Badania właściwości magnetomechanicznych elastomerów

(a) (b)

Rys. 6.17. Wpływ dodatków uplastyczniających matryce kompozytu: a) pętle histerezy dla próbek typu A, B i C (o różnej wartości plastyfikatora) dla dwóch skrajnych wartości

pola magnetycznego – 0 kA/m, b) 100 kA/m [31]

izotropowych, wartości rejestrowane naprężenia były odwrotnie proporcjonalne do zawartości plastyfikatora, co oznacza, iż większe pętle histerezy obserwowano dla bardziej twardych matryc. Wpływ składu materiału na rozmiar pętli ela-stomerów polaryzowanych nie był przedmiotem badań. Zauważalnie natomiast zmieniało się ich wzajemne położenie. Naprężenia rejestrowane w próbkach anizo-tropowych były zawsze większe niż w przypadku odpowiadających im składem próbek izotropowych. Różnice te pogłębiały się ze zwiększaniem się natężenia pola magnetycznego. Elastomery anizotropowe wykazują też większe zmiany amplitudy naprężenia niż elastomery izotropowe. Dla elastomerów izotropowych maksymalną wartość względnej zmiany amplitudy naprężenia, ponad 24%, zmierzono w próbce o najmniejszej twardości, typu C. Dzięki uzyskanym rezultatom przyjmuje się, iż materiały te można zastosować w budowie aktywnych tłumików drgań.

6.7. Badania właściwości magnetomechanicznych elastomerów magnetoreologicznych

Głównym celem badań było określenie związków między polem mechanicznym i magnetycznym dla wybranej grupy elastomerów MR. Relacje między obydwoma polami określone są przez związki konstytutywne. W przypadku materiałów obdarzonych charakterystykami nie tylko sprężystymi – ale też plastycznymi, a w dodatku zależnymi od czasu i innych zewnętrznych oddziaływań (np. ma-gnetycznych) – znalezienie związków konstytutywnych jest zadaniem o dużym stopniu trudności. Prezentowane wyniki badań obejmowały zarówno głównie

zależ-194 Rozdział 6. Elastomery magnetoreologiczne

ności odkształcenie–naprężenie, jak i wielkości amplitudy odkształcenia w funkcji natężenia pola magnetycznego.

Próbki mocowano w sposób umożliwiający uzyskanie stanu zbliżonego do czy-stego ścinania w badanym materiale. Pole magnetyczne przykładano prostopadle do kierunku odkształcania. Rejestrowano przebiegi naprężenia i przemieszczenia o zadanej wartości natężenia pola magnetycznego i częstotliwości odkształcania. Metodyka pomiaru polegała na rejestrowaniu „odpowiedzi” materiału w postaci na-prężenia i porównaniu otrzymanych wykresów dla różnych wartości przykładanego pola magnetycznego oraz parametrów obciążenia mechanicznego. Za kluczowe, dla poznania właściwości magnetomechanicznych materiału, uznano odpowiednio wpływ amplitudy odkształcenia oraz natężenia pola magnetycznego. Za wymusze-nie mechaniczne wybrano sygnał harmoniczny o stałej częstotliwości 1 Hz. Jego amplitudę ustalano dla każdego pomiaru indywidualnie. Odpowiedź rejestrowano w postaci przebiegów naprężenia mierzonych pośrednio za pomocą czujników siły.

Na rysunku 6.18 przedstawiono typowe wyniki. W jednym cyklu badawczym rejestrowano zmiany naprężeń powstających w materiale na skutek oddziaływania pola magnetycznego lub zmiany amplitudy odkształcenia. Pole magnetyczne przykładane było w określonych cyklach (z krótkimi przerwami, gdy było zmniej-szane do poziomu bliskiego zeru). Opierając się na analizie rysunku 6.1 można zauważyć, iż amplitudy naprężenia zmieniają się wraz z oddziaływaniem pola magnetycznego. Zwiększają się podczas zwiększania wartości pola magnetycznego i maleją po jego zmniejszeniu. Pole magnetyczne przykładane było z kolejno

nara-(a) (b)

Rys. 6.18. Przebieg czasowy odpowiedzi (naprężenie τ)

badanego materiału magnetoreologicznego na wymuszenie odkształceniem o stałej amplitudzie (γa) o charakterze funkcji harmonicznej dla częstotliwości równej 1 Hz. Widoczne uskoki wywołane zewnętrznym polem magnetycznym: a) pełny przebieg, b) powiększenie wykresu w celu pokazania uskoków dla dodatniej części amplitudy

6.7. Badania właściwości magnetomechanicznych elastomerów. . . 195 stającymi wartościami natężenia, 0–100 kA/m, ze skokiem co 10 kA/m. W celu lepszego zaprezentowania występujących uskoków, wykonano powiększenie wy-kresu z rysunku 6.18a, co widoczne jest na rysunku 6.18b. Efekt działania pola magnetycznego jest widoczny zatem jako zmiana właściwości mechanicznych. Oznacza to innymi słowy, iż uzyskanie tego samego przemieszczenia – dla różnych wartości natężenia pola magnetycznego – wymaga różnych wartości sił. Świadczy to o tzw. umocnieniu materiału pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.

Rys. 6.19. Wybrane pętle histerezy w układzie naprężenie–odkształcenie dla narastających wartości pola magnetycznego, o ustalonej wartości amplitudy

odkształcenia postaciowego

(a) (b)

Rys. 6.20. Wybrane pętle histerezy, w układzie naprężenie–odkształcenie, dla narastających wartości amplitudy odkształcenia i dwóch skrajnych wartości

pola magnetycznego: a) H = 0 kA/m, b) H = 100 kA/m [31]

Wykresy w postaci wybranych pętli histerezy, w układzie naprężenie–odkształ-cenie (dla ustalonej wartości amplitudy odkształcenia), pokazano na rysunku 6.19. Widoczne są niewielkie zmiany wywołane narastającym polem magnetycznym.

196 Rozdział 6. Elastomery magnetoreologiczne

Pętla histerezy zmienia wówczas nieznacznie swoje pochylenie, co może świadczyć o zwiększającej się sztywności. Widoczny jest też niewielki wzrost pola powierzchni, co z kolei świadczy o zwiększeniu tłumienia.

6.8. Zasadność i kierunki dalszych badań

Zarówno uzyskane wyniki, jak i analiza literatury przedmiotu wskazują na potrzebę kontynuacji badań w zakresie budowy, technologii wytwarzania, bada-nia właściwości i zastosowań elastomerów magnetoreologicznych. Za szczególnie wskazane uznać należy działania mające na celu:

• Optymalizację doboru składników elastomeru, w tym niemagnetycznej ma-trycy, elementów magnetycznie aktywnych (w tym: rodzaju, kształtu, ilości i rozmieszczenia cząstek) oraz dodatków uplastyczniających.

• Doskonalenie technologii wytwarzania elastomerów izotropowych i anizotro-powych, głównie w celu uzyskania powtarzalnych właściwości magnetore-ologicznych. Liczba parametrów wymagających regulacji w fazie mieszania, prasowania i stymulacji magnetycznej jest znaczna i trudna do optymalizacji.

• Przeprowadzenie gruntownych badań zmęczeniowych wytworzonych

mate-riałów, gdyż możliwości aplikacyjne elastomerów magnetoreologicznych uza-leżnione są od stabilności właściwości tłumiących w zakresie wytrzymałości wysokocyklowej.

• Poszukiwania związków konstytutywnych umożliwiających opis właściwości magnetomechanicznych, w tym szczególnie z uwzględnieniem wpływu często-tliwości obciążania.

• Budowy demonstratorów laboratoryjnych prezentujących możliwości komer-cjalizacji elastomerów magnetoreologicznych.

Bibliografia

[1] Li J.F., Gong X.L., Xu Z.B., Jiang W.Q., Effect of pre-structure process on

magne-torheological elastomer performance, Industrial & Engineering Chemistry Research, 99, 2008, 1358–1364.

[2] Medalia A.I., Morphology of aggregates: I. Calculation of shape and bulkiness factors;

application to computer-simulated random flocs, Journal of Colloid and Interface Science, 24, 1967, 393–404.

[3] Medalia A.I., Effective degree of immobilization of rubber occluded within carbon

black aggregates, Rubber Chemistry and Technology, 45, 1972, 1171.

[4] Browne A.L., Johnson N.L., Hood latch assemblies utilizing active materials and

Bibliografia 197

[5] Lu X.S., Qiao X.Y., Watanabe H., Gong X.L., Yang T., Li W., Sun K., Li M., Yang K., Xie H.G., Yin Q., Wang D., Chen X.D., Mechanical and structural investigation

of isotropic and anisotropic thermoplastic magnetorheological elastomer composites based on poly(styrene-b-ethylenecobutylene-b-styrene) (sebs), Rheologica Acta, 51, 2011, 37–50.

[6] Gong X.L., Fan Y.C., Xuan S.H., Xu Y.G., Peng C., Control of the

dam-ping properties of magnetorheological elastomers by using polycaprolactone as a temperature-controlling component, Industrial & Engineering Chemistry Research, 51, 2012, 6395–6403.

[7] Ottaviani R.A., Ulicny J.C., Golde M.A., Magnetorheological nanocomposite

elasto-mer for releasable attachment applications, US patent 7,020,938 B2 2006.

[8] Opie S., Yim W., Design and control of a real-time variable modulus vibration

isolator, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 22, 2011, 113–125. [9] Klukowski C., Steering column for a motor vehicle, US patent 20090033082 A1 2009. [10] Hu G.L., Guo M., Li W.H., Du H.P., Experimental investigation of the vibration

cha-racteristics of a magnetorheological elastomer sandwich beam under non-homogeneous small magnetic fields, Smart Materials and Structures, 20, 2011, 127001.

[11] Xu Y.G., Gong X.L., Xuan S.H., Zhang W., Fan Y.C., A high-performance

magne-torheological material: preparation, characterization and magnetic-mechanic coupling properties, Soft Matter, 7, 2011, 5246.

[12] Hasheminejad S.M., Shahanimotlagh M., Magnetic-field-dependent sound

trans-mission properties of magnetorheological elastomer-based adaptive panels, Smart Materials and Structures, 19, 2010.

[13] Fan Y.C., Gong X.L., Xuan S.H., Zhang W., Zhang J., Jiang W.Q., Interfacial

friction damping properties in magnetorheological elastomers, Smart Materials and Structures, 20, 2011, 035007.

[14] Usman M., Sung S.H., Jang D.D., Jung H.J., Koo J.H., Numerical investigation of

smart base isolation system employing MR elastomer, Journal of Physics: Conference Series, 149, 2009.

[15] Bose H., Roder R., Magnetorheological elastomers and use thereof, US patent 7,608,197 B2 2009.

[16] Watson J.R., Method and apparatus for varying the stiffness of a suspension bushing, US patent 5,609,353 1997.

[17] Stewart W.M., Ginder J.M., Ellie L.D., Nichols M.E., Method and apparatus for

reducing brake shudder, US patent 5,816,587 1998.

[18] Elie L.D., Ginder J.M., Mark J.S., Nichols M.E., Stewart W.M., Method for allowing

rapid evaluation of chassis elastomeric devices in motor vehicles, US Patent 5,974,856 1999.

[19] Elie L.D., Ginder J.M., Mark J.S., Nichols M.E., Stewart W.M., Method and apparatus

for measuring displacement and force, US patent 5,814,999 1998.

[20] Barvosa-Carter W., Johnson N.L., Browne A.L., Reversibly expandable energy

ab-sorbing assembly utilizing actively controlled and engineered materials for impact management and methods for operating the same, US patent 7,140,478 B2 2006.

198 Rozdział 6. Elastomery magnetoreologiczne

[21] Bogdanov V., Borin D., Stepanov G., Andruszkiewicz A., Usage of magneto-active

elastomers in a bumper of a vehicle for front impact protection, Journal of Physics: Conference Series, 149, 2009.

[22] Ottaviani R.A., Ulicny J.C., Golde M.A., Magnetorheological nanocomposite

elasto-mer for releasable attachment applications, US patent 6,877,193 B2.

[23] Radolato A.R., Pawlowski R.P., Tunable slip yoke damper assembly, US patent 6,623,364 B2 2003.

[24] Lerner A.A., Cunefar K.A., Adaptable vibration absorber employing a

magnetorhe-ological elastomer with a variable gap length and methods and systems therefor, US patent 7,102,474 B2 2006.

[25] Hitchcock G., Gordaninejad F., Fuchs A., Controllable magneto-rheological elastomer

vibration isolator, US patent 7,086,507 B2 2006.

[26] Farshad M., LeRoux M., A new active noise abatement barrier system, Polymer Testing, 23, 2004, 855–860.

[27] Reji J., Suresh G.N., Natarajan V., Low frequency underwater acoustic projector

using a magnetorheological elastomer, Indian patent 2251/del/2004 2004.

[28] Brei D., Redmond J., Wilmot A.L., Browne N.A., Johnson N.L., Jones G.L., Hood

lift mechanisms utylizing active materials and methods of use, US patent 7,063,377 B2 2006.

[29] Brei D., Redmond J., Wilmot A.L., Browne N.A., Johnson N.L., Jones G.L., Hood

latch assemblies utilizing active materials and methods of use, EU patent EP 1 617 022 A2 2006.

[30] Zając P., Własciwosci tłumiace elastomerów magnetoreologicznych. Badania, modele,

identyfikacja. W trakcie realizacji, rozprawa doktorska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2012.

[31] Królewicz M., Właściwości magnetomechaniczne elastomerów magnetoreologicznych

o strukturze izotropowej i anizotropowej, praca magisterska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2010.

[32] Zając P., Kaleta J., Lewandowski D., Gasperowicz A., Isotropic magnetorheological

elastomers with thermoplastic matrices: structure, damping properties and testing, Smart Materials and Structures, 19, 2010, 1–7.