Проект «Исследование характеристик жидких суспензий при помощи акустоэлектронных технологий и разработка нового поколения сенсоров»

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:

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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