Paweł Małecki1, Jacek Pigłowski1
Streszczenie: W pracy badano magnetomechaniczne właściwości kompozytów magnetoreologicznych na bazie miękkich elastomerów termoplastycznych SEBS (styren-etylen-butylen-styren) oraz miękkiego ferromagnetyka, proszku żelaza karbonylkowego.
Wytworzono kompozyty z 30 % obj. udziałem żelaza, o odmiennym ułożeniu cząstek magnetycznych w matrycy.
Słowa kluczowe: materiały inteligentne, termoplasty, pomiary dynamiczne
1. Wprowadzenie
Kompozyty magnetoreologiczne należą do grupy materiałów inteligentnych, ich właściwości reologiczne mogą być kontrolowane przez zewnętrzne pole magnetyczne (1).
Wywołane zmiany są całkowicie odwracalne, powtarzalne oraz obserwowalne w czasie rzeczywistym. Elastomery magnetoreologiczne składają się głównie z cząstek magnetycznych oraz matrycy polimerowej.
Przeważnie stosowane są miękkie ferromagnetyki o rozmiarach mikronowych. Pojedyncza cząstka obejmuje kilka domen magnetycznych, które namagnesowują się w dużym stopniu zgodnie z kierunkiem linii pola magnetycznego. Po usunięciu pola cząstki w dużym stopniu tracą namagnesowanie. Dlatego też ważne jest aby materiał magnetyczny charakteryzował się dużym nasyceniem magnetycznym oraz niską pozostałością magnetyczną [2]. Pole magnetyczne indukuje moment magnetyczny dlatego cząstki rozproszone w matrycy pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego dążą do obsadzenia położeń o minimalnej energii, układając się w struktury kolumnowe. Matryca powinna być na tyle miękka, aby umożliwić cząstkom magnetycznym pod wpływem pola zewnętrznego zmienię sztywności całego kompozytu. To zjawisko pozwala na wykorzystanie tych materiałów do aktywnego tłumienia drgań oraz budowy aktuatorów i czujników. Wielkość zmian właściwości kompozytu pod wpływem pola magnetycznego określa się mianem efektu magnetoreologicznego [3].
Istnieje możliwość kształtowania właściwości kompozytów magnetoreologicznych bezpośrednio na etapie ich wytwarzania. Ze względu na sposób ułożenia cząstek w matrycy możemy wyróżnić kompozyty izotropowe, zawierające cząstki żelaza rozproszone równomiernie w całej objętości matrycy oraz anizotropowe, polaryzowane w których cząstki magnetyczne tworzą struktury łańcuchów.
W pracy wykonano kompozyty z zawartością 30% obj. żelaza karbonylkowego typu CC oraz elastomeru termoplastycznego SEBS (styren-etylen-butylen-styren). Wytworzono dwa rodzaje próbek, izotropowe, bez obecności pola magnetycznego oraz anizotropowe, z cząstkami ułożonymi równolegle do linii pola. Próbki badano w zmiennym polu magnetycznym w warunkach cyklicznego ścinania ze stała częstotliwością 1 Hz. Określono wartości pola pętli histerezy oraz efektu magnetoreologicznego.
1 Politechnika Wrocławska, Wydział Chemiczny, Zakład inżynierii i Technologii Polimerów, Wybrzeże Stanisława Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław, pawel.malecki@pwr.wroc.pl
103
2. Eksperyment
2.1. Materiały
Elastomer termoplastyczny SEBS, kopolimer styren – etylen – butylen – styren o nazwie handlowej Mediprene (Tab. 1), (Elasto, USA). Żelazo karbonylkowe 3,8-5,3 µm (typ CC, BASF Niemcy).
Tab. 1. Charakterystyka podstawowych właściwości kopolimeru SEBS Mediprene
*min.-max. twardość : 0-3, średnia: 2 A, **masowy wskaźnik szybkości płynięcia
2.2. Określenie składu i sposób przygotowania kompozytów
Wielkość uzyskanego efektu magnetoreologicznego dla danego kompozytu zależy od wielu czynników, m.in. od zawartości cząstek magnetycznych, ich kształtu, rozmiaru, charakterystyki magnetycznej oraz od właściwości zastosowanej matrycy. Najpowszechniejszym sposobem uzyskania maksymalnej zawartości żelaza w kompozycie jest obliczenie krytycznego objętościowego stężenia cząstek (CPVC) które wyraża się wzorem:
CPVC = kompozytach zarówno izotropowych i anizotropowych ustalono zawartość żelaza na poziomie 30
%obj. (Tab. 2).
W celu uzyskania homogenicznego materiału próbki przetwarzano przy użyciu gniotownika Plasti-Corder Lab-Station firmy Brabender. Temperatura przetwarzania wynosiła 190 ⁰C, prędkość rotorów 60 obr./sec o momencie obrotowym 1Nm. Kolejnym etapem był proces prasowania, także w temperaturze 190⁰. Kompozyty izotropowe wykonano bez użycia magnesów, natomiast aby otrzymać próbki anizotropowe, uplastyczniony materiał umieszczano między magnesami stałymi.
104
W ten sposób możliwe jest przemieszczanie się cząstek pod wpływem pola magnetycznego, w miarę ochładzania się polimeru uzyskana struktura cząstek zostaje utrwalona. Następnie wytworzony materiał cięto na dwa kawałki o wymiarach 40 mm x 40 mm x 4 mm i wklejano między okładziny wykonane z laminatu epoksydowego wzmacnianego włóknem szklanym (Rys. 1).
a) b)
Rys. 1. B) Schemat testowania próbek: 1 – okładziny, 2 –kompozyt, F – kierunek działającej siły, H – wektor pola magnetycznego [4].
Próbki badano w warunkach cyklicznego ścinania ze stałą częstotliwością 1 Hz. Program badań przedstawia tabela 3. Dla najmniejszej amplitudy odkształcenia 6,25*10-3 próbki były ścinane bez pola magnetycznego. Co 100 cykli pole zwiększano o 25 kA/m (25, 50, 75,100). Po 500 cyklach zwiększano amplitudę odkształcenia do 12,50*10-3 i powtarzano procedurę. Największa wartość amplitudy przemieszczenia wynosiła 0,1 mm.
Tab. 3. Program testowania kompozytów magnetoreologicznych.
Cykle
Natężenie pola magnetycznego
H [kA/m]
Amplituda przemieszczenia x [mm]
Amplituda odkształcenia γ x 10-3 [-]
1-500 0,25,50,75,100 0,025 6,25
501-1000 0,25,50,75,100 0,05 12,50
1001-1500 0,25,50,75,100 0,075 18,75
1501-2000 0,25,50,75,100 0,1 25,00
* γ = x / y, gdzie : y – grubość próbki (4 mm)
3. Wyniki badań
3.1 Pętle histerezy
Różnice w sposobie ułożenia cząstek w matrycy powodują odmienne zachowanie materiału podczas badań. Zmianę właściwości reologicznych a także mechanicznych można wyrazić m.in. za pomocą pętli histerezy w zależności naprężenie τ – odkształcenie γ. Pole pętli wyraża ilość energii rozpraszanej na jednostkę objętości materiału podczas pojedynczego cyklu. Na rysunku 2 i 3 zostały przedstawione pętle histerezy zarejestrowane dla obydwu kompozytów podczas całego badania, dla minimalnej i maksymalnej amplitudy odkształcenia. Można zauważyć, że wraz ze zwiększeniem pola magnetycznego oraz amplitudy odkształceń zwiększa się pole pętli histerezy kompozytów. Także kompozyt anizotropowy jest zdolny do efektywniejszego tłumienia drgań w porównaniu do kompozytu izotropowego o takim samym składzie. Zarejestrowane pętle są znacznie szersze a w materiale występują większe naprężenia. To zjawisko spowodowane jest tym, że cząstki ułożone w łańcuchy stykają się lub znajdują się w bliskim kontakcie ze sobą, dlatego też efektywniej przeciwstawiają się działaniu sił ścinających. Natomiast w próbkach izotropowych odległości między cząstkami są znacznie większe.
105
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
Rys. 2. Pętle histerezy kompozytów izotropowych A[30] (a) oraz anizotropowych B[30]P (b) dla różnego natężenia pola magnetycznego przy minimalnej amplitudzie odkształcenia (γ = 6.25 * 10−3).
Rys. 3. Pętle histerezy kompozytów izotropowych A[30] (a) oraz anizotropowych B[30]P (b) dla różnego natężenia pola magnetycznego przy maksymalnej amplitudzie odkształcenia (γ = 25.00 * 10−3).
3.2 Efekt magnetoreologiczny
Wielkość zmian właściwości kompozytów magnetoreologicznych pod wpływem pola magnetycznego określa się terminem efektu magnetoreologicznego. Może on być wyrażony poprzez zmianę wartości modułów, zachowawczego lub stratności, zmianę pola powierzchni pętli histerezy oraz maksymalnego naprężenia występującego w próbce. Wielkości te oblicza się wg gdzie : ΔWHmax , ΔWHmin –pole pętli histerezy, odpowiednio dla maksymalnego i minimalnego pola magnetycznego.
gdzie : τ Hmax , τ Hmin – wartość maksymalnego naprężenia, odpowiednio dla maksymalnego i minimalnego pola magnetycznego.
106
Zwiększenie natężenia pola magnetycznego oraz amplitudy odkształcenia powoduje wzrost wartości pola pętli histerezy oraz maksymalnych naprężeń w próbce (Rys 4.). Przy czym zmiany te są znacznie wyraźniejsze dla kompozytu polaryzowanego przy maksymalnych parametrach badania. Kompozyt anizotropowy zawierającego 30 % obj. żelaza karbonylkowego, w amplitudzie odkształcenia wynoszącej 25*10-3 wraz ze zmianą wartości pola z 25 do 100 kA/m zmienia pole pętli prawie dwukrotnie z 80 J/m3 do ok.140 J/m3. Odpowiadające wartościom pól naprężenia
Rys. 5. Pola pętli histerezy (a) oraz wartość amplitudy naprężenia (b) izotropowych (A[30]) i anizotropowych (B[30]P) elastomerów magnetoreologicznych, dla minimalnej i maksymalnej amplitudy odkształcenia.
5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0
Rys. 6. Procentowa wartość pola magnetycznego (a) oraz amplitudy naprężenia (b) izotropowych i anizotropowych kompozytów magnetoreologicznych.
Efekt magnetoreologiczny informuję nas o tym, jak bardzo poprzez zmianę warunków zewnętrznych: wielkość odkształcenia materiału, częstotliwość obciążenia, pole magnetyczne, możemy sterować właściwościami tych materiałów. Dla kompozytów anizotropowych uzyskano zadowalający efekt magnetoreologiczny na poziomie 80 %. Przy większym natężeniu pola magnetycznego, na przykład do ok.1 Tesli można by uzyskać jeszcze większe zmiany właściwości.
Lecz zależności te nie są liniowe i w zasadniczym stopniu zależą od materiałów użytych do produkcji kompozytów.
107
4. Podsumowanie
W pracy zostały wytworzone i zbadane w warunkach cyklicznego ścinania w zmiennym polu magnetycznym kompozyty magnetoreologiczne. Jako matrycę zastosowano miękki kopolimer termoplastyczny SEBS, natomiast jako napełniacz magnetyczny wybrano cząstki żelaza karbonylkowego. Jednym z ważniejszych celów przeprowadzonych badań jest określenie wpływu procesu polaryzacji kompozytów na ich właściwości dynamiczne w polu magnetycznym.
Kompozyt anizotropowy charakteryzuje się znacznie lepszą zdolnością do rozpraszania energii oraz osiąga większy efekt magnetoreologiczny w porównaniu do kompozytu izotropowego.
Literatura
[1] Wan-quan Jianga; Jing-jing Yao; Xing-long Gong; Lin Chenb; Enhancement in
Magnetorheological Effect of Magnetorheological Elastomers by Surface Modification of Iron Particles, Chin. J. Chem. Phys. 21 1
[2] C. Ruddy, E. Ahearne and G. Byrne, A Review Of Magnetorheological Elastomers: Properties And Applications, Advanced Manufacturing Science (AMS) Research Centre, Mechanical Engineering, University College Dublin, Belfield, Dublin 4, Ireland.
[3] Anna Boczkowska, Stefan Awietjan, Uretanowe elastomery magnetoreologiczne aktywowane polem magnetycznym, POLIMERY 2009, 54, nr 1
[4] Jerzy Kaleta, Michał Królewicz and Daniel Lewandowski, Magnetomechanical properties of anisotropic and isotropic magnetorheological composites with thermoplastic elastomer matrices, Smart Mater. Struct. 20 (2011) 085006 (12pp)
DYNAMIC PROPERTIES OF MAGNETORHEOLOGICAL COMPOSITES IN MAGNETIC FIELD
Term intelligent (or “smart” ) relates to the materials which can respond to external stimuli by changing properties. Rheological properties of magnetorheological composites (MRC) can be controlled continously, rapidly, and reversibly by an applied external magnetic field. In this paper the magnetomechanical properties of magnetorheological elastomers (MRE) based on poly(styrene-b-ethylene-co-butylene-b-styrene) SEBS copolymer and carbonyl iron powder (type CC) are examined.
The properties of isotropic and anisotropic MR elastomers are tested in conditions of mechanical and magnetic stimulations. Test samples are subjected to cyclic shearing with a constant frequency of 1 Hz. The change in magnetomechanical properties is expressed by the relative change of hysteresis loop area δW and stress amplitude δτ.
As a result can be indicated that with increasing strength of magnetic field and amplitude of deformation increases hysteresis loop area and maximal stress in the sample. Aligned particles according to the field line direction improve dynamic characteristic of MRC. In this case particles are close to each other and act more efficient to overcome shear force. However, isotropic composites are simpler to manufacture.
108