О проекте
Проект нацелен на проведение многомасштабного исследования свойств магнитоактивных полимерных композитов и на создание последовательного метода описания магнитомеханических процессов, происходящих как в объёме, так и на поверхности таких материалов. В рамках проекта рассматриваются как микро-, так и макро-процессы и эффекты, производится попытка описать цепочку базовых явлений, характеризующих современные «умные» полимерные материалы на различных пространственных масштабах.
Цель проекта состоит в углублении знаний и представлений о физической основе магнитореологического и магнитодеформационного эффектов, проявляющихся в МАЭ. Для достижения этой цели предлагается построить, последовательно уточнить и проанализировать цепочку моделей, соответствующих различным масштабам присутствующих в системе взаимодействий (механических и магнитных). В эту цепочку входят следующие модели: (1) модель двухчастичного взаимодействия с учётом анизотропии формы и магнитных свойств, (2) модель многочастичного взаимодействия с учётом возможной гибридности наполнителя, (3) описание структур, возникающих в образце при взаимодействии наполнителя с внешним полем, (4) континуальная модель свойств МАЭ и (5) реологические модели, описывающие поведение материала под нагрузкой и во внешнем поле. Активно используется компьютерное моделирование, а именно метод конечных элементов и методы оптимизации. Моделирование также подкрепляется и проверяется экспериментальными измерениями реологических свойств образцов, синтезируемых непосредственно исполнителями проекта.
Проделываемая в рамках проекта работа может помочь расширить область применения активных наполненных резин в целом и МАЭ в частности, а также углубить понимание уже существующих устройств на их основе, сформировать единую физическую картину, лежащей на стыке науки о полимерах и магнетизма.
О проделанной за первый год работе
Построена, протестирована и проанализирована численная модель репрезентативного элемента слоя магнитоактивного эластомера с анизотропными магнитожёсткими частицами в качестве наполнителя. Модель позволяет построить репрезентативный ансамбль ферромагнитных частиц в приповерхностном слое гиперупругой среды с заданными распределениями геометрических параметров, рассчитать отклик полимерной среды на движение частиц во внешнем магнитном поле и описать возникающий в результате этого движения на поверхности рельеф. Получены характеристики и картины поверхностного рельефа для различных диапазонов изменения геометрических параметров объектов системы.
Решалась конечноэлементная задача о взаимодействии двух ферромагнитных частиц различных форм и размеров в различных средах. Рассмотрено взаимодействие частиц в вакууме, линейных и нелинейных упругих средах. Проведено сравнение движения частиц в магнитном поле для различных моделей упругости, выявлена несостоятельность линейных упругих моделей для детального описания магнитомеханических явлений. Получены кривые гистерезиса для зависимости равновесного расстояния между ферромагнитными частицами в гиперупругой среде от внешнего магнитного поля.
На основе дивинилового каучука и карбонильного железа синтезированы образцы магнитоактивных эластомеров с матрицами различной жёсткости и различными массовыми концентрациями наполнителя. Проведены измерения их реологических характеристик в различных магнитных полях. Получен достаточно высокий отклик материала на приложение внешнего магнитного поля.
О проделанной по проекту работе
Работа над проектом была посвящена исследованию свойств и поведения магнитоактивных эластомеров. Коллективно взаимодействующие ферромагнитные частицы наполнителя и препятствующая их движению вязкоупругая полимерная матрица образуют согласованную систему, описание которой является затруднительной задачей. В рамках работы над проектом магнитоактивные эластомеры изучены с различных точек зрения и на различных пространственных масштабах как теоретически, так и экспериментально.
Рассмотрено парное взаимодействие магнитожёстких и магнитомягких ферромагнитных частиц в гиперупругой матрице с учётом намагничивания частицами друг друга. Показано, что при усреднении по относительному положению частиц имеется тенденция к образованию упорядоченных структур в объёме материала. Также рассмотрено распространение в вязкоупругой матрице вызываемого движением частицы наполнителя возмущения. Получено и численно решено дробно-дифференциальное уравнение движения вязкоупругой среды.
Построена модель приповерхностного слоя магнитоактивного эластомера с анизотропным наполнителем. Также построен аналитический вид функции, описывающей возникающую на поверхности слоя при включении магнитного поля деформацию. Рассчитаны репрезентативные профили поверхности при заданных распределениях частиц наполнителя по размерам и начальным положениям. Получены зависимости характеристик поверхностного рельефа от магнитного поля и геометрических параметров частиц. Продемонстрирована масштабируемость модели усреднённых относительных размеров и начальных положений частиц.
Изучено взаимодействие магнитоактивных эластомеров с создаваемым заданным источником магнитным полем при различных концентрациях наполнителя. Получены зависимости силы взаимодействия от расстояния между образцом и источником, а также от размеров образца.
С использованием дробной реологической модели описано динамическое поведение магнитоактивных эластомеров в магнитном поле. Численно и аналитически решено дробно-дифференциальное уравнение связи напряжения и деформации в материале. На примере полученного решения рассмотрен процесс установления механического гистерезиса в системе.
Синтезированы образцы магнитоактивных эластомеров на основе дивинилового каучука и полидиметилсилоксана с карбонильным железом в качестве наполнителя. За счёт использования при синтезе боковых цепей и варьирования состава материала были получены образцы, демонстрирующие рост динамических модулей в магнитном поле на два порядка.