Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Influence of the form of short-range repulsive interactions on final shape of internal structure in magneto-rheological fluids

Barski M.

Composites Theory and Practice

|

2017

|

R. 17, nr 1

30--36

EN

The presented paper is devoted to the task of computational simulation of ferromagnetic particles in magneto-rheological fluids. Under the action of an external magnetic field, ferromagnetic particles form a complex internal microstructure. This microstructure is generally parallel to the direction of the external magnetic field intensity vector. The main aim of this work is to investigate the influence of the short-range repulsion interactions between the particles on the final shape of the internal microstructure. This interaction is implemented in the simulation process in such a way that the moving particles do not overlap. In the adopted theoretical model, in addition to the effects of short-range repulsion interactions, magnetostatic and hydrodynamic interactions are also taken into account. It is worth stressing that the applied theoretical model is very simple, however, it enables estimation of the mentioned effect. It was assumed that all the ferromagnetic particles have a spherical shape with a constant radius. A series of two-dimensional numerical simulations is carried out based on the molecular dynamic algorithm. The short-range repulsive interactions are described by a polynomial and by an exponential function with various parameter values. It turned out that the final shape of the microstructure strongly depends on the applied form of short-range repulsion. It is possible to obtain single isolated strings of particles as well as complex structures known as particle clusters.

PL

Prezentowana praca poświęcona jest zagadnieniu komputerowej symulacji zachowania cząstek ferromagnetycznych w płynach magneto-reologicznych. Pod działaniem zewnętrznego pola magnetycznego wspomniane cząstki tworzą skomplikowaną mikrostrukturę wewnętrzną. Generalnie, mikrostruktura ta wykazuje uporządkowanie w kierunku równoległym do wektora natężenia zewnętrznego pola magnetycznego. Głównym celem pracy jest wykazanie wpływu krótkozasięgowego oddziaływania odpychającego cząstki na ostateczny kształt owej mikrostruktury. Oddziaływanie to jest wprowadzane w symulacji po to, aby pozycje cząstek nie nakładały się wzajemnie. W przyjętym modelu teoretycznym, oprócz oddziaływań krótkozasięgowych, uwzględniono jeszcze oddziaływania magnetostatyczne oraz hydrodynamiczne. Jest to możliwie najprostszy model cieczy magneto-reologicznej pozwalający jednakże zbadać wpływ analizowanego oddziaływania krótkozasięgowego. Założono, że wszystkie cząstki posiadają kształt sferyczny o identycznym promieniu. Przeprowadzono szereg symulacji dwuwymiarowych w oparciu o algorytm dynamiki molekularnej. Oddziaływanie krótkozasięgowe opisano za pomocą wielomianu oraz funkcji wykładniczej. W przypadku funkcji wykładniczej rozważano różne wartości parametrów. Po przeprowadzeniu symulacji uzyskano różne kształty mikrostruktury wewnętrznej, począwszy od pojedynczych izolowanych łańcuchów cząstek po stosunkowo skomplikowane struktury zwane klastrami cząstek.

2

Inteligentne kompozyty magnetoreologiczne

Boczkowska A., Awietjan S.

Polimery

|

2013

|

T. 58, nr 6

443-449

PL

Prezentowane badania dotyczą nowej grupy materiałów inteligentnych, jakimi są magnetoreologiczne kompozyty elastomerowe (MRE), złożone z ferromagnetycznych cząstek rozmieszczonych w elastomerowej osnowie. Mikrostrukturę wytworzonych MRE oceniano stosując skaningową mikroskopię elektronową. W celu określenia anizotropii magnetycznej i strukturalnej wyznaczono właściwości magnetyczne MRE, ponadto w szerokim zakresie charakteryzowano ich właściwości reologiczne. Względny efekt magnetoreologiczny oznaczono na podstawie analizy wpływu zawartości i rozmiaru cząstek, a także ukierunkowania łańcuchów cząstek na kształtowaną mikrostrukturę wybranego kompozytu. Stwierdzono, że MRE o anizotropowej mikrostrukturze, kształtowanej na etapie wytwarzania w polu magnetycznym, charakteryzują się znacznie większym efektem magnetoreologicznym niż MRE o izotropowym rozmieszczeniu cząstek, dodanych do elastomerowej osnowy w takiej samej ilości. Zauważono również nieliniową zmianę właściwości reologicznych w funkcji udziału cząstek, będącą wynikiem anizotropii strukturalnej i magnetycznej, mającej najistotniejszy wpływ na zmianę właściwości MRE w polu magnetycznym. Zaobserwowano ponadto, że wartością efektu magnetoreologicznego można sterować zmieniając kierunek ułożenia łańcuchów cząstek względem kierunku działania pola. Oznacza to, że w celu uzyskania odpowiednio dużego efektu magnetoreologicznego nie jest konieczne wprowadzenie do osnowy polimerowej dużej ilości cząstek magnetycznych, wystarczy wytworzyć odpowiednią ich mikrostrukturę, co pozwala na korzystne zmniejszenie masy konstrukcji urządzeń, w których wykorzystano materiał na bazie MRE.

EN

The study is related to a new group of intelligent materials, namely magnetorheological elastomer composites (MRE), composed of ferromagnetic particles dispersed in an elastomeric matrix. They exhibit reversible changes of their properties and shape under the magnetic field, what makes them attractive for applications as dampers, sensors or actuators. The microstructure of the produced MRE was studied using scanning electron microscopy. In order to determine the magnetic and structural anisotropy of MRE, their magnetic properties were investigated. The rheological properties of MRE were also characterized in a broad range. The relative magnetorheological effect was evaluated by analyzing the influence of the volume fraction, size and arrangement of the particles on the microstructure of selected composite. It was found, that MRE with an anisotropic microstructure formed during the preparation under the magnetic field show much higher magnetorheological effect than MRE with an isotropic arrangement of the particles, added in the same amount to the elastomeric matrix. A non-linear change of the rheological properties versus particle fraction was also observed, as a result of the structural and magnetic anisotropy, which has a major influence on the change in MRE properties under the magnetic field. Moreover, it was found that the magnetorheological effect can be controlled by changes in the particle alignment according to the magnetic field direction. It means that to obtain a sufficiently high magnetorheological effect it is not necessary to introduce a large amount of magnetic particles into the polymer matrix, but it can be achieved by formation of an appropriate particle microstructure. This is beneficial for reducing the weight of devices based on MRE.

3

Rola mikrostruktury w kształtowaniu właściwości inteligentnych kompozytów magnetoreologicznych

Boczkowska A.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Inżynieria Materiałowa

|

2011

|

z. 27

3-171

PL

Praca dotyczy nowej grupy materiałów inteligentnych, jakimi są magnetoreologiczne kompozyty elastomerowe (MRE), złożone z ferromagnetycznych cząstek rozmieszczonych w elastomerowej osnowie. O ich atrakcyjności decyduje odwracalna zmiana właściwości i wymiarów pod wpływem pola magnetycznego, dzięki czemu mogą one znaleźć zastosowanie jako elementy tłumiące drgania, czujniki lub aktuatory. W literaturze nie ma pełnej zgodności co do wpływu poszczególnych składników kompozytu na właściwości MRE. Dlatego podjęto badania własne mające na celu szczegółowy opis roli mikrostruktury w kształtowaniu właściwości użytkowych kompozytów magnetoreologicznych. Przeprowadzono badania nad otrzymywaniem MRE, stosując różne elastomery jako osnowę, cząstki ferromagnetyczne o różnym kształcie i rozmiarach, a także promotor adhezji. Wykonano próbki MRE o izotropowym rozmieszczeniu cząstek i ukierunkowanym w polu magnetycznym, przy czym szczególną uwagę zwrócono na ukierunkowanie łańcuchów cząstek pod różnymi kątami. Przeprowadzono także badania wpływu cząstek na budowę elastomeru, stosując analizę termiczną, spektroskopię w podczerwieni i mikroanalizę ramanowską. Wykorzystując metodę elastooptyczną, cyfrową korelację obrazu i metodę elementów skończonych, określono stan naprężeń i odkształceń w osnowie między modelowymi dipolami. Scharakteryzowano dynamikę procesów relaksacyjnych zachodzących w osnowie elastomerowej pod wpływem oddziaływań między cząstkami w polu magnetycznym, wykorzystując nowatorską metodę XPCS opartą na promieniowaniu synchrotronowym. Zbadano mikrostrukturę wytwarzanych MRE, stosując mikroskopię świetlną i skaningową elektronową, a do ilościowej oceny stopnia anizotropii mikrostruktury zastosowano analizę obrazu. W celu określenia anizotropii magnetycznej i strukturalnej MRE przeprowadzono badania właściwości magnetycznych. Wykonano w szerokim zakresie charakterystykę właściwości mechanicznych opracowanych MRE. Wyznaczono bezwzględny i względny efekt magnetoreologiczny, analizując wpływ mikrostruktury kształtowanej na etapie wytwarzania MRE przez różne natężenie pola magnetycznego, zawartość, rozmiary i ukierunkowanie cząstek, zastosowanie promotorów adhezji i osnowy o różnej sztywności. Na podstawie badań stwierdzono, że przy tym samym udziale objętościowym cząstek, MRE o anizotropowej mikrostrukturze, kształtowanej na etapie wytwarzania w polu magnetycznym, charakteryzują się znacznie większym efektem magnetoreologicznym niż MRE o izotropowym rozmieszczeniu cząstek. Po raz pierwszy stwierdzono nieliniową zmianę właściwości reologicznych w funkcji udziału cząstek, co jest wynikiem anizotropii strukturalnej i magnetycznej, która ma najistotniejszy wpływ na zmianę właściwości MRE w polu magnetycznym, czyli efekt magnetoreologiczny. Ponadto stwierdzono, że efektem magnetoreologicznym można sterować przez zmianę kierunku ułożenia łańcuchów cząstek względem kierunku działania pola. Oznacza to, że do uzyskania odpowiednio dużego efektu magnetoreologicznego nie jest konieczne wprowadzenie dużej ilości cząstek, a należy wytworzyć odpowiednią mikrostrukturę, co można uzyskać przy znacznie mniejszym udziale objętościowym cząstek. Ma to korzystny wpływ na zmniejszenie masy konstrukcji urządzeń z zastosowaniem MRE. W wyniku badań własnych opracowano nowe elastomery magnetoreologiczne, o możliwościach aplikacyjnych, charakteryzujące się niezwykle dużym efektem magnetoreologicznym.

EN

The study is devoted to a new group of intelligent materials, such as magnetorheological elastomer composites (MREs), composed of ferromagnctic particles embedded in an elastomer matrix. They exhibit reversible changes of properties and shape under magnetic field, which makes them attractive for application as dampers, sensors or actuators. They are not fully described in literature; especially the effect of the component type and form on the composites properties is not fully known and understood. Therefore, within this work, studies of describing the role of microstructure in the property formation of magnetorheological composites were undertaken. Studies on fabrication of MREs were carried out using different elastomers as a matrix, ferromagnetic particles of various shapes and sizes, and coupling agents. Samples with isotropic and anisotropic particles arrangement were examined. Particles were oriented into chains under external magnetic field. Special attention was paid to fabrication of samples with different orientation of chains to the magnetic field direction. The influence of particles content on the elastomer properties was studied using thermal analysis, infrared and Raman spectroscopies. Distribution of stress and strain in the elastomer matrix between two macro dipoles was studied using photoelastic, digital image correlation and finite elements methods. Dynamics of relaxation in the elastomer matrix. influenced by the particles interactions with the magnetic field, was examined with a novel XPCS method based on synchrotron radiation. The MREs microstructure was studied using light and scanning electron microscopy. Quantitative description of the degree of anisotropy has been performed with computer image analysis. Structural and magnetic anisotropy of MREs was derived from the magnetic studies. Mechanical properties of MREs were also characterized in a broad range. Absolute and relative magnetorheological effects were calculated taking into account the microstructure, which was formed in the course of MREs fabrication, by changing the magnetic field strength, particles volume fraction, shape, arrangement and application of coupling agents. As a result of the studies, it has been found that MREs with an anisotropic microstructure exhibit, for the same particles content, much higher magnetorheological effect in comparison to the isotropic ones. For the first time, the non-linear change of the rheological properties versus particles fraction has been found. It is due to structural and magnetic anisotropy of MREs, which has the greatest influence on changes of the properties under magnetic field, i.e. magnetorheological effect. Moreover, it was found that the magnetorheological effect can be controlled by the particles alignment to the magnetic field lines. It means that it is possible to obtain high magnetorheological effect not by increasing the particles volume fraction, but by the formation of appropriate microstructure. It can be achieved for Iower particles volume fraction, which advantageously decreases weight of devices based on MREs. As a result of this work, new MREs, with application capabilities, characterized by extremely high magnetorheological effect, have been obtained.

4

Stan naprężenia w elastomerze zawierającym cząstki ferromagnetyczne w polu magnetycznym

Boczkowska A., Jaroniek M., Czechowski L., Niezgoda T.

Mechanik

|

2010

|

R. 83, nr 7

470-474

PL

Przedstawiono wyniki analizy modelowania metodą elementów skończonych oraz badań metodą elastooptyki magnetoreologicznego elastomeru w obecności pola magnetycznego. Celem przeprowadzonych symulacji numerycznych i badań eksperymentalnych było uzyskanie wiedzy o wzajemnym oddziaływaniu elastomeru i kulek żelaza (wyznaczenie wartości odkształcenia i naprężenia) oraz zdobycie doświadczenia niezbędnego do modelowania takich oddziaływań na poziomie mikrostruktury w rzeczywistym elastomerze zawierającym cząstki żelaza o wymiarach mikronowych.

EN

Analysis results of the FEM models and the magnetorheologic photoelasticity tests of elastomer materials exposed to magnetic fields.