Artykuł przedstawia metodę wytwarzania elastomerów magnetoreologicznych (MRE) na bazie matrycy termoplastycznej i proszku żelaza oraz procedurę badania próbek w celu ujawnienia ich właściwości magnetomechanicznych. Stosunek procentowy proszku żelaza do matrycy i dodatków elastomeru został ustalony na poziomie 35%, co według wyliczeń maksymalizuje efekt magnetoreologicznych jaki można zaobserwować w materiale. Badania zostały wykonane dla czterech wartość amplitudy przemieszczenia i pięciu wartości pola magnetycznego dzięki czemu możliwa jest dokładna obserwacja zmian zachodzących w materiale. Przeprowadzone badania są wstępem do dalszych badań tego materiału nakierowanych na właściwości tłumiące MRE.

Elastomery magnetoreologiczne są materiałami należącymi do grupy materiałów nazywanej materiałami inteligentnymi (ang. smart). Natomiast bardziej szczegółowo należy je scharakteryzować jako materiał z grupy materiałów magnetoreologicznych, do których również należą ciecze, żele i kompozyty magnetoreologiczne.

Materiał ten zdobył zainteresowanie naukowców dopiero pod koniec XX wieku, kiedy to pojawiły się pierwsze patenty i artykuły mówiące o możliwych zastosowania MRE. Najczęściej wykorzystuje się elastomery magnetoreologiczne do tłumienia drgań [1], jednak są też inne aplikacje wykorzystujące własności tego materiału takie jak pochłanianie energii uderzenia [2] czy w sporcie do zmiany zachowania piłki golfowej przy uderzeniu [3]. Od czasu pierwszych publikacji na temat MRE zainteresowanie tym materiałem szybko rośnie i ilość zastosowań dla tego materiału stale wzrasta, można się stąd spodziewać jeszcze wielu ciekawych propozycji wykorzystania elastomerów magnetoreologicznych.

Projektowanie MRE

Elastomer magnetoreologiczny to materiał o matrycy polimerowej wypełnionej proszkiem o właściwościach ferromagnetycznych, najczęściej jest to proszek żelaza. Jako matrycę można wykorzystać praktycznie każdy elastomer, tak naturalny jak i syntetyczny. Poza dwoma głównymi składnikami każdego MRE, dodaje się różnego rodzaju dodatki mające na celu modyfikację właściwości mechanicznych elastomeru. Materiał zbudowany z tych komponentów po odpowiedniej obróbce mechanicznej i termicznej jest ciałem stałym z równomiernie rozłożonymi cząstkami aktywnymi w materiale.

Cząstki aktywne wykorzystywane do produkcji elastomerów magnetoreologicznych najczęściej mają wielkość w przedziale od kilku do kilkuset mikronów, co ma znaczący wpływ na właściwości mechaniczne materiału. Również kształt cząstek ma duże znaczenie, ponieważ cząstki mogą mieć kształt od prawie idealnie okrągłego do bardzo nieregularnego przypominającego samorodek złota.


Rysunek 1. Zdjęcie z mikroskopu elektronowego przedstawiające strukturę wewnętrzną MRE gdzie jasne bryłki to żelazo ASC 300 zatopione w matrycy z elastomeru T`efabloc Zdjęcie wykonane dzięki uprzejmości Laboratorium Materiałów Zol-Żelowych i Nanotechnologii Politechniki Wrocławskiej

Dla uzyskania pożądanych właściwości materiału magnetoreologicznego konieczne jest dobranie odpowiednich proporcji pomiędzy cząstkami aktywnymi a matrycą z dodatkami. Do obliczenia maksymalnej ilości proszku ferromagnetycznego wykorzystuje się wzór na krytyczne objętościowe zagęszczenie cząstek CPVC [4] (ang. Critical Particle Volume Concentration) wyrażone wzorem:


gdzie na przykładzie żelaza: ρ_n to gęstość nasypowa proszku żelaza, a ρ_Fe to gęstość litego żelaza. Dla żelaza ASC 300 wartość CPVC wynosi 36,6%. Wartość wyliczona z tego wzoru to maksymalna efektywna ilość proszku ferromagnetycznego jaką można umieścić w materiale matrycy. Ponieważ proszek to drobne cząstki materiału istnieje między nimi przestrzeń wypełniona powietrzem. Przy projektowaniu elastomerów magnetoreologicznych bardzo istotne jest żeby cała przestrzeń pomiędzy pojedynczymi cząstkami została wypełniona materiałem matrycy i cząstki nie sklejały się, w przeciwnym razie MRE będzie przesztywniony efekt magnetoreologiczny będzie mniejszy maksymalny możliwy do osiągnięcia. Dlatego ilość proszku jaką umieszcza się w MRE nie powinna przekraczać wartości wyliczonej ze wzoru na CPVC.

Matryca elastomeru magnetoreologicznego jest w głównej mierze odpowiedzialna za właściwości mechaniczne projektowanego materiału magneto-aktywnego. Wśród materiałów stosowanych do wytwarzania MRE spotkać można następujące grupy materiałów [5]:

  • kauczuki
  • silikonowe,
  • naturalne,
  • akrylonitrylowe,
  • izobutylenowo-izoprenowe,
  • akrylonitrylowo-butadienowe,
  • żele silikonowe,
  • modyfikacje wyżej wymienionych składników oraz inne dodatki.

Ważnym aspektem matrycy MRE jest jej twardość. Im większa twardość matrycy tym materiał jest sztywniejszy i mniejszy efekt magnetoreologiczny będzie można zaobserwować w materiale. Aby obniżyć sztywność matrycy albo poprawić jej inne właściwości mechaniczne dodaje się różnego rodzaju dodatki [5]:

  • dodatki poprawiające oddziaływanie matryca-wypełniacz, np. silany, które poprawiając zwilżalność powierzchni cząstek wypełniających matrycę co zapobiega ich grupowaniu,
  • dodatki poprawiające plastyczność elastomeru czyli wszelkiego rodzaju plastyfikatory, np. olej parafinowy,
  • dodatki poprawiające mieszalność,
  • antyutleniacze, które zapobiegają utlenieniu cząstek ferromagnetycznych znajdujących się na powierzchni materiału
  • środki sieciujące jeśli wymaga tego materiał matrycy.


Przykładem takiego elastomeru magnetoreologicznego jest materiał wytworzony i przebadany w Instytucie Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej Politechniki Wrocławskiej[5, 7]. Jest to MRE na bazie matrycy z polimeru termoplastycznego T`efabloc TO..222 30A, produkowany przez francuską firmę CTS Cousin-Tessie, z wkładem ferromagnetycznym składającym się z proszku żelaza ASC 300 o wielkości około 60 µm produkowanego przez firmę Höganäs AB oraz dodatku zmięczającego matrycę w postaci oleju parafinowego. Wszystkie 3 składniki połączono ze sobą w następujących proporcjach: T`efabloc 20,8g, żelazo ASC 300 125g, olej parafinowy 5,2g. Rysunek 1 przedstawia zdjęcie materiału w powiększeniu z mikroskopu elektronowego.

Wytwarzanie i badanie MRE

Aby wytworzyć elastomer magnetoreologiczny należy połączyć wszystkie jego składniki w odpowiednich proporcjach i przy pomocy odpowiedniej metody, która zależy od materiału matrycy jaki jest wykorzystany. Dla MRE opisanego w poprzednim rozdziale, opartego na termoplastycznym elastomerze T`efabloc TO..222 i proszku żelaza ASC 300, były potrzebne następujące kroki. Najpierw materiał wymieszano przy pomocy mieszalnika w odpowiedniej temperaturze i przy użyciu dostatecznie dużego momentu obrotowego. W wypadku zadanego materiału była to temperatura 190oC, prędkość obrotowa wirników 60 obrotów na minutę i moment obrotowy równy 1 niutonometr. Następnie materiał wyjęty z mieszalnika, po ostygnięciu został pocięty na drobne kawałki i podzielony na porcje. Rozdrobniony materiał był umieszczany w aluminiowej formie zaprezentowanej na rysunku 2, którą umieszczano w prasie na gorąco, w temperaturze 190oC i przy docisku około 200MPa na 5 minut.

Rysunek 2. Forma aluminiowa do wytwarzania próbek MRE, gdzie: 1- wewnętrzna część formy, 2- przekładki z foli PET, 3- zewnętrzne części formy [5].


Następnie próbkę razem z formą przekładano do odpowiedniej prasy na zimno, zwykłej w celu wykonania próbek o strukturze izotropowej lub prasy na zimno z silnym polem magnetycznym w celu uzyskania próbek o strukturze anizotropowej. Zasada działania prasy magnetycznej oraz kierunek polaryzacji próbki anizotropowe zostały przedstawione na rysunku 3.



Rysunek 3. Prasa na zimno do próbek anizotropowych, gdzie: 1 - próbka, 2 - forma, 3 - magnesy neodymowe, 4- śruby do regulacji odległości między magnesami, 5 - zewnętrzny rdzeń spełniający formę obwodu magnetycznego i łącza mechanicznego, H - kierunek działania pola magnetycznego [5].

Ostatnim etapem przygotowania próbek jest ich przycięcie i wklejenie między okładziny z kompozytu szklano-epoksydowego. W przypadku próbek anizotropowych ważne jest żeby oba kawałki elastomeru, wklejane między okładziny, miały ten sam kierunek polaryzacji cząstek. Rysunek 4 przedstawia schemat gotowej próbki wraz z pokazanym kierunkiem działania pola magnetycznego.

Rysunek 4. Próbka do badań, gdzie: 1 - materiał MRE, 2 - zewnętrzne okładziny, F - kierunek ścinania, H - kierunek działania pola magnetycznego [5].

Gotowe próbki są badane na maszynie wytrzymałościowej poprzez cykliczne ścinanie, a efekt magneto reologiczny jest mierzony na podstawie zmiany wielkości pola pętli histerezy uzyskanej przy różnych wartościach zadanego pola magnetycznego. Rysunek 5 przedstawia zestawienie pętli histerezy dla jednej z badanych próbek dla wartości pola magnetycznego równych: 0 i 100 kA/m. Widać na nich wzrost pola pętli histerezy zarówno przy zmianie amplitudy odkształcenia jak i przy wzroście pola magnetycznego. Wzrost pola pętli w przypadku wzrostu amplitudy jest związany z jej wydłużeniem, natomiast przy wzroście pola magnetycznego pętle się przede wszystkim poszerzają, ale również widać wydłużenie i nieznaczne obrócenie pętli w osi.


Rysunek 5. Zestawienie pętli histerezy dla wybranej próbki gdzie dla 4 amplitud odkształcenia, gdzie po lewej znajdują się pętle dla zerowej wartości pola magnetycznego, natomiast po prawej widać wyniki dla pola magnetycznego o wartości 100 kA/m.


Na podstawie wyników uzyskanych w badaniach można zamodelować elastomer magnetoreologiczny. Taki model jest przedstawiony w kolejnym rozdziale.

Model materiału

Elastomery magnetoreologiczne są materiałami, które można określić jako materiały lepko-sprężyste, co oznacza że wykazują właściwości materiału zarówno lepkiego jak i sprężystego. Żeby móc przewidzieć zachowanie takiego materiału potrzebny jest jego model matematyczny, który opisuje zachowanie materiału. Modeli opisujących zachowanie elastomerów magnetoreologicznych powstało wiele jednak większość z nich bazuje na modelu Kelvina-Voigta. Rysunek 6 przedstawia schemat modelu Kelvina-Voighta.


Rysunek 6. Model ciała lepko-sprężystego Kelvina-Voigta.
W modelu tym element sprężysty jest połączony równolegle z elementem lepkim co oznacza ze oba te elementy współdziałają ze sobą a nie zależnie od siebie. Model ten można opisać następującymi wzorami:

W tym modelu odkształcenie γ jest identyczne dla obu, lepkiego i sprężystego, elementów, natomiast naprężenie τ jest równie sumie naprężeń obu elementów. Naprężenie elementu sprężystego przedstawia równanie na τ1, natomiast naprężenie elementu lepkiego prezentuje równanie na τ2. W związku z tym, że w tym modelu naprężenie zależy od odkształcenia, co wynika z równań, jeżeli zmiana odkształcenia γ ̇ będzie równa zero, to równanie opisujące łączne naprężenie przybierze postać równania Hooka.

Na podstawie tego modelu, w połączeniu z danymi eksperymentalnymi, można wyliczyć parametry opisujące dany elastomer i dzięki temu symulować jego możliwe zachowanie. Dzięki temu możliwe jest przewidywanie zachowania MRE w określonych warunkach oraz lepsze zrozumienie zasady działania tego materiału. Równie ważne jest to w sytuacji kiedy materiał chcemy zastosować w jakimś urządzeniu, dzięki takiemu modelowi materiału, przed przygotowaniem modelu rzeczywistego, można go zasymulować.

Podsumowanie:

Podsumowując, elastomery magnetoreologiczne to materiały nowoczesne, prezentujące właściwości pożądane w nowoczesnych rozwiązaniach technologicznych do zapewnienia bezpieczeństwa i komfortu ich pracy. Zastosowanie w materiale matrycy z elastomeru termoplastycznego, zamiast dotychczas stosowanych kauczuków i żeli silikonowych, daje zupełnie nowe możliwości dla MRE ponieważ taki materiał jest łatwy w przetwórstwie i umożliwia wielokrotne wykorzystanie tego samego elastomeru, co wcześniej było praktycznie niemożliwe. Ich dalszy rozwój jest potrzebny ale również obiecujący, ponieważ można się spodziewać wielu, do tej pory nie opracowanych, zastosować i wariacji materiału.

Bibliografia
[1] W. McMurray Stewart, J. M. Ginder, L. D. Elie, and M. E. Nichols. Method and apparatus for reducing breake shudder, 1998.
[2] V. Bogdanov, D. Borin, G. Stepanov, and A. Andruszkiewicz. Usage of magneto-active elastomers in a bumper of a vehicle for front impact protection. Journal of Physics: Conference Series, 149, 2009.
[3] J. VanDelden. Adaptive golf ball, 2011.
[4] M. Kallio. The elastic and damping properties of magnetorheological elastomers. Praca doktorska, Tampere University of Technology, Finlandia 2005.
[5] M. Królewicz. Właściwości magnetomechaniczne elastomerów magnetoreologicznych o strukturze izotropowej i anizotropowej. Praca magisterska, Politechnika Wrocławska, Polska, 2010.
[6] K. Wilczynski. Reologia w przetwórstwie tworzyw sztucznych. Number 83-204-2561-1 in tworzywa sztuczne. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 2001.
[7] M. Przybylski. Application of magnetorheological elastomer in the damping of mechanical vibrations. Praca inżynierska, Politechnika Wrocławska, Polska, 2012.

Article presents preparation method and testing procedure of magnetorheological elastomers (MRE) based on thermoplastic matrix and iron powder to present its magnetorheological properties. Volume ratio of iron powder to matrix material together with additives is set to 35%, what, according to calculations, maximizes magnetorheological effect that can be observed in the material. Test have been performed for four amplitudes of displacement and five values of magnetic field thanks to what it is possible to monitor closely changes in the material. Performed tests are introduction to further investigation of vibration damping properties of the MRE material.

Michał Przybylski, Jerzy Kaleta, Daniel Lewandowski, Michał Królewicz

Pełna część artykułu dostępna po zalogowaniu się w numerze 1/2012

Dodaj komentarz