CC BY
39
ной скорости u/Ao> как функцию безразмерного времени Ш на отрезке 2п нанести прямые с наклоном
fg
8 = ± , коррелируя с наклоном в плоскости м/Аю-rat, получим:
A®2
A ff
V =---F (8, y,v) (22)
2п
Для расчета скорости по (22) продольного перемещения частицы бигармонической волной необходимо, чтобы сила ее инерции превзошла силу трения за счет критического ускорения
8 = —g— (± f cosa- sin a) (23)
A®2
При наклоне системы a эффективность зависит только от коэффициента трения f:
a0 = 16,2 f + 0,6 (24)
Результаты исследований приведены в таблице.
Таблица
Волновая асимметрия продольных бигармонических колебаний
Параметр Диапазон регулирования
Коэффициент трения система - частица / 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8
Амплитуда колебаний А 0.4 - 4.0 mm
Сдвиг фаз двух гармоник ф 0 - 2п radians
Частота колебаний V (ю = 2пу ) 25 - 100 Hz
Отношение амплитуд колебаний у 0.1 - 2.0
Продольный угол наклона системы а 0; 4; 6; 8; 10; 12; 16 ° ( a set of a for ß°=0)
Угол колебаний в 0 - 50° ( ряд 0 - 30° )
Выводы
В соответствии с концепциями гармонических и негармонических асимметричных колебаний динамической системы предложен ряд формул скорости, на основе которых возможно определение качественно-количественных показателей разделительного процесса, так как перемещение массы частиц приобретает определенную закономерность. Каждая из формул отражает суть отдельных явлений сложного процесса и базируется на соответствующих гипотезах. Сравнение формул показывает, что по структуре они аналогичны, хотя в основу их положены различные предпосылки, следовательно, разносторонний подход к оценке процесса приводит к правильности выбора метода познания закономерностей и к аргументированным выводам: выполненная теоретическая работа в области использования волновой асимметрии показывает перспективность применения обоих методов в современных технологиях и в различных отраслях промышленности.
Литература
1. Анахин В.Д. Мониторинг динамических систем с трением и асимметрией колебаний // Вестник Бурятского госуниверситета. - 2013. - № 3. - С. 130-132.
2. Анахин В.Д. Графоаналитический метод моделирования динамики систем с асимметричными колебаниями // Вестник Бурятского госуниверситета. - 2012. - Спецвыпуск В. - С. 223-229.
Анахин Владимир Дмитриевич, доктор технических наук, профессор кафедры машиноведения Бурятского государственного университета, е-mail: anakhin@mail.ru
Anakhin Vladimir Dmitrievich, doctor of technical science, professor, department of engineering mechanics, Buryat State University, e-mail: anakhin@mail.ru
УДК: 537.9, 536.425 © Л.А. Щербаченко, А.Б. Танаев, Ш.Б. Цыдыпов,
Я.В. Безрукова, М.Ю. Бузунова, С.С. Барышников
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДИСПЕРСИЯ В МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СИСТЕМАХ
Методами диэлькометрии изучено влияние гранулометрического состава, влажности, температурного воздействия, постоянного электрического поля на значения действительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь ультратонких слюд промышленного месторождения Восточной Сибири в области низких частот. Представлены экспериментальные данные, которые показывают, что водные пленки способны значительно изменять электрофизические свойства диспергированных слюд. Изучение образцов мелкодисперсионной флогопитовой слюды позволило обнаружить эффект зависимости диэлектрической проницаемости от гранулометрического состава частиц слюды.
Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, адсорбция, диэлькометрия, слюда, дисперсия, уголь.
L.A. Sherbachenko, A.B. Tanaev, Sh.B. Tsydypov, Ya.V. Bezrukova, M.Yu. Buzunova, D.S. Baryshnikov
DIELECTRIC DISPERSION IN THE MECHANICALLY ACTIVATED FINE-DISPERSED
HETEROGENEOUS SYSTEMS
With the help of the dielectric sensing methods we researched the influence of granulometric composition, moisture, temperature, constant electric field on the actual value of dielectric permittivity and loss-angle tangent for ultra-thin micas of industrial deposits of coal in Eastern Siberia in the area of low frequencies. Experimental data that show capability of the water films to significantly change electrophysical properties of dispersed micas are presented. The study of the fine-dispersed phlogopite micas samples allowed detecting the effect of the dielectric permeability dependence on the granulometric composition of micas particles.
Keywords: dielectric permeability, adsorption, dielectric sensing, mica, dispersion, coal.
Методами диэлькометрии изучено влияние гранулометрического состава, влажности, температурного воздействия, постоянного электрического поля на значения действительной диэлектрической проницаемости е' и тангенса угла потерь tgd частей ультратонких слюд промышленного месторождения Восточной Сибири в области низких частот внешнего измерительного поля. Показано, что гидратация ультратонкой флогопитовой слюды ведет к резкому росту диэлектрической проницаемости до 10-105 единиц. Анализ качественного состояния слюдяного сырья, полученного при измельчении в различный аппаратах, изучение структурных и текстурных свойств диспергированной слюды имеют большое значение, так как слюда является качественной электрической изоляцией, отличается высокой термостойкостью и надежностью, а также исходным сырьем для производства слюдопластов и оказывает наибольшее влияние на их выходные параметры. Электрофизические характеристики границы раздела слюда - жидкая фаза играют важную роль в процессах поляризации и электропереноса. При диспергировании мельчайшие частицы слюды имеют на поверхности электрические нескомпенсиро-ванные заряды, образующиеся в процессе механоактивации. Их поверхность становится адсорбционно активна особенно к полярным молекулам воды, которые образуют водные пленки вокруг минеральной частицы. Адсорбция молекул воды сопровождается изменением проводимости и поляризации образцов. Диспергированные слюды при комнатных температурах насыщены водой, концентрация которой растет как с уменьшением размеров частиц благодаря увеличению удельной активной поверхности, так и увеличением времени выдержки образцов во влажном воздухе.
Представлены результаты экспериментальных исследований электрических характеристик ультратонких слюд на примере слюды Слюдянского месторождения.
Исследование электрофизических свойств диспергированных слюд обоснованно стремлением улучшить качество электрической изоляции и связано с изучением взаимодействия электрически активной поверхности кристаллов слюды и полярных молекул воды. Диэлектрический метод исследования структуры и межмолекулярных взаимодействий основан на изучении процессов поляризации веществ под действием внешнего электрического поля [1, 2].
Проведено изучение значения действительной диэлектрической проницаемости е' и тангенса угла потерь tg5 образцов мелкоразмерного флогопита в зависимости от гранулометрического состава, влажности, температурного воздействия и влияния постоянного электрического поля [1, 2]. Экспериментальные данные показывают, что водные пленки способны изменять электрофизические свойства диспергированных слюд. Исследование образцов мелкодисперсной флогопитовой слюды позволило обнаружить эффект зависимости диэлектрической проницаемости от гранулометрического состава частиц слюды.
На рис. 1 представлены графики частотной зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь для трех значений крупности частиц мелкоразмерного флогопита молоткового помола, преобладающая крупность которого составляет 40-65 мкм, шарового помола с преобладающей крупностью 2045 мкм и более мелкого струйного измельчения с преобладающей крупностью 5-20 мкм. Экспериментально установлено, что гидратация диспергированных слюд приводит к изменениям их диэлектрических свойств. Образцы мелкодисперсной слюды различного измельчения имеют максимумы в частотной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg(5)=f(v). Обнаружено смещение максимума tg(5) в сторону более высоких частот для образцов, состоящих из частиц меньшего размера. Мелкие частицы характеризуются большей электрической активностью и способны адсорбировать водные пленки большей толщины по сравнению с более крупными образцами 1 и 2, что приводит к уменьшению их сопротивления и времени релаксации и максимум tg(5) перемещается в область высоких частот [3]. Диэлектрическая проницаемость мелкоразмерного флогопита, полученного струйным помолом на частоте 100 Гц, составляет 89 единиц, что в среднем в два раза больше, чем для частиц молоткового измельчения. Этот факт свидетельствует о значительной электрической активности поверхности частиц слюды струйного помола за счет их большей удельной поверхности. Изучение образцов мелкодисперсной флогопитовой слюды позволило обнаружить эффект зависимости диэлектрической проницаемости от грануломитрического состава частиц.
Рис. 1. Частотная зависимость диэлектрической проницаемости (е - сплошная линия) и тангенса угла диэлектрических потерь - штриховая линия) мелкоразмерного флогопита в зависимости от вида помола. 1-1'- молотковый помол, 2-2'- шаровый помол, 3-3' - струйный помол
Адсорбированный слой воды на электрически активной поверхности частиц слюды представляет собой ориентированные диполи молекул воды, имеет ярко выраженную пространственную анизотропию. При длительном увлажнении идет процесс последовательного наслаивания молекул воды друг на друга и образования нескольких мономолекулярных слоев, состоящих из ориентированных диполей. Некоторые водные пленки могут быть настолько толстыми, что вода, формирующая их внешние слои, находится почти в свободном состоянии (объемная вода) [4]. В пленках воды, находящихся в равновесном состоянии, положительные и отрицательные ионы распределены равномерно и не создают результирующего макроскопического электрического поля.
Под действием внешнего электрического поля эти заряды перераспределяются, образуя макродиполи, поляризация которых приводит к аномально большому значению диэлектрической проницаемости в широком спектре частот. Поляризация макродиполя по сравнению с дебаевской является медленным процессом. Пленки воды, обволакивающие минеральные частицы, способны объединиться в протяженные поверхностные кластеры.
Так как диспергированные слюды являются сложной неуравновешенной системой, то на межфазной границе адсорбированных водных слоев и активной поверхности частиц слюды происходит накопление свободных зарядов под действием электрического поля поверхности частиц, приводящих к межслоевой поляризации, что приводит к появлению значительной абсорбционной емкости образцов. При суточном увлажнении образцов мелкодисперсного флогопита с преобладанием фракций 2-10 мкм их абсорбционная емкость достигает 105 пФ и аномально большим, до ~ 104-105 единиц, значением абсорбционной диэлектрической проницаемости. Гидра-тированные образцы, особенно в первые 3-4 ч, активно отдают "лишнюю воду", при этом происходит уменьшение действительной части диэлектрической проницаемости е'. Абсорбционная электрическая емкость и диэлектрическая проницаемость образцов диспергированного флогопита струйного помола уменьшаются незначительно, сохраняя большие значение е' в течение 10-12 дней.
Для изучения влияния гидратации на электрические свойства диспергированного флогопита образцы подвергались нагреванию до 550 К сразу после прогрева, через сутки и четверо суток после этого проводились измерения частотной зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь исследуемых образцов. Результат представлен на графике рис. 2.
Рис. 2. Изменение диэлектрической проницаемости е (сплошная линия) и тангенса угла диэлектрических потерь tgS (пунктирная линия) мелкоразмерного флогопита после прогрева: 1 - 1' - прогрев при 550 К; 2 - 2' - через сутки после прогрева; 3 - 3' - через четверо суток после прогрева; 4 - 4' - исходный образец
Экспериментально выявлено, что максимум тангенса угла диэлектрических потерь с течением времени смещается в область высоких частот, что свидетельствует об увеличении толщины абсорбционных пленок воды на электрически активных минеральных частицах. По той же причине сразу после нагревания тангенс угла диэлектрических потерь в максимуме на частоте 80 Гц составляет tgö=l,5, а через четверо суток tgö ъ 3,4 на частоте 1000 Гц. Экспериментально выяснено, что с течением времени потери энергии в прогретом образце увеличились более чем в два раза.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:
• Выяснено, что мелкоразмерные слюды проявляют неоднородные физические свойства, зависящие от электрической активности частиц угля. Величина удельной поверхности частиц изучаемой мелкодисперсной системы является мерой влияния размерных эффектов на электрофизические свойства механоактивировааых исследуемых образцов, позволяя изучать их электрофизические свойства.
• Гидратация образцов мелкоразмерной слюды струйного помола способствует значительному увеличению адсорбционной емкости и диэлектрической проницаемости, способной увеличиться до е' ~104 единиц.
• Выявлено, что наиболее электрически активные образцы механоактивированных мелкодисперсных природных углей способны изменять свойства свободной воды и структурировать молекулы воды вблизи активной твердой поверхности.
Литература
1. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энергоиздат, 1982. - 320 с.
2. Гороховатский Ю.А., Бордовский Г.А. Термоактивационная токовая спектроскопия высокоомных полупроводников и диэлектриков. - М.: Наука, 1991. - 248 с.
3. Сканави Г.И. Физика диэлектриков. - М.: Технико-теоритическая литература, 1949. - 500 с.
4. Анализ структурного взаимодействия электрически активных гетерогенных мелкодисперсных систем на границах раздела твердой и жидкой фаз / Щербаченко Л.А. и др. // ФТТ. - 2011. - Т. 53, № 7. - С. 1417-1422.
Щербаченко Лия Авенировна, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой общей физики, Иркутский госуниверситет, e-mail: irk.sherbachenko@mail.ru
Танаев Андрей Борисович, кандидат физико-математических наук, зам. директора научно-исследовательского института прикладной физики Иркутского госуниверситета, e-mail: tanaev.ab@yandex.ru
Цыдыпов Шулун Балдоржиевич, доктор технических наук, зав. кафедрой общей физики, Бурятский госуниверситет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, e-mail: shulun@/bsu.ru
Безрукова Яна Владимировна, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра общей физики, Иркутский госуниверситет, e-mail: yana.bezrukova@mail.ru
Бузунова Марина Юрьевна, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра общей физики, Иркутский госуниверситет, e-mail: buzunova@mail.ru
Барышников Дмитрий Сергеевич, студент, физический факультет, Иркутский госуниверситет, e-mail: Barishnikov.d@mail.ru
Shcherbachenko Leya Avenirovna, doctor of technical sciences, professor, head of Department of General Physics, Irkutsk State University, e-mail: irk.sherbachenko@mail.ru
Tanaev Andrey Borisovich, candidate of physical-mathematical sciences, Deputy Director of Applied Physics Institute of Irkutsk State University, e-mail: tanaev.ab@yandex.ru
Tsydypov Shulun Baldorzhievich, doctor of technical sciences, head of Department of General Physics, Buryat State University, e-mail: shulun@bsu.ru
Bezrukova Yana Vladimirovna, candidate of physical-mathematical science, associate professor, Department of General Physics, candidate of physical-mathematical sciences, Irkutsk State University, e-mail: yana.bezrukova@mail.ru
Buzunova Marina Yurievna, candidate of physical-mathematical sciences, associate professor, Department. of General Physics, Irkutsk State University, e-mail: buzunova@mail.ru
Baryshnikov Dmitry Sergeevich, student, physics faculty, Irkutsk State University, e-mail: Barishnikov.ss@mail.ru
