Модель магнитоактивного эластомера со структурным параметром

Цель. Поиск простого и физически разумного способа описания базовых свойств магнитоактивного эластомера под действием приложенного магнитного поля и/или механической нагрузки.

Методы. Предложен феноменологический подход, в рамках которого агрегирование феррочастиц в магнитоактивном эластомере трактуется как появление некоторого параметра порядка, физический смысл которого близок, но не сводится полностью к количеству частиц наполнителя, объединившихся в агрегаты, отнесённому к общему числу частиц. Соответствующий функциональный вклад в свободную энергию системы записан в форме, схожей с разложением Ландау – де Жена, как оно используется в теории фазовых переходов. В зависимости от присутствия кубической степени параметра порядка в этом разложении структурный переход в магнитоактивном эластомере может развиваться по сценариям как I, так и II рода.

Результаты. В модельном одномерном расчёте показано, что зависимости главных характеристик композита – намагниченности и деформации – от приложенного магнитного поля и механической нагрузки можно единым образом описать через изменение параметра порядка. Рассмотренная модельная среда проявляет важную особенность: в присутствии внешнего поля она реагирует на приложенную механическую нагрузку квазипластически. Однако, как только поле выключается, система выходит из пластического состояния и восстанавливает исходную упругость.

Заключение. Полученные результаты находятся в хорошем согласии с данными прямого численного моделирования мезоскопического варианта рассматриваемой задачи. В качественном отношении выявленные особенности реологического поведения рассмотренной системы находятся в близком соответствии с результатами экспериментов по механическому нагружению магнитоактивных эластомеров на силиконовой основе, наполненных порошком карбонильного железа, частицы которого имеют микронный размер.

1. Alapan Y., Karacakol A. C., Guzelhan S. N., Isik I., Sitti M. Reprogrammable shape morphing of magnetic soft machines // Science Advances. 2020. Vol. 6. Art. no. eabc6414. https://doi.org/10.1126/sciadv.abc6414.

2. Morillas J. R., de Vicente J. Magnetorheology: A review // Soft Matter. 2020. Vol. 16. P. 9614– 9642. https://doi.org/10.1039/d0sm01082k.

3. Magneto-rheological elastomer composites. A review / S. Samal, M. Škodová, L. Abate, I. Blanco // Applied Science. 2020. Vol. 10. Art. no. 4899. https://doi.org/10.3390/app10144899.

4. Zhalmuratova D., Chung H.-J. Reinforced gels and elastomers for biomedical and soft robotics applications // ACS Applied Polymer Materials. 2020. Vol. 2. P. 1073–1091. https://doi.org/10.1021/acsapm.9b01078.

5. Development of magnetorheological elastomers–based tuned mass damper for building protection from seismic event / S. Sun, J. Yang, H. Du, S. Zhang, T. Yan, M. Nakano, W. Li // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2018. Vol. 22. P. 1777–1789. https://doi.org/10.1177/1045389X17754265.

6. Magnetoactive acoustic metamaterials / K. Yu, N. X. Fang, G. Huang, Q. Wang // Advanced Materials. 2018. Vol. 30. Art. no. 1706348. https://doi.org/10.1002/adma.201706348.

7. Behrooz M., Gordaninejad F. A flexible micro fluid transport system featuring magnetorheological elastomer // Smart Materials and Structures. 2016. Vol. 26. Art. no. 025011. https://doi.org/10.1088/0964-1726/25/2/025011.

8. Ferromagnetic soft continuum robots / Y. Kim, G. A. Parada, S. Liu, X. Zhao // Science Advances. 2019. Vol. 4. Art. no. eaax7329. https://doi.org/10.1126/scirobotics.aax7329.

9. Magnetodeformational effect and effect of shape memory in magnetoelastics / L. V. Nikitin, G. V. Stepanov, L. S. Mironova, A. I. Gorbunov // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2004. Vol. 272–276. P. 2072–2073. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2003.12.838.

10. Effect of a homogeneous magnetic field on the viscoelastic behavior of magnetic elastomers / G. V. Stepanov, S. S. Abramchuk, D. A. Grishin, L. V. Nikitin, E. Y. Kramarenko, A. R. Khokhlov // Polymer. 2007. Vol. 48. P 488–495. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2006.11.044.

11. Melenev P. V., Raikher Y. L., Rusakov V. V. Field-induced plasticity of soft magnetic elastomers // Journal of Physics: Conference Series. 2009. Vol. 149. Art. No. 012094. https://doi.org/10.1088/1742-6596/149/1/012094.

12. Melenev P. V., Raikher Y. L., Rusakov V. V. Plasticity of soft magnetic elastomers // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2010. Т. 52. С. 628–633. https://doi.org/10.1134/S0965545X10040127.

13. Modeling of the field-Induced plasticity of soft magnetic elastomers / P. V. Melenev, Y. L. Raikher, G. V. Stepanov, V. V. Rusakov, L. S. Polygalova // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2011. Vol. 22. P. 531–538. https://doi.org/10.1177/1045389X11403819.

14. Field-induced plasticity of magneto-sensitive elastomers in context with soft robotic gripper applications / J. Ch. Vega, T. Kaufhold, V. Böhm, T. Becker, K. Zimmermann, M. Martens, M. Schilling, T. Gundermann, S. Odenbach // Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics. 2017. Vol. 17. P. 23– 26. https://doi.org/10.1002/pamm.201710007.

15. Magnetoactive elastomer based on superparamagnetic nanoparticles with Curie point close to room temperature / Yu I. Dzhezherya, Xu W., S. V. Cherepov, Yu. B. Skirta, V. M. Kalita, A. V. Bodnaruk, N. A. Liedienov, A. V. Pashchenko, I. V. Fesych, B. Liu, G. G. Levchenko // Materials & Design. 2021. Vol. 197. Art. No. 109281. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109281.

16. Reconfigurable surface micropatterns based on the magnetic field-induced shape memory effect in magnetoactive elastomers / M. Lovšin, D. Brandl, G. Glavan, I. A. Belyaeva, L. Cmok, L. Čoga, M. Kalin, M. Shamonin, I. Drevenšek-Olenik // Polymers. 2021. Vol. 13. Art. no. 4422. https://doi.org/10.3390/polym13244422.

17. Бозорт Р. Ферромагнетизм. М.: Иностр. лит., 1956. 784 с.

18. Де Жен П. Физика жидких кристаллов. 1977. М.: Мир, 1977.

19. Шлиомис М. И., Райхер Ю. Л. Ориентационное упорядочение и механические свойства твёрдых полимеров // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1978. Т. 74. С. 1760– 1783.

20. Stolbov O. V., Raikher Y. L. Mesostructural origin of the field-induced pseudoplasticity effect in a soft magnetic elastomer // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 581. Art. no. 012003. https://doi.org/10.1088/1757-899X/581/1/012003