Механические свойства силиконового полимера с магнитным наполнителем в магнитном поле

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

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. 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. 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.

1. A 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.

2. Magnetic field-responsive smart polymer composites / G. Filipcsei, I. Csetneki, A. Szilágyi, M. Zrínyi // Advances in Polymer Science. 2007. Vol. 206. P. 137–189.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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/10.21869/2223-1528-2024-13-4-75-87

8. Магнитные, 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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/10.21869/2223-15282024-12-4-100-109

12. Magnetoresistivity 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.

13. 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.

14. Zhou G. Y. Shear properties of a magnetorheological elastomer // Smart materials and structures. 2003. Vol. 12, no. 1. P. 139.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. Ganguly S., Margel S. Fabrication and applications of magnetic polymer composites for soft robotics // Micromachines. 2023. Vol. 14, no. 12. P. 2173.

20. 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.

21. 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.