Новые интеллектуальные материалы на основе полимеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Курсовая работа на тему

Новые интеллектуальные материалы на основе полимеров

Выполнил:

студент 2 курса 214группы

Костров Сергей Александрович

Научный руководитель:

Крамаренко Елена Юльевна

Кафедра физики полимеров и кристаллов

2016 год



Содержание

1. Введение

2. Литературный обзор

2.1 Полимеры

2.2 Магнитоактивные эластомеры

2.3 Магнитодеформационный и магнитострикционный эффект

2.4 Магнитореологический эффект

2.5 Магнитодиэлектрический эффект

2.6 Магниторезистивный эффект

2.7 Эффект Пэйна

3. Материал и метод исследования

3.1 Материал

3.2 Метод исследования

3.3 Экспериментальная установка

4.Изучение магнитореологического эффекта и явления гистерезиса

4.1 Начальные характеристики

4.2 Динамический модуль при увеличении/уменьшении магнитного поля

4.3 Амплитудная зависимость динамического модуля

5.Выводы

6.Список литературы

магниторезистивный эффект полимер эластомер



1. Введение

В настоящее время “умные” материалы являются предметом интенсивного изучения в связи с их возможными применениями в различных областях. Такие материалы находят широкое применение в биомедицине, в адаптивной оптике, в создании клапанов, уплотнителей, искусственных мышц, датчиков, а также в других областях [1-2].

Магнитные, магнитореологические (МР) или магнитоактивные эластомеры (МАЭ) являются одним из примеров “умных” полимерных материалов. МАЭ представляют собой композитный материал, состоящий из полимерной сетки и внедренного в нее магнитного наполнителя. Объединением полимеров с магнитными материалами можно получить композиты с исключительными магнитоактивными свойствами. Преимущества МАЭ включают в себя возможность удаленного, бесконтактного приведения в действие, высокие значения деформации и относительной деформации, а также быстрый отклик на внешнее воздействие. “Умные” материалы могут реагировать на приложение внешнего магнитного или электрического поля, изменение pH, температуры, при действии света. МАЭ реагируют на эти воздействия, изменяя собственные свойства: изменяют свои размеры, диэлектрическую или магнитную проницаемость, форму, оптические и механические свойства.

Целью данной работы является теоретическое изучение МАЭ, как примера “умного” материала, изучение свойств магнитных эластомеров, ознакомление с основами методов практической реологии, экспериментальное исследование образца МАЭ.



2. Литературный обзор

2.1 Полимеры

В настоящее время общее количество производимых полимерных материалов для различных технических применений уже превышает (по объему) количество выплавляемых черных и цветных материалов. В основе мира живой природы также важнейшую роль играют полимеры (например, ДНК или РНК). Таким образом, физика полимеров имеет огромное значение. Изучение физики полимеров не только очень важно, но и крайне интересно. Многие красивые эффекты, глубокие физические аналогии и ясный физический смысл сложных закономерностей подробно описаны в [3]. Выдающийся физико-химикП.Флори в 1974 г. был удостоен Нобелевской премии за свои работы по физике полимеров.

Полмеры - вещества, состоящие из длинных молекулярных полимерных цепей. Для того, чтобы молекула считалась полимером, число звеньев в цепи N должно значительно превышать единицу. Обычно N~10²-10⁴ .Для молекулы ДНК число звеньев может достигать и N~10¹⁰звеньев.

Одним из важнейших свойств полимеров является их гибкость. На рис.2.1.1 изображена пространственная структура малого участка цепи полиэтилена.

рис.2.1.1 Пространственная структура участка цепи полиэтилена в энергетически наиболее выгодной конформации.[3]



Очевидно, что атомы молекулы не закреплены абсолютно жестко. Под воздействием тех или иных причин (например, тепловых соударений) атомы могут отклоняться от положения равновесия. При этом отклонения от положения равновесия происходят за счет изменения валентных углов, но длины валентных связей остаются практически неизменными.Из-за этого в полимерах нарушается прямолинейная конформация (рис.2.1.2).

рис2.1.2 прямолинейная конформация полимерной цепи (а) и конформация запутанного клубка (б).[3]

Таким образом, гибкость свойственна для любой достаточно длинной цепочки. Но для разных полимеров реализуется разный механизм гибкости.

Наряду с простыми линейными полимерными цепями, изучаются также и разветвленные макромолекулы (рис.2.1.3).

рис2.1.3 Разветвленные макромолекулы: гребенки (а), звезды (б), макромолекулы со случайными разветвлениями(в), полимерная сетка(г).[3]



В полимерных сетках (рис.2.1.3(г)) цепи соединены между собой ковалентными связями (сшивками). Так как цепи соединены между собой сшивками, они не могут перемещаться на большие расстояния, но на масштабах меньших расстояния между соседними сшивками подвижность цепей не ограничена. Поэтому при растяжении образцы полимерной сетки могут существенно вытягиваться, обеспечивая значительные обратимые деформации. Такие вещества называют высокоэластичными.

2.2 Магнитоактивные эластомеры

Магнитоактивные эластомеры (МАЭ) - материалы, состоящие из магнитных частиц, помещенных в немагнитную полимерную сетку, которые способны быстро и обратимо реагировать на изменение внешнего магнитного поля.Объединением полимеров с магнитными материалами можно получить композиты с исключительными магнитоактивными свойствами. Преимущества МАЭ включают в себя возможность удаленного, бесконтактного приведения в действие, высокие значения деформации и относительной деформации, а также быстрый отклик на внешнее воздействие.

Вязкоупругие свойства МАЭ зависят от магнитного поля - это проявление магнитореологического эффекта. Так же материал обладает рядом других свойств: магнитострикционный эффект (деформация в однородном магнитном поле), магнитодеформационный эффект (деформация в неоднородном магнитном поле), эффект памяти формы,магниторезистивный эффект, магнитодиэлектрический эффект, эффект Пэйна. Под действием магнитного поля изменяются не только вязкоупругие свойства, но и магнитная и диэлектрическая проницаемости.

МАЭ различаются по типам магнитных частиц и магнитной матрицы. Частицы магнитного наполнителя могут быть как изотропными, так и анизотропными. Матрица может содержать несколько типов магнитных частиц. Также возможен выбор различной концентрации и размера частиц наполнителя. Все вышеперечисленное влияет на свойства МАЭ, поэтому важно подобрать оптимальные характеристики образца.

рис.2.2.1 зависимость максимальной деформации кручения от концентрации железного наполнителя (по массе).[2]

На рис.2.2.1 показано, как влияет изменение концентрации наполнителя на свойства МАЭ.

2.3 Магнитодеформационный и магнитострикционный эффект

Частицы магнитного наполнителя при приложении внешнего магнитного поля стремятся выстроиться в цепочку.Но упругая полимерная матрица препятствует этому, так что магнитные частицы могут только смещаться внутри полимерной матрицы. Такие смещения и приводят к изменению формы образца.

На рис.2.3.1 изображена структура анизотропного образца МАЭ. Упругие свойства композита объясняются наличием полимерной сетки в промежутках между частицами наполнителя. Как видно из рис.2.3.1 между частицами наполнителя вдоль направления цепей практически нет свободного пространства. Когда образец удлиняется вдоль этого направления, он демонстрирует высокую упругость, так как доступного для удлинения объема полимера мало.

рис.2.3.1 фотография структуры анизотропного образца магнитного эластомера.[4]

На рис.2.3.2 показано, что относительное удлинение анизотропного образца зависит от взаимной ориентации направления деформации и структуры частиц магнитного наполнителя внутри МАЭ. При перпендикулярной ориентации относительное удлинение более чем в 2 раза превышает удлинение образца при параллельной ориентации.

рис.2.3.2 зависимость удлинения образца от величины неоднородного магнитного поля.[4]



Под действием магнитного поля (однородного или неоднородного) МАЭ может удлиняться, сгибаться или скручиваться. Было обнаружено, что типичное время отклика меньше 0,1 секунды[5]. Разные типы деформации могут быть вызваны разным положением источника поля относительно образца[6].Этот эффект может быть продемонстрирован с помощью образца МАЭ и электромагнита (рис.2.3.3).

рис.2.3.3 Демонстрация магнитодеформационного эффекта: отсутствие поля (а), удлинение (б), сжатие (в), скручивание (г) и (д), суперпозиция деформаций (е).[6]

Например, помещение верхнего конца образца над магнитным полем электромагнита приводит к удлинению (рис.2.3.3(б)). С другой стороны, помещение образца между полюсами электромагнита приводит к сжатию образца (рис.2.3.3(в)). Скручивание образца наблюдается, когда образец помещен в стеклянную трубу, диаметр которой больше чем диаметр МАЭ (рис.2.3.3(г)-(д)). Суперпозиция деформаций наблюдается, когда диаметр трубки больше чем диаметр образца, но не достаточен для того, чтобы осуществить скручивание (рис.2.3.3(е)).



2.4 Магнитореологический эффект

В магнитном поле частицы магнитного наполнителя образуют цепи, направленные вдоль магнитного поля. Цепи из частиц образуют сетку магнитного наполнителя, которая значительно увеличивает модуль накопления материала. Одновременно с этим, увеличивается трение между частицами, что приводит к увеличению модуля потерь.

Для более мягких полимерных матриц структурирование частиц наполнителя приводит к большим изменениям реологических свойств образца. МАЭ с начальными динамическими модулями порядка 10кПа демонстрируют максимальное увеличение их в 100-500 раз. В работе [7] продемонстрированно увеличение динамического модуля более чем на 10⁶ % при начальном значении 100-2000 Па.

В работе [8] была измерена зависимость величины динамического модуля от силы тока для образца из силиконовой резины СИЭЛ с карбонильным железом в качестве наполнителя с концентрацией 64%. На рис.2.4.1 видно, что модуль накопления и модуль потерь увеличиваются более чем в 140 раз от своего первоначального значения.

рис 2.4.1 Зависимость модуля накопления (а) и модуля потерь (б) от силы тока.[8]



2.5 Магнитодиэлектрический эффект

В магнитном поле МАЭ демонстрируют так называемый магнитодиэлектрический эффект. Этот эффект заключается в изменении диэлектрической проницаемости образца при приложении внешнего магнитного поля.

Рассмотрим плоский конденсатор, между обкладками которого помещен МАЭ. В простейшем случае емкость такого конденсатора может быть оценена, как емкость конденсатора с помещенным в него металлическим параллелепипедом, причем объем этого параллелепипеда равен суммарному объему всех частиц наполнителя. c_vol=з³, где c_vol- объемная концентрация наполнителя. Тогда x=зa, y=зb, z=зc (рис.2.5.1).

рис.2.5.1 плоский конденсатор с помещенным внутри металлическим параллелепипедом и эквивалентная схема для конденсаторов.

Общая емкость конденсатораC_final может быть найдена как емкость двух параллельных конденсаторов.

C₁=е₀е

C₂=е₀е

Следовательно, общая емкость дается следующей формулой:

C_final=е₀е



Объем эквивалентного металлического параллелепипеда v=xyz остается неизменным, так как количество частиц наполнителя не может изменяться, однако параллелепипед может изменяться в размерах. Пусть приложено магнитное поле перпендикулярно обкладкам конденсатора. Тогда x' будет увеличиваться, в то время как y' и z' будут уменьшаться. В таком случае x'=вx ,гдев>1, следовательно, емкость конденсатора будет увеличиваться. Допустим, магнитное поле приложено параллельно плоскости конденсатора, например, вдоль ребра y. Тогда y'=вy,гдев>1 и x'=,значит, емкость будет уменьшаться.

В работе [9] был изучен магнитодиэлектрический эффект для образцов из силикона с наполнителем из железных частиц. Для изучения использовался плоский конденсатор. Пространство между пластинами было заполнено МАЭ. Из отношения емкости пустого конденсатора к емкости конденсатора с МАЭ можно вычислить диэлектрическую проницаемость последнего. Конденсатор с образцом помещался в магнитное поле величиной до 10 кЭ (796 А/м). Было обнаружено, что внешнее магнитное поле оказывает влияние на емкость конденсатора с образцом. Было обнаружено, что при перпендикулярной ориентации магнитного поля и плоскости конденсатора происходит увеличение диэлектрической проницаемости. В случае параллельной ориентации наблюдается незначительное уменьшение.

рис.2.5.2 Зависимость диэлектрической проницаемости от величины магнитного поля.[9]



2.6 Магниторезистивный эффект

Частицы магнитного наполнителя являются проводниками электричества. Так как МАЭ обладает эффектом структурирования частиц под воздействием внешнего магнитного поля, это приводит к изменению способности образца проводить ток. Под действием магнитного поля частицы магнитного наполнителя обретают магнитный момент и взаимодействуют друг с другом из-за диполь-дипольного притяжения. Это способствует выстраиванию частиц в цепочки и увеличению электропроводимости или уменьшению сопротивления. В то же время, механическое давление приводит к тому, что расстояние между частицами уменьшается,что также приводит к уменьшению сопротивления, что является проявлением пьезорезистивного эффекта. Электропроводящие свойства МАЭ под влиянием магнитного поля описаны в ряде работ BicaI. [10-14]. В работе [15]изучена зависимость удельного сопротивления образца МАЭ с карбонильным железом в качестве наполнителя.

рис2.6.1 Зависимость удельного сопротивления МАЭ от величины магнитного поля.[15]

На рис.2.6.1 продемонстрировано, что величина удельного сопротивления МАЭ в магнитном поле претерпевает значительное изменение: более чем на 4 порядка. Также стоит отметить наличие значительного гистерезиса.

2.7 Эффект Пэйна

В наполненных эластомерах частицы наполнителя собираются вместе и образуют собственные сетки и кластеры. Формирование таких агломераций - типичный процесс «заклинивания», то есть эти агломерации приводят к уменьшению подвижности частиц внутри эластомера. Эффект амплитудной зависимости механико-динамических свойств наполненных эластомеров был впервые исследован Пэйном в 1960г. Он интерпретировал уменьшение модуля накопления от его начального значения (при нулевой амплитуде) G₀' до высокоамплитудного плато G_?' следующим образом: при высоких амплитудах деформации физические (Ван-дер-Ваальсовы) связи между частицами наполнителя, которые образуют прочный каркас внутри эластомера, разрушаются, и вклад в динамический модуль вносят только полимер-полимерные связи,взаимодействия типа полимер-наполнитель и гидродинамические эффекты наполнителя.

На рис.2.7.1 проиллюстрирован эффект Пэйна. В недеформированном образце основной вклад в упругую запасенную энергию вносят изгибно-крутильные деформации связей между частицами наполнителя. При некоторой амплитуде начинается разрушение сетки наполнителя и монотонное уменьшение модуля накопления. При еще более высокой сдвиговой амплитуде сетка, образованная частицами наполнителя внутри эластомера, полностью разрушается, и модуль накопления образца определяется уже только упругостью самого полимера. Подробно эта модель описана в работе [16].



рис.2.7.1 зависимость модуля накопления от амплитуды деформации.[17]

Если использовать в качестве наполнителя магнитные частицы, как в МАЭ, то в магнитном поле эффект Пэйна проявляется более ярко и может усиливаться более чем на порядок. Более подробно эффект Пэйна для МАЭ рассмотрен в работе [18]



3. Материал и метод исследования

3.1 Материал

В качестве материала были синтезированы магнитоактивные эластомеры наоснове силиконовой резины СИЭЛ. Силиконовый компаунд СИЭЛ и все образцы МАЭ былисинтезированы в ГНИИХТЭОС. Компаунд состоит из двух компонент. Компонент А:низкомолекулярный винилсодержащий полимер и гидридсодержащий сшивающийагент:

(CH₂=CH)₃SiO--[(CH₃)₂SiO]_y--Si(CH=CH₂)₃

₊

(CH3)₃SiO--{[(CH₃)₂SiO]_a--[CH₃(H)SiO]_b}_x--Si(CH₃)₃

Компонент Б: низкомолекулярный винилсодержащий полимер и платиновый катализатор:

(CH₂=CH)₃SiO--[(CH₃)₂SiO]_y--Si(CH=CH₂)₃

+

Pt--катализатор

Полимеризация производится при повышенной температуре, механизм реакции:

~Si--CH=CH₂ + HSi~ ? ~Si--CH₂-CH₂--Si~

Подробно приготовление МАЭ на основе компаунда СИЭЛ описано в работах [19-23].Главное преимущество компаунда СИЭЛ заключается в возможности изменять механические свойства эластомеров на его основе в широких пределах. В частности, модуль Юнга может варьироваться в диапазоне 0.1-600 кПа, предел прочности наразрыв 0.1-4 МПа, удлинение при разрыве 100-500 %. Кроме того, компаунд не имеетпобочных продуктов при вулканизации в закрытом объеме, а также возможноконтролировать процесс вулканизации в координатах «температура--время».Полученные силиконовые матрицы имеют широкий диапазон рабочих температур:-40--150 ?.

Исследуемый образец имеет форму цилиндра с диаметром ~20мм и высотой 0,54мм. Магнитным наполнителем является карбонильное железо. Концентрация наполнителя 75%. Размер частиц 2-3 мкм.

3.2 Метод исследования

Пусть к твердому телу приложена внешняя сила F. Пусть сила приложена к верхней грани по касательной к плоскости тела, а нижняя грань покоится (рис.3.2.1). Тогда это тело будет деформироваться по закону:

ф=G=Gtgб=Gг

Где ф = - напряжение сдвига, G - модуль Юнга, г= - относительная деформация, h - высота твердого тела, Дh - абсолютная деформация тела.

рис.3.2.1 Деформация твердого тела.



В данной работе использовался реометрс измерительной системой типа плоскость-плоскость. Такие системы выбирают вместо систем конус-плоскость в том случае, когда образцы, подлежащие реологическим измерениям, содержат крупные частицы наполнителя. Верхняя пластина вращается двигателемсзаданной программой скоростью, в то время как нижняя пластина неподвижна. При заданной амплитуде деформации измеряется напряжение сдвига и соответствующие упругие модули. Подробно измерительная система плоскость-плоскость описана в [24].Также перпендикулярно к плоскости сдвига может быть приложено регулируемое магнитное поле B.

рис.3.2.2измерительная система плоскость-плоскость.

В динамическом режиме образец подвергается крутильным колебаниям, где амплитуда сдвиговой деформации изменяется по гармоническому закону:

г= г₀sin(щt)

Частоту и амплитуду деформации можно изменять в широких пределах. В данном режиме измеряется нормальная сила F_N и момент силы, действующий на измерительную головку со стороны образца. Далее рассчитывается касательное напряжение ф, возникающее в образце:



ф=ф₀sin(щt+д)

рис.3.2.3зависимость напряжения сдвига и сдвиговой деформации от времени.

ф=ф₀sin(щt+д)=ф₀[sin(щt)cos(д)+ sin(д)cos(щt)]

Последнее соотношение можно представить в виде:

ф=г₀G'sin(щt)+г₀G''cos(щt)

ГдеG'=(ф₀/г₀)cos(д) - модульнакопления , G''= (ф₀/г₀)sin(д) - модульпотерь

По определению, динамический модуль находится отношением касательного напряжения к величине деформации. Можно выделить 2 компоненты динамического модуля:

G^*==G'+iG''



рис.3.2.4 представление динамического модуля через G' и G'' на комплексной плоскости.[24]

Модуль накопления соответствует изменению потенциальной энергии при периодических деформациях ихарактеризует упругий отклик материала. Модуль потерь связан с энергией, переходящей в теплоту при колебаниях и характеризует вязкий отклик материала.

Из данных соотношений определяют тангенс угла механических потерь (или коэффициент потерь), как отношение модуля вязкости к модулю упругости.

tg(д)=

В частности, для чисто упругого материаласдвиг фазд=0?

G'=G^*, G''=0

Аналогично для чисто вязкого материала сдвиг фазд=90?

G'=0, G''=G^*



Так же можно представить и вязкость как сумму двух компонент.

з^*=з'+з''= = (ф₀/г₀)

Где з'' - мнимаявязкость(упругая составляющая),з' - динамическая вязкость (вязкая составляющая).

з' = = (ф₀/г₀)sin(д)

з'' = = (ф₀/г₀)cos(д)

3.3 Экспериментальная установка

Реологические измерения были произведены при помощи реометра AntonPaarPhysicа MCR 301, с измерительной системой «плоскость--плоскость» и магнитной ячейкой MRD 170/1 T. Реологические измерительные системы с геометрией “плоскость - плоскость” имеют следующие международные стандарты ISO 6721-10, DIN 53019-1.

Измерения реологических свойств были выполнены в режиме динамических вынужденных крутильных колебаний с контролируемой нагрузкой (крутящим моментом), изменяющейся по гармоническому закону. Образцы помещались между неподвижной нижней плоскостью и верхней плоскостью, соединенной с ротором. В измерениях амплитуда колебаний варьировалась. Для всех образцов были получены зависимости модуля накопления G', модуля потерь G'', коэффициента потерь tg(д), нормальной силы F_N от амплитуды колебаний г, а также от магнитного поля B (силы тока I). Максимальная амплитуда деформации была ограничена 100%, чтобы устранить возможное проскальзывание между измерительной ячейкой и поверхностями образцов.



4. Изучение магнитореологического эффекта и явления гистерезиса

В данной части работы было уделено внимание изучению влияния магнитного поля и амплитуды деформации при максимальном магнитном поле на реологические свойства образца.

4.1 Начальные характеристики

В начале работыисследовались характеристики образца в отсутствие магнитного поля при постоянной температуре и амплитуде деформации. Измерения проходили при постоянной амплитуде колебаний г₀=0.01% .Частота колебаний f=1,6 Гц и температура T?21?C оставалась неизменными на протяжении всего эксперимента. Каждое измерение проводилось через 20 секунд вслед за другим. Всего было проведено 40 измерений.

Все характеристики образца колебались около среднего значения с незначительными отклонениями. Характеристики образца представлены в таблице 4.1.1

Модуль накопления G' ,кПа	Модуль потерь G'',кПа	Коэффициент потерь tg(д)
39,56±0,03	3,620±0,012	0,0915±0,0003

табл.4.1.1 начальные характеристики образца.

4.2 Динамический модуль при увеличении/уменьшении магнитного поля

Магнитореологические свойства были измерены при постоянной амплитуде колебаний г=0,01% . Магнитное поле сначала монотонно увеличивалось до максимального значения - сила тока линейно возрастала от 0 до 5 А с шагом в 0,2 А.При достижении максимального значения I = 5 А сила тока уменьшалась от 5 до 0 А с тем же шагом -- магнитное поле уменьшалось. Длительность измерения одной точки равняется 20 с, время измерения цикла ~18 мин.

На рисунках 4.2.1 , 4.2.2 и 4.2.3 представлены зависимости модулей накопления и потерь (G' и G'' соответственно), коэффициента потерь tg(д) и нормальной силы F_Nот магнитного поля (силы тока) как при увеличении, так и при уменьшении.

рис 4.2.1 зависимость модуля накопления (а) и модуля потерь (б) от силы тока.

При увеличении магнитного поля происходит незначительное увеличение динамического модуля. Модуль накопления увеличивается от минимального значения 39 кПа до 107 кПа или в 2,8 раз. Модуль потерь увеличивается от минимального значения 3,6 кПа до 12,3 кПа или в3,4 раза. Также стоит отметить наличие гистерезиса, что позволяет сделать вывод о том, что магнитные частицы под воздействием магнитного поля выстраиваются в прочную сетку, которая ослабевает только при уменьшении магнитного поля.

рис 4.2.2 зависимость коэффициента потерь от силы тока.

При увеличении магнитного поля коэффициент потерь увеличивается от минимального значения 0,09 до максимального 0,12 ,так как модуль потерь растет быстрее, чем модуль накопления.

рис 4.2.3 зависимость нормальной силы от силы тока.

Нормальная сила с ростом магнитного поля несущественно увеличивается от 0,7 Н до 1,08 Н. Это связано с тем, что образец стремится увеличить свои размеры в направлении магнитного поля. При уменьшении поля нормальная сила практически возвращается к своему начальному значению.

4.3 Амплитудная зависимость динамического модуля

В данной части работы были изучены свойства МАЭ в максимальном магнитном поле при I=5А. Амплитуда деформации изменялась от значения г=0,001% до г=100% . Было проведено 3 серии измерений.

На рисунках 4.3.1 , 4.3.2 и 4.3.3 представлены зависимости динамического модуля, коэффициента потерь и нормальной силы от амплитуды деформации

рис 4.3.1 зависимости модуля потерь(а) и модуля накопления(б) от амплитуды деформации.

Модуль накопления в магнитном поле монотонно уменьшается от 145 кПа до 13,8 кПа или в 10.5 раз, что является проявлением эффекта Пэйна и хорошо согласуется с теорией, описанной в [16]. При значении амплитуды деформации г?40% модуль потерь также начинает уменьшаться. Скорее всего, при таком значении амплитуды разрушается сетка, образованная частицами наполнителя. В данном случае уменьшение модуля потерь не превышает 100% от первоначального значения.

рис 4.3.2 зависимость коэффициента потерь от амплитуды деформации.

При увеличении амплитуды колебаний происходит рост коэффициента потерь более чем в 30 раз. Резкий скачок начинается при значении г?5%. При больших амплитудах г>60% коэффициент потерь превышает единицу. То есть модуль потерь становится больше чем модуль накопления, что свойственно жидкостям.

рис 4.3.3 зависимость нормальной силы от амплитуды деформации.



Величина нормальной силы растет с увеличением амплитуды деформации. Причем резкий рост начинается со значения г?5% ,что говорит об изменении структуры МАЭ при амплитуде больше некоторого критического значения. Также стоит отметить, что при последующих измерениях в образце остается некоторая остаточная нагрузка. То есть для возвращения образца в исходное состояние должно пройти какое-то время релаксации.



5. Выводы

В результате выполнения курсовой работы был проведен литературный обзор по магнитоактивным эластомерам. Были изучены следующие явления: эффект Пэйна магнитодеформационный эффект, магнитореологический эффект, магниторезистивный эффект, магнитодиэлектрический эффект. Были изучены основы методов практической реологии. Были экспериментально исследованы свойства образца МАЭ. Экспериментально наблюдались описанные ранее механические эффекты, свойственные МАЭ.



6.Список литературы:

1.Thйvenot J. et al. Magnetic responsive polymer composite materials //Chemical Society Reviews. - 2013. - Т. 42. - №. 17. - С. 7099-7116.

2.Nguyen V. Q., Ahmed A. S., Ramanujan R. V. Morphing soft magnetic composites //Advanced Materials. - 2012. - Т. 24. - №. 30. - С. 4041-4054.

3.Гросберг А. Ю., Хохлов А. Р. Физика в мире полимеров. - Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит.,1989.

4.Stepanov G. V., Kramarenko E. Y., Semerenko D. A. Magnetodeformational effect of the magnetoactive elastomer and its possible applications //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2013. - Т. 412. - №. 1. - С. 012031.

5.Zrнnyi M., Szabу D. Muscular contraction mimiced by magnetic gels //International Journal of Modern Physics B. - 2001. - Т. 15. - №. 06n07. - С. 557-563.

6.Mezger, T., Das RheologieHandbuch: FьrAnwender von Rotations- und oszillations-rheometern - 2nd edition. 2007: Vincentz Network GmbH & Company KG.

7.Stoll A. et al. Evaluation of highly compliant magneto?active elastomers with colossal magnetorheological response //Journal of Applied Polymer Science. - 2014. - Т. 131. - №. 2.

8.Sorokin V. V. et al. Hysteresis of the viscoelastic properties and the normal force in magnetically and mechanically soft magnetoactive elastomers: Effects of filler composition, strain amplitude and magnetic field //Polymer. - 2015. - Т. 76. - С. 191-202.

9.Semisalova A. S. et al. Strong magnetodielectric effects in magnetorheological elastomers //Soft Matter. - 2013. - Т. 9. - №. 47. - С. 11318-11324

10.Bica, I.: The influence of hydrostatic pressure and transverse magnetic field on the electric conductivity of the magnetorheological elastomers. J. Ind. Eng. Chem. 18(1), 483-486 (2012)

11.Bica, I.: Magnetoresistor sensor with magnetorheological elastomers. J. Ind. Eng. Chem. 17(1), 83-89 (2011)

12.Bica, I.: Influence of the magnetic field on the electric conductivity of magnetorheological elastomers. J. Ind. Eng. Chem. 16(3), 359-363 (2010)

13.Bica, I.: Compressibility modulus and principal deformations in magneto-rheological elastomer. The effect of the magnetic field. J. Ind. Eng. Chem. 15(6), 773-776 (2009)

14.Bica, I.: Magnetorheological elastomer-based quadrupolar element of electric circuits. Mater. Sci. Eng. B, Adv. Funct. Solid-StateMater. 166(1), 94-98 (2010)

15.Stepanov G. V. et al. Magnetoresistive effect in magnetoactive elastomers //Journal of superconductivity and novel magnetism. - 2013. - Т. 26. - №. 4. - С. 1055-1059.

16.Richter S. et al. Jamming in filled polymer systems //Macromolecular symposia. - WILEY-VCH Verlag, 2010. - Т. 291. - №. 1. - С. 193-201.

17.Heinrich G. et al. Structural kinetics in filled elastomers and PE/LDH composites //KGK-KautschukGummiKunststoffe. - 2005. - Т. 58. - №. 4. - С. 163-167.

18.Сорокин В.В.,Дипломная работа на тему: экспериментальное исследование вязкоупругих свойств магнитоактивных эластомеров: влияние состава и структуры, амплитуды деформации и величины внешнего магнитного поля

19.Abramchuk, S.S., D.A. Grishin, E.Y. Kramarenko, G.V. Stepanov, and A.R. Khokhlov, Effect of a homogeneous magnetic field on the mechanical behavior of soft magnetic elastomers under compression. Polymer Science Series A, 2006. 48(2): p. 138-145.

20.Stepanov, G.V., S.S. Abramchuk, D.A. Grishin, L.V. Nikitin, E.Y. Kramarenko, and A.R. Khokhlov, Effect of a homogeneous magnetic field on the viscoelastic behavior of magnetic elastomers. Polymer, 2007. 48(2): p. 488-495.

21.Abramchuk, S., E. Kramarenko, D. Grishin, G. Stepanov, L.V. Nikitin, G. Filipcsei, A.R. Khokhlov, and M. Zrнnyi, Novel highly elastic magnetic materials for dampers and seals: part II. Material behavior in a magnetic field. Polymers for Advanced Technologies, 2007. 18(7): p. 513-518.

22.Abramchuk, S., E. Kramarenko, G. Stepanov, L.V. Nikitin, G. Filipcsei, A.R. Khokhlov, and M. Zrнnyi, Novel highly elastic magnetic materials for dampers and seals: Part I. Preparation and characterization of the elastic materials. Polymers for Advanced Technologies, 2007. 18(11): p. 883-890.

23.Alekseeva, E.I., S.R. Nanush'yan, I.Y. Ruskol, and E.V. Sokolyuk, Silicone compounds and sealants and their application in various branches of industry. Polymer ScienceSeries D, 2010. 3(4): p. 244-248.

24.Шрамм Г. - Основы практической реологии и реометрии. Москва “Колосс” 2003г.

Размещено на Allbest.ru

...