Проект РНФ – NSFC (Китай) №21-49-00062 (2021-2023) «Исследование характеристик жидких суспензий при помощи акустоэлектронных технологий и разработка нового поколения сенсоров.»
Руководитель: д.ф.-м.н. Кузнецова И.Е.
Отчет 2022
В 2022 году проводились работы по теоретическому анализу и экспериментальному исследованию влияния внешнего электрического поля на характеристики акустических волн, распространяющихся в пьезоэлектрических материалах и структурах, граничащих с суспензиями, содержащими диэлектрические микрочастицы. Как известно, электрореологические суспензии представляют собой коллоидную систему, состоящую из неполярной или слабополярной органической жидкости (трансформаторное и касторовое масло, дибутилсебацинат, циклогексан, олеиновая кислота, силиконовые масла) с внедренными в нее диэлектрическими или полупроводниковыми частицами. Под воздействием электрического поля реологические свойства подобных суспензий могут значительно меняться. Это связано с тем, что при приложении внешнего электрического поля частицы наполнителя приобретают разнополярные поверхностные заряды, которые и заставляют их выстраиваться в цепочки вдоль линий приложенного электрического поля. В этом случае изменяется эффективная вязкость суспензии. В результате проведенных расчетов были получены зависимости фазовой скорости и затухания на длину волны для поперечно-горизонтальной волны нулевого порядка в YX ниобате лития и YX ниобате калия, граничащих с суспенизией на основе полидиметилсилоксана, наполненных наноалмазами детонационного синтеза с концентрацией 1%, при частоте 3.3 МГц. Было обнаружено, что появление внешнего электрического поля приводит к незначительному изменению фазовой скорости волны, в то время как ее затухание изменяется для тонких пластин (hf= 100 м/с) с 0.47 до 0.67 дБ/l для ниобата лития и с 0.41 до 0.61 для ниобата калия (l – длина волны). Было экспериментально исследовано влияние внешнего электрического поля на электрофизические и акустические свойства созданных на первом этапе суспензий, в том числе суспензии из глицерина и вазелинового масла с наночастицами ZnO и субмикронными частицами BaTiO3, на частотах 1кГц и 1 МГц. Показано, что, как и следовало ожидать, для суспензий на основе полярных жидкостей увеличение частоты от 1 кГц до 1 МГц приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости. Что касается суспензий на основе неполярных жидкостей, то в диапазоне частот 1кГц – 1 МГц их диэлектрическая проницаемость практически не меняется. Также следует отметить, что для суспензий на основе неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость не изменялась при приложении электрического напряжения от -40В до +40 В. Однако, для суспензий на основе полярных жидкостей было обнаружено снижение диэлектрической проницаемости, как при положительных, так и при отрицательных значениях прикладываемого напряжения. Это можно объяснить тем, что дипольный момент частиц суспензии экранируется ионами полярной жидкости и это приводит к уменьшению степени электрической восприимчивости суспензии в целом. Анализ влияния внешнего электрического поля на характеристики акустической волны на частоте 14 МГЦ в структуре «YX пластина ниобата лития-суспензия» при различных значениях внешнего электрического напряжения от 0 до 2 кВ показал, что для выбранных суспензий внешнее электрическое поле не приводит к значительному изменению затухания данной акустической волны. Это может быть вызвано как слабым электрореологическим эффектом рассмотренных суспензий, так и слабой чувствительностью использованной для регистрации эффекта акустической волны. Данный вопрос нуждается в дополнительной проработке. На данном этапе работы теоретически и экспериментально было показано, что обратные акустические волны, характеризующиеся противоположно направленными фазовой и групповой скоростями, остаются обратными при контакте пьезоэлектрической пластины с жидкостью. Показана возможность использования обратных волн для реализации датчиков жидкости. Проведено экспериментальное исследование характеристик суспензий различного типа при помощи созданного на первом этапе пьезоэлектрического резонатора с продольным электрическим возбуждающим полем. Изготовлены образцы суспензий глицерина и алмазного порошка АСМ 2/1 с размером частиц 1 – 2 мкм с различной объемной концентрацией (0.098 %, 0.147 %, 0.73 %, 1.45 %, 1.92 % и 2.86 %). Определена плотность полученных образцов, их поперечный и продольный модули упругости и коэффициенты вязкости. Обнаружено, что с ростом объемной концентрации наночастиц алмаза поперечный модуль упругости суспензии незначительно уменьшается при переходе от чистого глицерина к минимальной концентрации (beta = 0.098%) и затем монотонно увеличивается. При этом скорость поперечной акустической волны и поперечный коэффициент вязкости имеют минимум при концентрации beta = 0.147%. Что касается продольного модуля упругости суспензий, то с ростом объемной концентрации частиц алмаза он увеличивается, в то время как скорость продольной акустической волны уменьшается. Это связано с ростом плотности суспензии с увеличением концентрации частиц алмаза. Зависимость коэффициента продольной вязкости от концентрации алмаза также, как и в случае поперечной вязкости имеет минимум при той же самой концентрации beta = 0.147%. Физическая причина существования такого минимума пока непонятна и требует дальнейших исследований. На данном этапе проекта начаты работы по исследованию влияния внешнего магнитного поля на характеристики акустических волн, распространяющихся в пьезоэлектрической структуре, граничащей с магнитной жидкостью. Типичная магнитореологическая жидкость представляет собой суспензию, состоящую из магнитных микрочастиц, жидкости (масла, воды или гликоля) и предотвращающих оседание частиц специальных добавок. В отсутствие магнитного поля частицы жидкости распределяются хаотично, а при приложении поля выстраиваются в цепочки вдоль силовых линий, при этом вязкость в направлении перпендикулярном полю резко возрастает. Для анализа магнито-акустического взаимодействия и определения соответствующих нелинейных материальных постоянных была развита теория магнитно-акустического взаимодействия, основанная на уравнениях, описывающих магнитоакустическое взаимодействие в скалярной форме, по аналогии с электроакустическим взаимодействием. Используя данный подход были определены линейные и нелинейные постоянные магнитоакустического взаимодействия магнитоупругих эластомеров на основе матрицы полиэтилена высокого давления с внедренными наночастицами карбонильного железа с размерами 3-5 мкм. В результате совместных теоретических и экспериментальных работ Российской и Китайской групп в кварцевых пластинах толщиной около длины волны обнаружены модифицированные волны Лэмба и акустические пластинчатые волны с SH поляризацией с повышенной чувствительностью к вязкости жидкости вместе с пониженной чувствительностью к проводимости жидкости и температуре. Моды характеризуются малым или нулевым смещением по нормали к поверхности, что позволяет избежать излучения мод в соседнюю жидкость, и большими смещениями в плоскости, усиливающими вязкостную связь волны и жидкости, осажденной на пластине. На основе волн с поляризацией в плоскости пластины разработаны селективные датчики вязкости: чувствительность датчиков к вязкости составляет 0.3 дБ/сП для 1–20 сП, 0.12 дБ/сП для 20–100 сП и 0,015 дБ/сП для 100 сП. –1500 сП; отклики на проводимость (от 0 до 2 См/м) на два порядка меньше. Температурные отклики этих волн практически равны нулю на воздухе, но когда пластина покрыта жидкостью, они увеличиваются в зависимости от свойств жидкости. Температурная зависимость вязкости глицерина, измеренная датчиком, согласуется с опубликованными в справочниках данными.
Опубликованные статьи:
- Zaitsev B.D., Borodina I.A., Teplykh A.A. Compact liquid analyzer based on a resonator with a lateral excitation electric field. Ultrasonics (2022 г.) WOS SCOPUS Q1 RSCI РИНЦ
- Anisimkin V., Shamsutdinova E., Li P., Zhu F., Qian Zh., Kuznetsova I. Selective Detection of Liquid Viscosity Using Acoustic Plate Waves with In-Plane Polarization. Sensors (2022 г.) WOS SCOPUS Q1 RSCI РИНЦ
- Шамсутдинова Е.С., Анисимкин В.И., Фионов А.С., Смирнов А.В., Колесов В.В., Кузнецова И.Е. Совершенствование методов исследования электрофизических и вязкостных свойств жидкостей. Акустический журнал (2023 г.) WOS SCOPUS Q2 RSCI РИНЦ
- Шамсутдинова Е.С., Анисимкин В.И., Фионов А.С., Смирнов А.В., Колесов В.В., Кузнецова И.Е. Изучение физических свойств суспензий электрофизическими и акустоэлектрическими методами. СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (2022 г.) РИНЦ
- Зайцев Б.Д., Семенов А.П., Теплых А.А., Бородина И.А. Исследование продольной акустической волны в суспензии «глицерин – микрочастицы синтетического алмаза» СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (2022 г.) РИНЦ