Силовое взаимодействие намагничивающихся частиц, помещённых в эластомер

Автор: Биллер Анастасия Михайловна, Столбов Олег Валерьевич, Райхер Юрий Львович

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 1 т.7, 2014 года.

Бесплатный доступ

Описан точный магнитостатический расчёт силы, действующей между двумя частицами изотропного ферромагнетика, находящимися в постоянном однородном внешнем поле. Показано, что при близком расположении частиц (доли радиуса) магнитная сила значительно отличается от предсказаний модели точечных магнитных моментов. Кроме этого, заметно расширяется интервал углов между направлением поля и межцентровым вектором частиц, соответствующий притяжению. Последнее означает, что в плотной системе неоднородно поляризованных (намагниченных) частиц притяжение является доминирующим типом взаимодействия. Полученные соотношения использованы для оценки равновесных состояний, которые принимает пара частиц, находящихся в упругом массиве. В некоторых условиях при конкуренции магнитных и упругих сил конфигурация пары оказывается бистабильной. Такое поведение может существенно отражаться на изменении макроскопических свойств мягких магнитных эластомеров.

Еще

Магнитоэластомерные композиты, магнитостатические силы, анизотропное взаимодействие, бистабильность

Короткий адрес: https://sciup.org/14320709

IDR: 14320709   |   УДК: 620.173:538.112:539.3   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.1.7

The forces between magnetizable particles embedded in an elastomer

The magnetostatic forces between two spherical particles made of an isotropic linearly polarizable magnetic substance and subjected to a uniform external field are studied. Under these conditions, the magnetization distribution within a given particle depends on the position and magnetization of the neighboring one. The solution for the magnetic energy of the pair has the form of power series with respect to the ratio of the particle radius to the particle center-to-center distance. The coefficients of this series are found numerically taking in about hundred terms. Evaluation of the interparticle forces, which requires differentiation of the energy over coordinates, is facilitated by proposing an approximate formula for , which enables one to avoid the laborious numeric procedure. In such a way, the distribution of interparticle forces is obtained and compared to that provided by the point magnetic moment model. It is shown that at close neighboring of the particles, the magnetic force differs substantially from that predicted by the dipole model. When analyzing the sign of the force, it is found that the angular interval between the field and the particle center-to-center vector, which corresponds to repulsion, is much more narrow than that for point dipoles. This means that in a system of magnetizable particles attraction is the dominating type of interaction. The problem is extended to magnetomechanics by considering the same pair of particles in an elastic matrix. There, the state of the system, when magnetized, is determined by interplay of magnetic and elastic forces. It is shown that in the field applied along the center-to-center direction, the configuration of the pair essentially depends on the field strength. In a low field the equilibrium interparticle gap changes but slightly since weak magnetic attraction induces weak restoring elastic forces. However, in stronger fields the system becomes bistable: besides the energy minimum located close to the initial interparticle gap, another minimum emerges, which corresponds to a close approach (clusterizing) of the particles. In the latter state both the magnetic and elastic forces are strong. This bistability effect has important implications in mechanics of soft magnetic elastomers.

Еще

Список литературы Силовое взаимодействие намагничивающихся частиц, помещённых в эластомер

  • Jolly M.R., Carlson J.D., Muñoz B.C. A model of the behaviour of magnetorheological materials//Smart Mater. Struct. -1996. -V. 5, N. 5. -P. 607-614.
  • Diguet G., Beaugnon E., Cavaillé J.Y. From dipolar interactions of a random distribution of ferromagnetic particles to magnetostriction//J. Magn. Magn. Mater. -2009. -V. 321, N. 5. -P. 396-401.
  • Han Y., Hong W., Faidley L.E. Field-stiffening effect of magneto-rheological elastomers//Int. J. Solids Struct. -2013. -V. 50, N. 14-15. -P. 2281-2288.
  • Shkel Y.M., Klingenberg D.J. Magnetorheology and magnetostriction of isolated chains of nonlinear magnetizable spheres//J. Rheology. -2001. -V. 45, N. 2. -P. 351-368.
  • Genç S., Phulé P.P. Rheological properties of magnetorheological fluids//Smart Mater. Struct. -2002. -V. 11, N. 1. -P. 140-156.
  • Peng X., Li H. Analysis of the magnetomechanical behavior of MRFs based on micromechanics incorporating a statistical approach//Smart Mater. Struct. -2007. -V. 16, N. 6. -P. 2477-2482.
  • Olabi A.G., Grunwald A. Design and applications of magneto-rheological fluid//Mater. Design. -2007. -V. 28, N. 10. -P. 2658-2664.
  • Park B.J., Fang F.F., Choi H.J. Magnetorheology: materials and application//Soft Matter. -2010. -V. 6, N. 21. -P. 5246-5253.
  • De Vicente J., Klingenberg D.J., Hidalgo-Alvarez R. Magnetorheological fluids: a review//Soft Matter. -2011. -V. 7, N. 8. -P. 3701-3710.
  • Segovia-Gutiérrez J.P., Berli C.L.A., de Vicente J. Nonlinear viscoelasticity and two-step yielding in magnetorheology: A colloidal gel approach to understand the effect of particle concentration//J. Rheol. -2012. -V. 56, N. 6. -P. 1429-1439.
  • Borcea L., Bruno O. On the magneto-elastic properties of elastomer-ferromagnet composites//J. Mech. Phys. Solids. -2001. -V. 49, N. 12. -P. 2877-2919.
  • Bossis G., Lacis S., Meunier A., Volkova O. Magnetorheological fluids//J. Magn. Magn. Mater. -2002. -V. 252. -P. 224-228.
  • Jeffrey D.J. Conduction through a random suspension of spheres//Proc. R. Soc. Lond. A. -1973. -V. 335, N. 1602. -P. 355-367.
  • Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. -М.: Наука, 1982. -620 с.
  • Коновалова А.М., Столбов О.В., Райхер Ю.Л. Взаимодействие неоднородно намагниченных частиц, заключенных в эластомер//7 Всероссийская конференция по механике деформируемого твердого тела: Сб. статей, Ростов-на-Дону, 15-18 октября 2013 г. -Ростов-на-Дону: ЮФУ, 2013. -Ч. 2. -С. 26-30.
  • Багаев В.Н., Буевич Ю.А., Тетюхин В.В. К теории магнитостатического взаимодействия и структурообразования в дисперсных системах//Магнитная гидродинамика. -1986. -№ 2. -С. 35-40.
  • Melenev P.V., Rusakov V.V., Raikher Yu.L. Magnetic behavior of in-plane deformable dipole clusters//J. Magn. Magn. Mater. -2006. -V. 300, N. 1. -P. e187-e190.
Еще