techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2024-14-3-178-190techusgu-280Research ArticleФИЗИКАPHYSICSМеханические свойства силиконового полимера с магнитным наполнителем в магнитном полеMechanical properties of silicone polymer with magnetic filler in magnetic fieldСутаринаИ. С.SutarinaI. Y.

Сутарина Ирина Юрьевна, студент кафедры нанотехнологий, общей и прикладной физики

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Irina Y. Sutarina, Student of the Department of Nanotechnology, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

sutarinaira@gmail.comНовиковК. К.NovikovK. K.

Новиков Кирилл Константинович, студент кафедры нанотехнологий, общей и прикладной физики

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Kirill K. Novikov, Student of the Department of Nanotechnology, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

knk81329@gmail.comСоколовЕ. А.SokolovE. A.

Соколов Евгений Александрович, преподаватель кафедры нанотехнологий, микро-электроники, общей и прикладной физики

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Evgeny A. Sokolov, Lecturer at the Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

evgeniysokolov1@yandex.ruМатарыкинК. А.MatarykinK. A.

Константин Александрович Матарыкин, студент кафедры нанотехнологий, общей и  прикладной физики

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Konstantin A. Matarykin, Student of the Department of Nanotechnology, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

icego132@gmail.comРяполовП. А.RjapolovP. A.

Ряполов Петр Алексеевич, доктор физико- математических наук, доцент, декан естественно-научного факультета

ул. 50 лет Октября, д. 94, г. Курск 305040

Petr A. Rjapolov, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor, Dean  of the Faculty of Natural Sciences

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

r-piter@yandex.ruЮго-Западный государственный университетSouthwest State University202424092024143178191Copyright © Сутарина И.С., Новиков К.К., Соколов Е.А., Матарыкин К.А., Ряполов П.А., 20242024Сутарина И.С., Новиков К.К., Соколов Е.А., Матарыкин К.А., Ряполов П.А.Sutarina I.Y., Novikov K.K., Sokolov E.A., Matarykin K.A., Rjapolov P.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/280Цель

Цель. Исследовать изменение механических свойств магнитореологического силиконового эластомера, состоящего из полимера, наполненного наночастицами магнетита, под воздействием неоднородного магнитного поля электромагнита. 

Методы

Методы. В качестве образцов исследовались двухкомпонентные силиконовые каучуки, наполненные магнетитовыми частицами. Изготовленные образцы отличались геометрическими размерами, концентрацией магнитной фазы 1%, 5%, 10% и 20%, способом перемешивания активного наполнителя и полимерной матрицы, а также механизмом полимеризации: в магнитном поле или без него. Структура полимеров была исследована с помощью оптической микроскопии. Фиксация изображений происходила при помощи цифрового USB микроскопа Микмед 5.0. Эксперименты проводились на установке для исследования магнитного отклика, разработанной и изготовленной самостоятельно на основе известных методов. Значение угла отклонения магнитоактивного кантеливера от первоначального вертикального положения определялось оптическим методом. Источником магнитного поля являлись электромагниты различных размеров с конусными наконечниками, которые были присоединены к программируемому линейному источнику питания. 

Результаты

Результаты. Осуществлен анализ структуры изготовленных магнитореологических силиконовых эластомеров, зафиксировано изменение структуры образцов, которое объясняется диполь-дипольным взаимодействием микрочастиц наполнителя под воздействием внешнего магнитого поля. Также проведены исследования зависимости угла отклонения кантеливера, выполненного из силиконового полимера с магнитным наполнителем, от значения напряженности магнитного поля и структуры образцов. Полученным экспериментальным результатам предложена теоретическая интерпретация.

Вывод

Вывод. Экспериментально и теоретически исследована зависимость угла наклона магнитоактивного полимерного кантеливера от величины напряженности магнитного поля, создаваемого с помощью электромагнита. Полученные результаты могут быть использованы для разработки перспективных магнитоактивных устройств перемещения и сенсоров.

Purpose

Purpose. To investigate the change in the mechanical properties of a magnetorheological silicone elastomer consisting of a polymer filled with magnetite nanoparticles under the influence of an inhomogeneous magnetic field of an electromagnet.

Methods

Methods. The experiments were carried out on a magnetic response research facility developed and manufactured independently based on known methods. The value of the deflection angle of the magnetically active receiver was determined by the optical method. Two-component silicone rubbers filled with magnetite particles were studied as samples. The manufactured samples differed in geometric dimensions, magnetic phase concentrations of 1%, 5%, 10% and 20%, and polymerization mechanism. The source of the magnetic field was electromagnets of various sizes connected to power sources. The images were captured using a Micmed 5.0 digital USB microscope.

Results

Results. The analysis of the structure of the manufactured magnetorheological silicone elastomers was carried out, as well as studies of the effect of the magnetic field strength and sample parameters on the deflection angle of the magnetically active cantilever. A theoretical interpretation of the obtained results is proposed.

Conclusion

Conclusion. The experimental dependence of the tilt angle of a magnetically active polymer cantilever on the equilibrium position relative to the magnitude of the magnetic field strength of the electromagnet is determined. The obtained research results can be used to develop actuators and magnetoactive sensors.

магнитное полемагнитореологический полимермагнитоактивный кантилевермагнитные частицыmagnetic fieldmagnetorheological polymermagnetically active cantileverdeflection angleРабота выполнена в рамках реализации программы стратегического академического лидерства "Приоритет-2030" (Соглашения № 075-15-2021-1155 и № 075-15-2021-1213), а также в рамках реализации Государственного задания Российской Федерации (№ 0851-2020-0035).The work was carried out within the framework of the implementation of the strategic academic leadership program "Priority 2030" (Agreements No. 075-15-2021-1155 and No. 075-15-2021-1213), as well as within the framework of the implementation of the State Assignment of the Russian Federation (No. 0851-2020-0035).ReferencesA state-of-the-art review on magnetorheological elastomer devices / Y. Li, J. Li, W. Li, H. Du // Smart materials and structures. 2014. Vol. 23, no. 12. P. 123001.Li Y. Li Y., Li J., LiW., Du H. A state-of-the-art review on magnetorheological elastomer devices. Smart materials and structures. 2014;23(12):123001.Magnetic field-responsive smart polymer composites / G. Filipcsei, I. Csetneki, A. Szilágyi, M. Zrínyi // Advances in Polymer Science. 2007. Vol. 206. P. 137–189.Filipcsei G., Csetneki I., Szilágyi A., Zrínyi M. Magnetic field-responsive smart polymer composites. Advances in Polymer Science. 2007;206:137–189.Magnetorheological elastomer-based materials and devices: state of the art and future perspectives / A. G. Díez, C. R. Tubio, J. G. Etxebarria, S. L. Mendez // Advanced Engineering Materials. 2021. Vol. 23, no. 6. P. 2100240.Díez A.G., Tubio C.R., Etxebarria J.G., Mendez S.L. Magnetorheological elastomer‐based materials and devices: state of the art and future perspectives. Advanced Engineering Materials. 2021;23(6):2100240.Rodrigue H., Kim J. Soft actuators in surgical robotics: a state-of-the-art review // Intelligent Service Robotics. 2024. Vol. 17, no. 1. P. 3–17.Rodrigue H., Kim J. Soft actuators in surgical robotics: a state-of-the-art review. Intelligent Service Robotics. 2024;17(1):3–17.4D Printing: The Development of Responsive Materials Using 3D-Printing Technology / P. E. Antezana, S. Municoy, G. Ostapchuk, P. N. Catalano, J. G. Hardy, P. A. Evelson [et al.] // Pharmaceutics. 2023. Vol. 15, no. 12, pp. 2743.Antezana P.E., Municoy S., Ostapchuk G., Catalano P.N., Hardy J.G, Evelson P. A., et al. 4D Printing: the development of responsive materials using 3D-printing technology. Pharmaceutics. 2023;15(12):2743.Advances in modeling and control of magnetorheological elastomers for engineering applications / N. K. Dhiman, S. M. Salodkar, Gagandeep, C. Susheel // Archives of Computational Methods in Engineering. 2024. Vol. 31, no. 3. P. 1823–1865.Dhiman N.K, Salodkar S.M., Gagandeep, Susheel C. Advances in Modeling and Control of Magnetorheological Elastomers for Engineering Applications. Archives of Computational Methods in Engineering. 2024;31(3):1823–1865.Столбов О. В., Райхер Ю. Л.. Модель магнитоактивного эластомера со структурным параметром // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2023. Т. 13, № 4. С. 75–87. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-13-4-75-87Stolbov O.V., Reicher Y.L. A magnetically active elastomer model with a structural parameter. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology. 2023;13(4):75–87. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-13-4-75-87Магнитные, упругие, структурные и магнитодеформационные свойства магнитоэластиков / Л. В. Никитин, Л. С. Миронова, К. Г. Корнев, Г. В. Степанов // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2004. Т. 46, № 3. С. 498.Nikitin L.V., Mironova L.S., Kornev K.G., Stepanov G.V. Magnetic, elastic, structural and magnetodeformation properties of magnetoelastics. Vysokomolekulyarnye soedineniya. Seriya A = High molecular weight compounds. Series A, 2004;46(3):498. (In Russ.)Степанов Г. В. Магнитодеформационный эффект и вакуумное уплотнение с помощью магнитоактивного эластомера / Г. В. Степанов, Е. Ю. Крамаренко, П. А. Стороженко // Наноиндустрия. 2022. Т. 15, № 5(115). С. 266–271.Stepanov G.V., Kramarenko E.Y., Storozhenko P.A. Magnetodeformation effect and vacuum sealing using a magnetically active elastomer. Nanoindustriya = Nanoindustry. 2022;15(5):266–271. (In Russ.)Magnetostriction effects in silicone elastomers / E. S. Kelbysheva, H. H. Valiev, A. N. Vlasov, Y. N. Karnet, N. S. Snegireva, A. Y. Minaev [et al.] // IOP Conference Series: materials science and engineering : international conference of young scientists and students "Topical Problems of Mechanical Engineering", ToPME 2019. Moscow: Institute of Physics Publishing. 2020. P. 012003.Kelbysheva E.S., Valiev H.H., Vlasov A.N., Karnet Y.N., Snegireva N.S., Minaev A.Y., et al. Magnetostriction effects in silicone elastomers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering : International Conference of Young Scientists and Students "Topical Problems of Mechanical Engineering", ToPME 2019. Moscow: Institute of Physics Publishing; 2020. P. 012003.Столбов О. В. Моделирование эффекта псевдопластичности в магнитоактивном эластомере при сжатии и растяжении // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2022. Т. 12, № 4. С. 100–109. https://doi.org/10.21869/2223-15282024-12-4-100-109Stolbov O.V. Simulation of the pseudoplasticity effect in a magnetically active elastomer under compression and tension. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the Southwestern State University. Series: Engineering and Technology, 2022;12(4):100–109. (In Russ.) https://doi.org/10.21869/2223-1528-2024-13-4-100-109Magnetoresistivity and piezoresistivity of magnetoactive elastomers / G. V. Stepanov, A. V. Bakhtiiarov, D. A. Lobanov, P. A. Storozhenko // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2023. Vol. 587. P. 171313.Stepanov G.V., Bakhtiiarov A.V., Lobanov D.A., Storozhenko P.A. Magnetoresistivity and piezoresistivity of magnetoactive elastomers. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2023;587:171313.Demchuk S. A., Kuz'Min V. A. Viscoelastic properties of magnetorheological elastomers in the regime of dynamic deformation // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2002. Vol. 75, no. 2. P. 396–400.Demchuk S.A., Kuz'Min V.A. Viscoelastic properties of magnetorheological elastomers in the regime of dynamic deformation. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2002;75(2): 396–400.Zhou G. Y. Shear properties of a magnetorheological elastomer // Smart materials and structures. 2003. Vol. 12, no. 1. P. 139.Zhou G.Y. Shear properties of a magnetorheological elastomer. Smart materials and structures. 2003;12(1):139.Motion of ferroparticles inside the polymeric matrix in magnetoactive elastomers / G. V. Stepanov, D. Yu. Borin, Yu. L. Raikher, P. V. Melenev, N. S. Perov // Journal of Physics: Condensed Matter. 2008. Vol. 20, no. 20. P. 204121.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. Journal of Physics: Condensed Matter. 2008;20(20):204121.New composite elastomers with giant magnetic response / A. V. Chertovich, G. V. Stepanov, E.Yu. Kramarenko, A. R. Khokhlov // Macromolecular Materials and Engineering. 2010. Vol. 295, no. 4. P. 336–341.Chertovich A.V., Stepanov G.V., Kramarenko E.Yu., Khokhlov A. R. New composite elastomers with giant magnetic response. Macromolecular Materials and Engineering. 2010;295(4):336– 341.Stepanov G. V., Storozhenko P. A. Elastic properties of a magnetoactive elastomer // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2024. Vol. 88, no. 4. P. 570–576.Stepanov G.V., Storozhenko P.A. Elastic properties of a magnetoactive elastomer. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2024;88(4):570–576.Magnetoactive elastomers for magnetically tunable vibrating sensor systems / T. I. Y. Becker, Raikher, O. Stolbov, V. Böhm, K. Zimmermann // Physical Sciences Reviews. 2022. Vol. 7, no. 10. P. 1063–1090.Becker T. I., Raikher Y., Stolbov O., Böhm V., Zimmermann K. Magnetoactive elastomers for magnetically tunable vibrating sensor systems. Physical Sciences Reviews. 2022;7(10):1063–1090.Ganguly S., Margel S. Fabrication and applications of magnetic polymer composites for soft robotics // Micromachines. 2023. Vol. 14, no. 12. P. 2173.Ganguly S., Margel S. Fabrication and applications of magnetic polymer composites for soft robotics. Micromachines. 2023;14(12):2173.Multifunctional magnetic soft composites: A review / S. Wu, W. Hu, Q. Ze, M. Sitti, R. Zhao // Multifunctional materials. 2020. Vol. 3, no. 4. P. 042003.Wu S., Hu W., Ze Q., Sitti M., Zhao R. Multifunctional magnetic soft composites: A review. Multifunctional materials. 2020;3(4):042003.Liao Z., Zoumhani O., Boutry C. M. Recent advances in magnetic polymer composites for BioMEMS: A review // Materials. 2023. Vol. 16, no. 10. P. 3802.Liao Z., Zoumhani O., Boutry C. M. Recent advances in magnetic polymer composites for BioMEMS: A review. Materials. 2023;16(10):3802.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.