Классификация композитов с магнитными частицами
Ведение
Всестороннее изучение композиционных материалов важно для современной техники и науки. С каждым годом композиционные материалы привлекают внимание все более широкого круга специалистов.
Сочетание в одном материале веществ с различными физико-механическими свойствами позволяет получать композиты, обладающие уникальными показателями прочности, жесткости и другими физико-механическими свойствами. Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей.
Особо важным является процесс моделирования таких веществ, так как с помощью него можно описать структуру материала и ее влияние на отклик образца на внешние воздействия.
Данная работа посвящена магнитнополимерным композитам. Как понятно из названия – это вещество из комбинаций полимеров с магнитными частицами, которое активно реагирует на внешние поля, но при этом поведение самих частиц наполнителя во многом определяется действием локальных магнитных полей.
Целью данной работы является определение важности композиционных материалов, изучение их уникальных свойства, подробное рассмотрение композитов с магнитными частицами, проведение их классификации, выявление существующих моделей и актуальных задач.
Важную роль в научно-исследовательской практике играет обзор актуальной литературы, который способствует анализу существующего положения дел в исследуемой области. Кроме того данные полученные в обзоре можно использовать в собственном исследовании.
Композитный материал
Композиционный материал, композит — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними [1].
Композиционные материалы классифицируют по следующим критериям:
· форма (геометрия) наполнителя;
· схема армирования (расположение) его в матрице;
· природа компонентов;
· механизм упрочнения.
Разные классы композиционных материалов обычно обладают одним или несколькими преимуществами по таким свойствам, как:
· высокая удельная прочность,
· высокая жесткость;
· высокая износостойкость;
· высокая усталостная прочность;
· размерная стабильность;
· коррозионная стойкость.
К недостаткам композиционных материалов можно отнести некоторые их характеристики:
· высокую стоимость;
· анизотропию свойств;
· высокую наукоемкость производства;
· необходимость специального оборудования;
· необходимость специальных видов сырья.
Композиты применяют в товарах широкого потребления (железобетон, лодки из стеклопластика, автомобильные покрышки, металлокомпозиты), в спортивном оборудование (хоккейные клюшки, коньки, байдарки, каноэ, вёсла, шлемы), в медицине (материал для зубных пломб), в машиностроение, в авиации и космонавтики, в вооружение и военной технике [1].
Среди всего разнообразия композиционных материалов рассмотрим композиты с магнитными частицами и определим их уникальность.
Композиты с магнитными частицами - композит с магнитоактивным наполнителем, который активно реагирует на внешние поля, но при этом поведение самих частиц наполнителя во многом определяется действием локальным магнитных полей. В совокупности со свойствами материала матрицы получается уникальный набор характеристик, которые можно контролировать с помощью магнитных полей. Их уникальность в наличие магнитоактивных частиц, способности откликаться на приложенное магнитное воздействие.
Классификация композитов с магнитными частицами
На рис.1 показана схема классификации композитов с магнитными частицами
Рис. 1 классификации композитов с магнитными частицами.
Как видно из схемы классифицировать композиты можно по величине магнитных частиц. Известно, что свойства этих полимеров кардинально отличается в зависимости размеров магнитных фаз. Чаще всего магнитный наполнитель состоит из наночастиц и микрочастиц.
Классификация по магнитным частицам:
Магнитные частицы, используемые в магнитополимерах, могут быть наноразмеров или микроразмеров, их свойства отличаются, так как наночастицы обычно состоят из одного магнитного домена, а микрочастицы из нескольких доменов, таким образом, наночастицы обладают в обычном состоянии определенным магнитным моментов, который при намагничивании поворачивается вдоль поля. А микрочастицы в ненамагниченном состоянии имеют нулевой магнитный момент, так как магнитные моменты разнонаправлены и их векторная сумма равна нулю.
Вторая составляющая композита – это матрица.
Матрицы бывает:
· искусственная
· натуральная
· твердая
· мягкая
Магнитные гидрогели состоят из полимерной матрицы и магнитного компонента в матрице. Их разделяют на тип гидрогеля, размер и распределение. Чтобы изготовить магнитные гидрогели были разработаны такие методы, как метод смешивания, метод осаждения и метод сшивания, как показано на рис. 2 [2 – 4].
Метод смешивания: магнитные наночастицы смешивают с водой или маслом и стабилизирующими веществами для предотвращения осаждения или агрегации частиц, т. е. создают магнитную жидкость. Затем эту жидкость смешивают с раствором прекурса (precursor) гидрогеля в определенном молярном соотношении и в процессе сшивания, частицы оказываются закрепленными в матрице [2 – 4, 24].
Метод осаждения in situ (на месте): магнитные наночастицы изготавливают с помощью реакции осаждения в сетке полимерных гидрогелей после реакции сшивания [2 – 4, 24].
Метод сшивания: нанесение нескольких функциональных групп на поверхности магнитных наночастиц, как сшивающих факторов, что приводит к реакции связывания полимерной матрицы и магнитных частиц [2 – 4, 24].
Рис.2 Схема методов для получения магнитных гидрогелей.
А) Метод смешивания. В) Метод осаждения. С) Метод сшивания.
Различные умные гидрогели, которые реагируют на внешние раздражители (температура, свет, заряд, давление) в физиологическом диапазоне, имеют большой потенциал в биомедицинских применениях таких, как доставка и выпуск лекарств.
Третья составляющая классификации композитов с магнитными частицами – это механические свойства. Они разделяются на магнитные эластомеры, магнитные гели, жесткие полимеры.
Выделяют изотропные и анизотропные магнитные эластомеры:
- изотропные – композиционные материалы, с равномерным пространственным распределением частиц наполнителя
- анизотропные – одноосное упорядочение частиц наполнителя
По механическим свойствам:
· магнитные эластомеры - сформированные в результате полимеризации, состоящие из матрицы в виде эластичного полимера и наполнителя из магнитных частиц, характеризующиеся упругими свойствами, зависящими от пространственного расположения частиц наполнителя
Упругие свойства магнитных эластомеров усиливаются при приложении внешнего магнитного поля. Если магнитоупругий полимер содержит магнитные частицы, диспергированные случайно, то есть две основные экспериментальные ситуации: сжимающая сила (Fx) и направление магнитного поля (характеризуется магнитной индукцией, В) могут быть либо параллельны, либо перпендикулярны, как показано на рис. 3 [5, 6 – 14].
Рис. 3 Экспериментальные возможности при изучении влияния внешнего магнитного поля на упругий модуль. Белые стрелки показывают направление силы; черные стрелки показывают направление магнитного поля
Эффект однородного магнитного поля на модуль упругости изучался, когда приложенное механическое напряжение перпендикулярно расположению частиц. При изменении направления приложенного магнитного поля и столбчатых структур частиц возможны три экспериментальных установки: направление поля перпендикулярно цепочкам частиц (рис. 4 слева и в центре) или параллельно цепочкам частиц (рис. 4 справа) [5].
Рис.4 Влияние напряженности магнитного поля на модуль упругости.
Белые и черные стрелки показывают направление
силы в однородном магнитном поле.
На основе экспериментальных результатов, эффект упругости однородного магнитного поля показан на рис. 4. Можно сделать вывод о том, что пространственная ориентация силы, поля и расположение частиц играет решающую роль во временном эффекте усиления. Слабый эффект имеет место, когда поле перпендикулярно расположению частиц по одной линии (рис. 4 слева и центр) [5].
Если столбчатое расположение частиц параллельно направлению магнитного поля, то модуль упругости значительно увеличивается (рис. 4 справа). При малых значениях напряженности поля до 30 мТл наблюдается небольшое увеличение. Модуль значительно возрастает при напряженности больше 30 мТл. При более высокой интенсивности поля (от 200 мТл), модуль упругости стремится к выравниванию. Также видно, что при увеличении концентрации частиц железа в полимере, модуль упругости матрицы увеличивается. Наиболее значительный эффект был обнаружен в случае, когда направление магнитного поля параллельно направлению выравнивания частиц [5].
Синтез эластомеров при однородном магнитном поле может быть использован для получения анизотропных образцов.
Рис.5 Схематическое расположение магнитных частиц в полимерной матрице изотропных и анизотропных магнитных эластомеров
Первым шагом в подготовке анизотропных полимерных композитов является смешивание частиц наполнителя с реакционной смесью, содержащий полимеры, сшивающее средство и катализатор. Второй шаг заключается в стабилизации системы, чтобы избежать агрегации и осаждение твердых частиц. Для того, чтобы подготовить анизотропные эластомеры, реакционную смесь помещают между полюсами большого электромагнита (рис. 6) [5].
Рис.6 Приготовление одноосно упорядоченного полимерного композита при равномерном магнитном поле
Смесь была подвергнута действию однородного магнитного поля с индукцией B = 400 мТл. Поле ориентирует магнитные диполи, и если частицы распределены близко, то произойдет их взаимодействие. Благодаря притягивающим силам, развиваются цепочечные структуры, как показано на рис. 7. Это явление называется магнитореологическим эффектом [5, 15 – 17].
Рис. 7 Магнитореологический эффект частиц карбонильного железа в однородном магнитном поле. а) Суспензия магнетита в отсутствие внешнего поля. б) Эта же суспензия при 100 мТл однородного магнитного поля. Направление, образующихся цепочек параллельно направлению поля, которое показано стрелкой [5, 18].
Столбчатые структуры могут быть закреплены, с помощью реакции сшивания. После завершения полимеризации образцы удаляются из форм [17– 19].
С помощью магнитореологического эффекта магнитный композит становится анизотропным с точки зрения механических и магнитных свойств. Можно легко изменять направление цепочек частиц вдоль направления приложенного магнитного поля, как показано на рис. 8 [5].
В зависимости от концентрации магнитных частиц, а также величины приложенного магнитного поля, столбчатые структуры магнитных частиц, сформированные в упругой матрице можно варьировать в широких диапазонах. На рисунке 9 показан поли (диметилсилоксан) эластомер, содержащий плотно расположенные столбцы цепочек из магнитных частиц.
Рис. 8 Влияние однородного магнитного поля на формирование структуры магнитных частиц. Стрелки показывают направление однородного магнитного поля.
Н обозначает напряженность магнитного поля.
Рис.9 Колоннообразная структура частиц железа, построенных в поли (диметилсилоксан) эластомера. Для того, чтобы визуализировать колоннообразные структуры магнитных
частиц в поли (диметилсилоксан) композите образец поворачивается.
Угол поворота был уменьшен слева направо
Подробнее рассмотрим магнитные гели и жесткие полимеры.
· магнитные гели – состоят из магнитных частиц, помещенных в мягкую полимерную матрицу или гель. Благодаря этому эти образцы обладают упругими свойствами, и магнитные частицы не осаждаются в матрице
· жесткие полимеры (магнитные пластмассы, магнитные латексы)
Новое поколение магнитных эластомеров и гелей представляют собой современный тип композитов, состоящих из небольших магнитных частицы, рассредоточенные в эластичной, полимерной матрице. Эти материалы обладают большим количеством различных уникальных свойств, которые являются предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований, а также численного моделирования.
Различные свойства могут быть использованы для создания современных композитов для широкой области движения и контролирования изменения формы и перемещения. Способность понять связь композитов в полимерах ускорит работу инженеров для разработки нового типа переключателей, датчиков, микромашин, преобразующие энергию биомиметических устройств и систем доставки.
Магнитоактивные мягкие материалы, основанные на эластомерных полимерах могут реагировать на внешнее магнитное поле и подвергатся деформированию или механическому напряжению. Их часто называют магнитострикционными полимерами или магнитореологическими полимерами. Магнитные полимерные гели принадлежат к подклассу магнитных эластомеров, где гибкие сшитые полимеры содержат намагничиваемые частицы, а также значительное количество жидкости [2].
Разработка магнитно-активных полимерных систем связана с созданием магнитных наночастиц и магнитных жидкостей. Магнитные наночастицы представляют значительный интерес, так как их возможно использовать в устройствах с высокой плотностью памяти и применения в диагностической медицине [5].
Магнитные жидкости (феррожидкости) являются коллоидной системой из однодоменных магнитных наночастиц, которые распределены или в водных или органических жидкостях. Частицы обычно имеют размер в диапазоне от 5 до 15 нм. Магнитореологические частицы содержат сотни магнитных доменов. Эти жидкости демонстрируют эффективные изменения в их реологическом поведении, реагируя на внешнее магнитное поле [5].
Еще одним элементом в классификации магнитных полимеров является частицы в полимерной оболочке.
Частицы в полимерной оболочке– композит, состоящий одной частицы, которая находится в оболочке из полимерного материала [5].
Основная сфера их использования в современной наномедицине. Как уже было выше упомянуто различные способы приготовлений приводят к различным структурам.
Магнитополимерные композиты можно классифицировать по способу закрепления магнитной частицы в полимерной матрице. Можно выделить два случая: когда магнитная частица жестко прикреплена к полимерным цепочкам (характерно для малых частиц) и когда частица находится в ячейке полимерной сетки. В обоих случаях перестройка структуры частиц, образование кластеров, цепочек при намагничивании влияет также на механику полимера.