Использование магнитной жидкости даёт необычный способ радикально улучшить качество акустического контакта при неразрушающей ультразвуковой диагностике. Исследователи из Института механики сплошных сред УрО РАН (филиал ПФИЦ УрО РАН) Д.С. Голдобин и Ю.Л. Райхер построили математическое описание течения магнитной жидкости в зазоре между датчиком и контролируемой поверхностью при сканировании.
Ультразвуковые исследования позволяют, не нарушая целостность объекта, изучить внутреннюю структуру материалов, обнаружить дефекты в них или исследовать ткани и органы живых организмов. В основе метода лежит пьезоэффект. Специальный кристалл при возбуждении электрическим импульсом излучает пакет ультразвуковых волн и посылает его в исследуемый образец. Переключившись в режим приёма, датчик, получив акустическую волну, отражённую дефектом, преобразует её в электрический импульс. Анализ этого сигнала даёт информацию о структуре вещества, наличии и местоположении дефектов.
Для технологии ультразвуковых исследований критически важно, чтобы энергия акустического сигнала передавалась от датчика в исследуемый объект с минимальными потерями. При этом необходимо, чтобы в процессе контроля датчик мог свободно перемещаться – сканировать поверхность. Стандартным способом обеспечить такой режим является заполнение зазора между датчиком и поверхностью контролируемого изделия подходящей жидкостью. Она создаёт жидкостный мостик (акустический тракт), при любом нарушении целостности которого полезный сигнал пропадает.
Рабочее состояние датчика требует поддержания, поскольку часть жидкости из мостика всегда расходуется – остаётся на пройденной поверхности в виде плёнки. К тому же, при использования обычных жидкостей (воды, спирта или глицерина) мостик может просто вытечь по действием силы тяжести, уничтожив акустический контакт.
Существенно улучшить условия сканирования можно, используя в качестве контактной магнитную жидкость – искусственно созданный коллоид, содержащий наночастицы феррита. Именно их наличие даёт возможность магнитного управления течением и/или формой мениска жидкости в контактном зазоре. Действительно, если оснастить ультразвуковой датчик магнитной системой, создающую вокруг него неоднородное поле, то магнитная жидкость будет прочно удерживаться в контактном зазоре, обеспечивая стабильность акустической связи при сканировании.
Эта концепция не нова. Она была впервые предложена в 1990-х годах как одно из практических применений магнитных жидкостей (ферроколлоидов). Техника магнитожидкостного акустического контакта успешно прошла эмпирический этап, но, вполне ожидаемо, её дальнейшее развитие потребовало ставить и решать фундаментальные задачи гидродинамики тонких плёнок магнитной жидкости.
Механическое поведение тонких плёнок даже обычных жидкостей настолько разнообразно, что эта, казалось бы, классическая, тема до сих пор является предметом активных академических исследований; при этом часто оказывается, что возникающие задачи сугубо нетривиальны также и в плане математической физики. В то же время, динамика тонких плёнок жидкости – это предмет высокого практического интереса, достаточно назвать формирование разнообразных покрытий методом щелевого нанесения, технологии смазки, охлаждения испарением, сушки растворителей и др. Ситуация, когда жидкость обладает ещё и сильной магнитной восприимчивостью, с одной стороны, привносит в задачи плёночной гидродинамики дополнительные сложности, но, с другой – делает новые задачи уникально интересными, поскольку даёт возможность рассматривать бесконтактное управление течением таких плёнок.
Прежде в гидродинамике плёнок магнитных жидкостей решались задачи исключительно двух типов: (1) свободное течение по наклонной или горизонтальной плоскости в однородном поле и (2) вынужденное течение в тонких замкнутых каналах, т.е., смазка. В настоящей работе впервые поставлена и решена задача типа щелевого нанесения покрытий (slot-die coating) для магнитной жидкости.
Концептуальным прототипом послужила работа Л. Ландау и В. Левича (1942), где рассмотрена задача нанесения фотоэмульсии на целлулоидную подложку методом вертикальной протяжки через резервуар с эмульсией. Общий подход, предложенный там, оказался чрезвычайно полезным и в задаче об удержании магнитожидкостного контакта при горизонтальном сканировании.
Как поясняет один из авторов работы, заведующий лабораторией подземной утилизации углерода ИМСС УрО РАН (филиал ПФИЦ УрО РАН), кандидат физико-математических наук Денис Сергеевич Голдобин:
Наличие вынужденного течения с открытой поверхностью принципиально отличает настоящую задачу гидродинамики магнитной жидкости от тех, где рассматриваются либо свободное стекание плёнки по наклонной плоскости, либо режим смазки, когда плёнка полностью находится внутри зазора. Существенное различие с течением обычной немагнитной жидкости, уносимой движущейся поверхностью из зазора, заключается в профиле задней кромки магнитожидкостного мостика, так называемом динамическом угле контакта. В немагнитной жидкости мениск формируется за счёт взаимодействия гравитационных и капиллярных сил. В случае же магнитной жидкости основное влияние на свободную поверхность в «ближней» зоне оказывают магнитные силы, и это влияние легко можно сделать определяющим. В этом случае магнитная жидкость проявляет поведение, радикально отличающееся от поведения обычной. А именно, (1) конфигурация поверхности жидкостного мостика на верхнем крае зазора не влияет на условия формирования динамического краевого угла, из которого вытягивается плёнка» и (2) в отличие от обычной, магнитная жидкость способна формировать жидкостный мостик в зазоре любой толщины.
Ещё один из ключевых результатов данной работы заключается в том, что разработанная модель – применительно к задаче ультразвуковой дефектоскопии – во-первых, даёт способ оценки главных параметров магнитоакустического контакта и основных характеристик магнитной жидкости для выбранного режима сканирования и, во-вторых, позволяет в пределах этого выбора минимизировать расход контактной жидкости.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ.
Источник: Минобрнауки России
