Хардина Анфиса Сергеевна, студент
Комсомольский пр-т 29, г. Пермь 614990
Anfisa S. Khardina, Student
29 Komsomolskiy Av., Perm 614990
Меленев Петр Викторович, кандидат физикоматематических наук, ведущий инженер
ул. Академика Королёва 1, г. Пермь 614013
Researcher ID: K-5135-2014
Petr V. Melenev, Сand. of Sci. (Physical and Matematical), Lead Engineer
1 Academika Koroleva Str., Perm 614013
Researcher ID: K-5135-2014
Цель. Разработать модель малого образца феррогеля со случайной внутренней структурой, которая, с одной стороны, позволяла бы учесть исключённый объём полимерного вещества и способность к перестройке внутренней структуры композита под действием внешней нагрузки, а с другой – была бы достаточно эффективна с вычислительной точки зрения и позволяла бы получать статистически усреднённые по реализациям результаты.
Методы. Моделирование проводится в рамках подхода крупно-зернистой молекулярной динамики. Феррогель представлен в виде совокупности сферических объектов двух типов – однодоменных магнитных частиц и полимерных «блобов» – объединённых взаимодействием Леннарда – Джонса и системой упругих связей. Последняя имеет однородную случайную структуру, формируемую на начальном этапе расчёта, и обеспечивает модельному образцу упругую реакцию. Тепловое воздействие на образец со стороны среды имитируется включением в систему термостата Ланжевена.
Результаты. Проведены серии расчётов на модельных образцах субмикронных размеров с различными концентрациями наполнителя из монодисперсных наночастиц. Получены кривые циклического намагничивания образцов, показавшие, в частности, стимулирующую роль дипольного магнитного взаимодействия в процессе. Проведены численные эксперименты по одноосному растяжению образцов в отсутствие либо в присутствии внешнего магнитного поля различной ориентации. Выявлено усиление упругих модулей у намагниченных образцов, особенно заметное в случае параллельности механического и магнитного воздействий. Эти результаты качественно согласуются с экспериментальными данными о поведении магнитоактивных композитов.
Заключение. Предложена простая модель малого образца феррогеля, в которой полимерное связующее имитируется как жидкость Леннарда – Джонса, «сшитая» упругими связями. Тестовые расчёты на образцах с разной концентрацией магнитного наполнителя показали работоспособность и физическую адекватность разработанной модели. Дальнейшее развитие предложенного подхода связано, во-первых, с описанием высоконаполненных феррогелей, а во-вторых, с идентификацией механических параметров модели на основе экспериментальных данных.
Purpose. To develop a model of small sample of the ferrogel with non-prescribed internal structure, which allows to account excluded volume of polymer matrix and permits noticeable filler rearrangements under external magneto-mechanical load, and simultaneously, has sufficient numerical efficiency.
Methods and approaches. The model is based on a coarse-grained molecular dynamics approach. Ferrogel is represented as system of spherical objects of two types – single-domain magnetic particles and polymer “blobs” – bound by Lennard-Jones interaction and network of elastic bonds. The later has random and coherent internal structure, which is formed at the initial stage of the calculation, and ensures elastic response of the sample. The influence of the thermofluctuations on the ferrogel is accounted through Langevin thermostat.
Results. The series of calculations for submicron samples with various concentration of monodisperse magnetic nanoparticles were performed. The dependencies of the average sample magnetic moment, obtained in the simulation of quasi-static magnetization cycles, shows, particularly, that for considered model dipolar interaction promotes magnetization. Then, numerical experiments on the uniaxial mechanical stretching were performed 1) for non-magnetized samples and 2) in the presence of a permanent magnetic field. It is found, that magnetization reinforces material elastic module, especially in case when the field is parallel to stretching direction.
Concluson. There is proposed a model of the small ferrogel sample with representation of gel matrix as LennardJones fluids crosslinked by elastic bonds. Test calculations with samples with various concentration of magnetic filler prove the numerical efficiency and physical propriety of the model. The further development of the model are related to increasing of amount of magnetic particles and identification of mechanical model parameters based to experimental data regarding real ferrogel behavior.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.