Научно-исследовательские работы по магнитным жидкостям и их применению в Ивановском энергетическом институте

МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ В ИВАНОВСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

ИСТОРИЯ

Научно-исследовательские работы по магнитным жидкостям и их применению были начаты в Ивановском энергетическом институте в шестидесятых годах прошлого столетия. С 1965 г. по инициативе профессора Д.В. Орлова и под его руководством на кафедре «Электрические машины и аппараты» начались работы по созданию герметизирующих устройств космических аппаратов.

Для решения данной проблемы профессор Д.В. Орлов предложил использовать жидкий металл - галлий. Организованным им научным коллективом, основную часть которого составляли талантливые выпускники кафедры, аспиранты и студенты, был выполнен комплекс научно-исследовательских работ по созданию индукционных жидкометаллических уплотнений. Данный тип уплотнений был использован для стендовых испытаний подшипниковых узлов колес советских луноходов «Луноход-1» и «Луноход-2». Однако индукционные жидкометаллические уплотнения, обладая высокой герметичностью, не получили широкого распространения вследствие небольшого перепада давлений, удерживаемого ими. Поиск более эффективного метода решения проблемы привел научную группу Д.В. Орлова в 1970 г. к идее использования вместо жидких металлов магнитных жидкостей. В ИЭИ было создано научное направление «Магнитные жидкости». В рамках этого направления ведущие специалисты научно-исследовательского сектора решали проблемы создания устойчивых магнитных коллоидов с заданными свойствами. В связи с перспективностью применения новых магнитоуправляемых материалов Совет Министров СССР в 1976 г. выпустил постановление № 409-147 по координации этих работ для космической техники. В 1980 г. по решению Государственного комитета СССР по науке и технике в Ивановском энергетическом институте были открыты Проблемная научно-исследовательская лаборатория прикладной феррогидродинамики и Специальное конструкторско-технологическое бюро «Полюс». Первым научным руководителем, директором - главным конструктором вновь созданных первых в стране специализированных организаций в области наукоемких магнитожидкостных технологий был назначен доктор технических наук, профессор Д.В. Орлов.

В СКТБ «Полюс» в период с 1980 г. по 2005 г. успешно решались проблемы создания устойчивых магнитных жидкостей и электромеханических устройств (ЭМУ) на их основе. В итоге было освоено мелкосерийное производство 7 типов МЖ и различных ЭМУ на их основе, с успехом применявшихся на таких предприятиях аэрокосмического комплекса, как

· ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина»,

· Ракетно-космическая корпорация «Энергия»,

· Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ - Прогресс»,

· ФГУП «НПО «Техномаш» Российского авиационно-космического агентства.

Гарантийные сроки эксплуатации ЭМУ в космической технике были доведены до 10 - 15 лет и подтверждены в реальных условиях (например, магнитожидкостные уплотнения космической орбитальной станции «Мир»).

Сравнительные испытания МЖ и ЭМУ СКТБ «Полюс» и Ferrofluidics Corp. (США), проведенные в России и Южной Корее, показали, что магнитные жидкости, производимые в СКТБ «Полюс», не уступают мировым аналогам.

В проблемной научно-исследовательской лаборатории прикладной феррогидродинамики, начиная с 1980 г. и по сей день, занимаются синтезом магнитных жидкостей, фундаментальными и прикладными исследованиями всего многообразия их физико-химических свойств, разработкой, исследованием и внедрением магнитожидкостных уплотнений, численным моделированием магнитных, электрических, температурных полей в магнитожидкостных устройствах и т.д.

В 90-е гг. СКТБ «Полюс», будучи хозрасчетной организацией, переживал тяжелые времена и фактически прекратил свое существование в начале нового тысячелетия. В настоящее время ведущие специалисты СКТБ «Полюс» продолжают свою работу в Ивановском государственном энергетическом университете. Объединение колоссального опыта работы и огромных знаний сотрудников проблемной научно-исследовательской лаборатории прикладной феррогидродинамики и бывших сотрудников СКТБ «Полюс» позволило не только сохранить накопленный потенциал, но и поднять магнитожидкостные технологии на качественно новый уровень.

Проблемная научно-исследовательская лаборатория прикладной феррогидродинамики сегодня - это:

· Создание более 10 типов устойчивых магнитных жидкостей с возможностью модифицирования их технических характеристик, чья стабильность проверена временем, а качество - работой в конкретных электромеханических устройствах; разработка физико-химических аспектов синтеза новых типов магнитных жидкостей с заданными свойствами;

· Исследование свойств магнитных жидкостей (магнитные, электрические, реологические, теплофизические и другие свойства), изучение коллоидальной стабильности МЖ и поверхностных явлений, протекающих на границе раздела фаз;

· Исследование гидродинамики и течений магнитных жидкостей в магнитных полях;

· Численное моделирование магнитных, электрических, температурных и других полей в магнитожидкостных устройствах;

· Применение магнитных жидкостей в технике (разработка магнитожидкостных герметизаторов и уплотнений, демпферов, датчиков, узлов трения и др., методик и программ расчета и оптимизации магнитных систем различных магнитожидкостных устройств).

По результатам работ сотрудников ПНИЛ ПФГД опубликовано более 200 научных трудов в ведущих международных и российских изданиях, в том числе, монография «Магнитные жидкости в машиностроении», сделано более 120 научных докладов на международных и Всероссийских конференциях. Научные разработки защищены более 50 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Разработки и изобретения сотрудников ПНИЛ ПФГД регулярно экспонируются на Российских и международных выставках и награждаются дипломами, призами и медалями.

Правительство России высоко оценило проделанную работу, удостоив сотрудников ПНИЛ ПФГД Премией Правительства Российской Федерации в области науки и техники за исследование, разработку, освоение производства и применение магнитных жидкостей и новых электромеханических устройств на их основе.

С 2006 г. научным руководителем ПНИЛ ПФГД является доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханика», Член-корр. Академии электротехнических наук РФ, Член-корр. Нью-Йорской Академии наук Ю.Б. Казаков.

МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ. ТЕХНОЛОГИЯ

Магнитные жидкости представляют собой уникальные системы, сочетающие в себе свойства магнитного материала и жидкости с возможностью управления реологическими, теплофизическими и оптическими характеристиками магнитным полем. Сочетание этих свойств, не встречающееся в известных природных материалах, открыло широкие перспективы для создания технических устройств с магнитной жидкостью в качестве рабочего тела.

Многолетний повышенный интерес к МЖ со стороны теоретиков и экспериментаторов, перспектива их широкого использования привели к тому, что к настоящему времени наука о магнитных жидкостях стала самостоятельной, чрезвычайно интересной и практически полезной областью исследований, находящейся на стыке физической химии коллоидов, физики магнитных явлений и магнитной гидродинамики. По мере изучения всего многообразия физико-химических свойств магнитных жидкостей и поведения МЖ при изменении внешних факторов спектр их практического применения в различных областях науки и техники расширяется, а потребность в стабильных магнитных жидкостях всё больше возрастает.

Что же такое магнитная жидкость? И так ли легко её синтезировать?

Магнитная жидкость представляет собой коллоидную систему однодоменных магнитных частиц (дисперсная фаза), диспергированных в жидкости-носителе (дисперсионная среда). При получении магнитной жидкости необходимо решить несколько задач:

· во-первых, необходимо получить частицы магнетиков размером не более 8 - 15 нм;

· во-вторых, необходимо покрыть частицы дисперсной фазы слоем молекул стабилизатора;

· в-третьих, стабилизатор должен не только предотвращать слипание частиц, но и обеспечивать образование устойчивой коллоидной системы однодоменных магнитных частиц, диспергированных в жидкости-носителе.

На бумаге все выглядит довольно просто, однако, любой химик, когда-либо занимавшийся синтезом магнитных жидкостей, знает, что создать устойчивую магнитную жидкость, которая не только завораживала бы взгляд, поражая своим поведением в магнитном поле, но и выполняла бы свои функции в конкретном устройстве - чрезвычайно сложная задача, если не сказать - проблема. Сложно представить, но для создания магнитных жидкостей необходимо взвесить твердые частицы с плотностью более 5 г/см³ в жидкости-носителе с плотностью 1 г/см³ или менее.

Универсального подхода к синтезу магнитных жидкостей на разных жидкостях-носителях нет. Разработчики магнитных жидкостей во всем мире используют собственные подходы к синтезу. Более того, каждый разработчик использует для синтеза магнитных жидкостей вещества, выпускаемые химической промышленностью той страны, в которой он работает. Эффективность технологий синтеза оценивается по достижению основных физических характеристик: коллоидальная стабильность в течение длительного времени, намагниченность насыщения, вязкость, диапазон рабочих температур. Стабильность свойств магнитной жидкости во времени - основной показатель её качества.

Нашей группе удалось разработать и воплотить в жизнь собственные оригинальные технологии синтеза магнитных жидкостей, которые не уступают по своим техническим характеристикам лучшим зарубежным аналогам, а по некоторым характеристикам (намагниченность насыщения, диапазон рабочих температур, срок эксплуатации) и превосходят их. На это потребовалось более 30 лет кропотливой работы.

В настоящее время мы выпускаем магнитные жидкости на основе

· силоксановых жидкостей;

· углеводородов;

· минеральных углеводородных масел;

· синтетических углеводородных масел;

· фторорганических жидкостей;

· воды и других полярных носителей.

Для синтеза каждого типа магнитных жидкостей мы используем дифференцированный подход. Для достижения необходимого результата меняются технологические параметры синтеза; количество, последовательность и назначение стадий синтеза; специально подбираются комплексные поверхностно-активные вещества и т.д.

Все типы магнитных жидкостей прошли жесточайшие испытания на стендах; их стабильность проверена временем, а качество - работой в конкретных электромеханических устройствах.

МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Ввиду уникальности свойств магнитные жидкости находят широкое применение в различных областях науки и техники.

Сегодня магнитные жидкости применяются

· в качестве рабочего тела в магнитожидкостных уплотнениях:

· динамические высоковакуумные уплотнения для герметизации ввода вращательного движения в замкнутый объем, находящийся под давлением или вакуумом;

· статические высоковакуумные уплотнения для герметизации неподвижных соединений;

· пылезащитные и парогазовые уплотнения;

· уплотнения для лабораторных и промышленных ферментеров;

· уплотнения для жидких и газовых агрессивных сред;

· в качестве рабочего тела в датчиках угла наклона и акселерометрах;

· в магнитных сепараторах для разделения и сепарации материалов с различной плотностью;

· в качестве магнитоуправляемых смазок в узлах трения;

· в акустических динамиках радиотехнических и электронных устройств, в громкоговорителях, в CD и DVD приводах;

· в магнитожидкостных амортизаторах и демпферах;

· для очистки водных поверхностей от нефтепродуктов при аварийных разливах и катастрофах.

· Возможность практического применения магнитных жидкостей определяется

· во-первых, их стабильностью и совокупностью необходимых технических характеристик;

· во-вторых, их способностью выполнять свои функции в конкретных электромеханических и других устройствах в течение длительного времени под воздействием высоких и низких температур, агрессивных сред, магнитных и гравитационных полей.

В ПНИЛ ПФГД производятся стабильные магнитные жидкости с необходимым набором технических характеристик, позволяющим использовать их во всех приведенных выше областях.

Гарантийные сроки «работы» наших магнитных жидкостей в датчиках угла наклона составляют не менее 10 лет, в магнитожидкостных уплотнениях - не менее 2 - 7 лет в зависимости от условий эксплуатации МЖУ. Проведенные испытания показали эффективность использования наших магнитных жидкостей в акустических динамиках и громкоговорителях, в магнитных сепараторах и демпферах.