rola mikrostruktury w kształtowaniu właściwości inteligentnych

P R A C E N A U K O W E P O L I T E C H N I K I WA R S Z AW S K I E J
z. 27
Inżynieria Materiałowa
2011
Anna Boczkowska
Wydział Inżynierii Materiałowej
ROLA MIKROSTRUKTURY
W KSZTAŁTOWANIU WŁAŚCIWOŚCI
INTELIGENTNYCH KOMPOZYTÓW
MAGNETOREOLOGICZNYCH
Rękopis dostarczono 15.11.2010 r.
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
4
Spis ważniejszych skrótów i symboli
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.
Słowa kluczowe: magnetoreologiczne elastomery, kompozyty, cząstki ferromagnetyczne, poliuretany, właściwości reologiczne, efekt magnetoreologiczny, mikrostruktura
SPIS WAŻNIEJSZYCH SKRÓTÓW I SYMBOLI
DIC
DSC
EAP
EPU
ER
ERF
FTIR
KWW
MES
MM
MR
MRF
MRE
MSM
MSMA
PU
SAXS
SEM
SMA
SMP
SKIZ
TGA
VSM
XPCS
XRD
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
cyfrowa korelacja obrazu
skaningowa kalorymetria różnicowa
elektroaktywne polimery
segmentowe elastomery uretanowo-mocznikowe
elektroreologiczny
ciecz elektroreologiczna
spektroskopia w podczerwieni
funkcja Kohlrauscha-Williamsa-Wattsa
metoda elementów skończonych
materiały magnetostrykcyjne
magnetoreologiczny
magnetoreologiczna ciecz
magnetoreologiczny elastomer
cząstki z magnetyczną pamięcią kształtu
stopy z magnetyczną pamięcią kształtu
elastomery poliuretanowe
rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małymi kątami
skaningowa mikroskopia elektronowa
stopy z pamięcią kształtu
polimery z pamięcią kształtu
obszar stref wpływów (ang. skeleton by influence zone)
analiza termograwimetryczna
magnetometr z wibrującą próbką
metoda korelacyjnej spektroskopii fotonów promieniowania rentgenowskiego
(ang. X-ray photon correlation spectroscopy)
– badania rentgenowskie