطیسی در انواع مختلف مایعات حامل، به‌گونه‌ای که مانعِ تشکیلِ غیرقابلِ‌برگشتِ توده‌ذرات، حتی در میدان‌های مغناطیسیِ شدید و قویاً غیرِیکنواخت شوند، مشخص شده است.

• مشخصات فروسیال ها
  • تحقیقات ساختمانی و پایداری کلوئیدی

در موردِ نانوذراتی که از لحاظ فضایی در مایع‌های حامل مختلف پایدار شده‌اند، کاراییِ پوشش سطحیِ ذرات را نوع و کیفیتِ ترسازهای مورد استفاده، همچنین دمای مدیوم، و درنتیجه تعادل بین فعل و انفعالات جاذبه‌ای و دافعه‌ایِ بین ذرات، تعیین خواهد کرد. وقتی فعل و انفعالات جاذبه‌ای غالب باشد ممکن است انواع توده‌شدگی‌ها، که معمولاً به‌شکلِ زنجیره‌های خطیِ شِبهِ موازی با خطوط میدان مغناطیسیِ اِعمال شده یا به‌شکلِ تراکم‌های شِبهِ قطره‌ای هستند، حاصل شود [7].

     توده‌شدگی‌ها در سیال‌های مغناطیسی مورد استفاده در اغلب کاربردها، نامطلوبند، بنابراین روش‌های شناسایی، عمدتاً روی این پروسه‌های توده‌شدگی و پی‌آیندهای آنها در رفتار ماکروسکوپیک سیال‌ها متمرکز شده‌اند.
یکی از مؤثرترین روش‌های تحقیقات نانوساختمانی، براساسِ پراکندگی نوترونی تحتِ زاویه‌ی کوچک (SANS) [1]می‌باشد [8]. از این روش برای آشکار کردن خصیصه‌های ساختمانی در ابعاد 1 تا 100 نانومتر استفاده می‌شود و به‌طور مفصل در کنار نتایجِ  TEM، DLS، و آنالیزهای مگنتوگرانیولومتری ارائه شده است.

• خواص مغناطیسی

از منحنی‌های مغناطش می‌توان به‌طورِ گسترده برای مطالعه‌ی فعل و انفعالات ذره‌ای و نیز شکل‌گیریِ توده‌شدگی‌ها، که پروسه‌هایی هستند که قویاً رفتار سیال‌های مغناطیسی را از جنبه‌ی جریان و تغییر شکل ماده و هیدرولوژی مغناطیسی تحت تأثیر قرار می‌دهند، استفاده کرد. مغناطِشِ اشباع (Ms)، فروگیریِ اولیه (iχ)، منحنی‌های مغناطش کامل (M=M(H))  یا (M/Ms(H)) (که در آن H شدت میدان مغناطیسیِ اِعمال شده است) و آنالیز مگنتوگرانیولومتری (قطر مغناطیسی متوسط <Dm>  و انحراف معیارِ استانداردσ ) در مقادیرِ مختلفِ تغلیظِ حجمیِ نانوذرات مغناطیسی، دیدی مقایسه‌ای روی مشخصات میکروساختمانی نمونه‌های مختلف به ما می‌دهد [9،10].

     اندازه‌ی خوشه‌ها می‌تواند اشاره‌ای اولیه باشد به درجه‌ی پراکندگی ذرات و نیز به قدرت فعل و انفعالات بینِ ذره‌ای. این اندازه را، معمولاً می‌توان به روش‌های اپتیکی (مثلاً به روشِDLS ) آنالیز نمود. علیرغم پروسه‌ی خوشه‌ای شدن، فعل و انفعالات بینِ ذره‌ای جاذبه‌ای خالص (که به‌عنوانِ نوعِ دوقطبی-دوقطبی درنظر گرفته می‌شود)، براثرِ دافعه‌ی فضایی القا شده توسطِ لایه‌های پوششیِ دوگانه، باید کاملاً ضعیف باشد. چنین تصور می‌شود که فعل و انفعالات جاذبه‌ای، تنها آشفتگی‌های انرژیِ عدمِ همگنیِ اصلیِ ذرات را القا می‌نمایند. اسپکتروسکوپی وابسته به دمای Mossbauer  [11] درحال فراهم‌آوریِ اطلاعات روی ترکیبِ فازیِ ذره، ساختمان و تقارن موضعی، فعل و انفعالات مغناطیسیِ موضعی درون ذره و پدیده‌های استراحت (یاrelaxation ) از نوع Neel می‌باشد.

• خواص ناشی از جریان و تغییر شکل ماده و خواص هیدرولوژی مغناطیسی [12]

 فروسیال‌ها به‌ویژه به ترکیب، کسر حجمی ذره، و درجه‌ی پایداریِ کلوئیدیِ فروسیال‌ها، و نیز به شدت میدان مغناطیسیِ اِعمال شده بستگی دارند. تاکنون، روش‌شناسیِ تحقیقات روی خواص جریان و نتایج اصلی، با تأکیدی کامل بر فروسیال‌هایی که به‌ویژه در کاربردها مناسبند، ارائه شده است.

• ناپایداری در میدان عمودی

هنگامی که یک سیال پارامغناطیسی، تحت اِعمالِ یک میدانِ مغناطیسیِ عمودیِ به‌اندازه‌ی کافی قوی قرار می‌گیرد سطح سیال به‌طورِ خودبه‌خودی به‌صورتِ یک الگوی شیاردار یا متموجِ منظم فُرم می‌گیرد؛ این اثر، ناپایداری در میدان عمودی خوانده می‌شود. این اثر در شکل 3 که یک فروفلوئید را برروی شیشه در حالی که یک آهنربا زیر شیشه قرار گرفته‌است نشان می دهد، مشاهده می شود.

     تشکیل الگوی شیاردار یا متموج، انرژیِ آزاد سطحی و انرژیِ گرانشیِ مایع را افزایش و انرژی مغناطیسی را کاهش می‌دهد. این الگو تنها در بالای میدان‌های مغناطیسی بحرانیِ شدیدی شکل می‌گیرد که در معادله‌های مربوط به آنها جملات مربوط به کاهش انرژیِ مغناطیسی مهمتر از موارد مربوط به افزایشِ انرژی سطحی و گرانشی باشد. فروسیال‌ها، فروگیریِ مغناطیسی بسیار بالایی دارند و میدان مغناطیسیِ بحرانی برای شروع تشکیل الگوی شیاردار یا متموج می‌تواند با یک میله‌ی مغناطیسیِ کوچک حاصل و این پدیده قابلِ رؤیت شود.

شکل 3 – ناپایداری فروفلوئیدها در میدان عمودی

توجه:

• برای دانلود فایل word کامل ترجمه از گزینه افزودن به سبد خرید بالا استفاده فرمایید.
• لینک دانلود فایل بلافاصله پس از خرید بصورت اتوماتیک برای شما ایمیل می گردد.

سفارش تحقیق

به منظور سفارش تحقیق مرتبط با رشته تخصصی خود بر روی کلید زیر کلیک نمایید.

سفارش تحقیق