Структурно-механическая модель упруго-пластического поведения мягких магнитных эластомеров
Автор: Меленев Петр Викторович, Ковров Владимир Николаевич, Райхер Юрий Львович, Русаков Виктор Владимирович, Степанов Геннадий Владимирович, Полыгалова Лариса Сергеевна, Крамаренко Елена Юльевна
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.7, 2014 года.
Бесплатный доступ
Обсуждается эффект индуцированной пластичности (магнитной памяти формы), присущий полимерным композитам, наполненным многодоменными микрочастицами ферромагнетика. Такой мягкий магнитный эластомер (ММЭ) намагничивается, а частицы приобретают магнитные моменты только при наложении внешнего поля. «Включение» магнитного взаимодействия частиц существенно изменяет структуру ММЭ, поскольку межчастичные магнитные силы намного превосходят высокоэластические силы, связывающие частицы с полимерной матрицей. В материале образуется система кластеров, которая создаёт внутренний механизм сухого трения и тем самым сообщает композиту макроскопическую пластичность. Индуцированное структурирование, а с ним и пластичность исчезают после выключения внешнего поля. В этих условиях упругие силы не испытывают сопротивления и возвращают частицы в положения, которые они занимали до намагничивания: образец из ММЭ «вспоминает» свою начальную форму. Для моделирования упруго-пластического поведения намагниченного ММЭ предложена структурно-механическая модель, которая содержит упругие элементы и узлы, имитирующие сухое трение (элементы Сен-Венана). Модель обоснована с помощью качественного анализа, а затем применена для объяснения ряда экспериментов по циклическому растяжению/релаксации образцов из ММЭ в различных полях. Из сопоставления данных измерений получены оценки параметров структурно-механической модели и показано, что она удовлетворительно справляется с описанием механического отклика намагниченных ММЭ.
Магнитоактивные эластомеры, магнитореологические полимеры, магнитоиндуцированная пластичность, упруго-пластичность, реологическое поведение, магнитная память формы
Короткий адрес: https://sciup.org/14320741
IDR: 14320741 | УДК: 620.173:538.112:539.3 | DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.4.40
Structure-mechanical model for plasto-elastic behavior of soft magnetic elastomers
The effect of field-induced plasticity (magnetic shape memory) displayed by polymer composites filled with multi-domain ferromagnetic microparticles is discussed. Such a soft magnetic elastomer (SME) magnetizes, that is, the filler particles acquire magnetic moments only upon application of an external magnetic field. ‘Switching-on’ of interparticle magnetic interactions essentially affects the internal structure of SMEs since the magnetic forces by far exceed the high-elasticity ones due to attachment of the particles to the polymer matrix. According to the hypothesis, in a SME there self-organizes a network of clusters that gives birth to the effect of internal dry friction and by that imparts plasticity to the composite. Field-induced structuring, together with plasticity, disappears as soon as the external field is turned off. Under these conditions, elastic forces no longer experience any resistance and move the particles back to their initial spatial positions: the sample ‘recalls’ its initial shape. To account for the above-described plasto-elastic behavior of a magnetized SME, a structure-mechanical model (scheme) is proposed, which comprises the elastic elements (springs) and the entities (Saint-Venant elements) mimicking the dry-friction effect. The elements of the model are heuristically identified with two networks. One of them is related to the polymer matrix as itself, while another resembles the particle clusters formed due to the field-induced magnetic interactions. Both networks are interwoven and may deform only affinely. On the basis of the model, the tensile deformation cycles obtained in experiments on the two types of SMEs made of weakly-linked silicone rubber filled with carbonyl iron microparticles are interpreted. The tested SMEs differ by the dispersity of the filler. The samples of the first type contain only ‘fine’ iron particles with the size of 2-5 microns, while in the SME of the second type the filler consists of equal (by weight) amounts of ‘fine’ and ‘coarse’ (~70 microns) particles. The cycles measured under a number of external fields are presented. By fitting experimental data, the parameters of the theoretical scheme are evaluated, and their dependence on the applied field strength is determined. For the field dependencies of the scheme parameters of the isotropic SMEs examined here, the expressions borrowed from the phenomenology of textured SMEs are taken and tested, proving their applicability for this case.
Список литературы Структурно-механическая модель упруго-пластического поведения мягких магнитных эластомеров
- Zrínyi M., Barsi L., Büki A. Deformation of ferrogels induced by nonuniform magnetic fields//J. Chem. Phys. -1996. -Vol. 104, no. 21. -P. 8750-8756.
- Zrínyi M., Barsi L., Büki A. Ferrogel: a new magneto-controlled elastic medium//Polym. Gels Netw. -1997. -Vol. 5, no. 5. -P. 415-427.
- Никитин Л.В., Миронова Л.С., Степанов Г.В., Самусь А.Н. Влияние магнитного поля на упругие и вязкие свойства магнитоэластиков//Высокомолекулярные соединения. -2001. -Т. 43, № 4. -С. 698-706.
- Ginder J.M., Clark S.M., Schlotter W.F., Nichols M.E. Magnetostrictive phenomena in magnetorheological elastomers//Int. J. Mod. Phys. B. -2002. -Vol. 16, no. 17-18. -P. 2412-2418.
- Bellan C., Bossis G. Field dependence of viscoelastic properties of MR elastomers//Int. J. Mod. Phys. B. -2002. -Vol. 16, No. 17-18. -P. 2447-2453.
- Никитин Л.В., Миронова Л.С., Корнев К.Г., Степанов Г.В. Упругие, магнитные, структурные и магнитодеформационные свойства магнитоэластиков//Высокомолекулярные соединения. -2004. -Т. 46, № 3. -С. 498-909.
- Zhou G.Y., Li J.R. Dynamic behavior of a magnetorheological elastomer under uniaxial deformation: I. Experiment//Smart Mater. Struct. -2003. -Vol. 12, no. 6. -P. 859-872.
- Shen Y., Golnaraghi M.F., Heppler G.R. Experimental research and modeling of magnetorheological elastomers//J. Intel. Mat. Syst. Str. -2004. -Vol. 15, no. 1. -P. 27-35.
- Farshad M., Benine A. Magnetoactive elastomer composites//Polym. Testing. -2004. -Vol. 23, no. 3. -P. 347-353.
- Farshad M., Le Roux M. Compression properties of magnetostrictive polymer composite gels//Polym. Testing. -2005. -Vol. 24, no. 2. -P. 163-168.
- Jha R.K., Jha P.K., Guha S.K. Smart RISUG: A potential new contraceptive and its magnetic field-mediated sperm interaction//Int. J. Nanomed. -2009. -Vol. 4. -P. 55-64.
- Mayer M., Rabindranath R., Börner J., Hörner E., Bentz A., Salgado J., Han H., Böse H., Probst J., Shamonin M., Monkman G.J., Schlunck G. Ultra-soft PDMS-based magnetoactive elastomers as dynamic cell culture substrata//PLOS ONE (Public Library of Science). -2011. -Vol. 8, no. 10. -e76196.
- Abramchuk S., Kramarenko E., Stepanov G., Nikitin L.V., Filipcsei G., Khokhlov A.R., Zrínyi M. Novel highly elastic magnetic materials for dampers and seals: Part I. Preparation and characterization of the elastic materials//Polym. Advan. Technol. -2007. -Vol. 18, no. 11. -P. 883-890.
- Abramchuk S., Kramarenko E., Grishin D., Stepanov G., Nikitin L. V., Filipcsei G., Khokhlov A.R., Zrínyi M. Novel highly elastic magnetic materials for dampers and seals: part II. Material behavior in a magnetic field//Polym. Advan. Technol. -2007. -Vol. 18, no. 7. -P. 513-518.
- Nikitin L.V., Stepanov G.V., Mironova L.S., Gorbunov A.I. Magnetodeformational effect and effect of shape memory in magnetoelastics//J. Magn. Magn. Mater. -2004. -Vol. 272-276, Part 3. -P. 2072-2073.
- Melenev P.V., Raikher Yu.L., Rusakov V.V., Stepanov G.V. Field-induced plasticity of soft magnetic elastomers//J. Phys.: Conf. Ser. -2009. -Vol. 149, no. 1. -012094.
- Биллер А.М., Столбов О.В., Райхер Ю.Л. Силовое взаимодействие намагничивающихся частиц, помещённых в эластомер//Вычисл. мех. сплош. сред. -2014. -Т. 7, № 1. -С. 61-72.
- Biller A.M., Stolbov O.V., Raikher Yu.L. Modeling of particle interactions in magnetorheological elastomers//J. Appl. Phys. -2014. -Vol. 116, no. 11. -114904.
- Zhu X., Jing X., Cheng L. Magnetorheological fluid dampers: A review on structure design and analysis//J. Intel. Mat. Syst. Str. -2012. -Vol. 23, no. 8. -P. 839-874.
- Stepanov G.V., Borin D.Yu., Raikher Yu.L., Melenev P.V., Perov N.S. Motion of ferroparticles inside the polymeric matrix in magnetoactive elastomers//J. Phys.: Condens. Matter. -2008. -Vol. 20, no. 20. -204121.
- Xu Y., Gong X., Xuan S., Li X., Quin L., Jiang W. Creep and recovery behaviors of magnetorheological plastomer and its magnetic-dependent properties//Soft Matter. -2012. -Vol. 8, no. 32. -P. 8483-8492.