Материаловедение

Магнитоэластики

Существуют разнообразные виды полимерных магнитных материалов, представляющих собой композиты, состоящие из полимерной матрицы, наполненной высокодисперсными магнитными частицами. Среди них особое место занимают магнитные эластомеры (ферроэласты), выполненные на основе упругой (вязкоупругой) полимерной матрицы.

Магнитоэластики применяются для создания микродвигателей, обеспечивающих микроперемещения, уплотнителей аппаратов, клапанов, приборов для измерения магнитных полей, датчиков ускорений и вибраций, манипуляторов с мягким захватом, электромагнитных гасителей колебаний.

В основе всех практических применений магнитоэластиков лежит магнитодеформационный эффект, который заключается в том, что образец феррогеля, помещенный в магнитное поле, изменяет свои размеры, форму и упругие свойства.

Наиболее значительный практический интерес вызывают мягкие магнитные эластомеры (мягкие ферроэласты, или феррогели). С одной стороны, феррогели можно рассматривать как «загущенные» аналоги магнитных жидкостей, а, с другой – как магнитные резины, упругость которых резко ослаблена. Феррогели могут иметь разнообразную полимерную основу (от желатина до каучука) и различные наполнители (металлы, ферриты), масштаб дисперсности которых может быть как микронным, так и нанометровым.

Деформация феррогелей при наложении магнитного поля может достигать многих десятков процентов. Большая величина магнитодеформационного эффекта делает феррогели весьма привлекательными для практики. Однако они обладают и другими замечательными особенностями. Во-первых, это зависимость модуля упругости и коэффициента внутреннего трения от приложенного магнитного поля. Во-вторых, это эффект магнитной памяти формы, когда материал, упругий в отсутствие магнитного поля, при включении последнего резко меняет свою реологию и превращается в «магнитный пластилин». После выключения поля образец феррогеля вновь переходит в упругое состояние и восстанавливает свою форму.

Особенности магнитомеханического поведения феррогелей обусловлены сильным взаимодействием их упругой и магнитной подсистем. Главный вклад в эти особенности вносит перегруппировка магнитных частиц в мягкой матрице. Механизм деформации феррогелей иллюстрирует рис. 1. В отсутствие магнитного поля монодоменные частицы имеют случайную ориентацию векторов намагниченности. При приложении магнитного поля частицы выстраиваются в линии вдоль магнитного поля и движутся в область с наибольшей интенсивностью поля, т.е. к поверхности магнита. Матрица, будучи эластичной, движется вместе с частицами, т.е.

подвергается объемному деформированию. Магнитному притяжению противодействует внутреннее трение эластичной матрицы.

Деформационный механизм в феррогелях

Рис. 1. Деформационный механизм в феррогелях: магнитное поле притягивает магнитные частицы и деформирует эластичную матрицу

Феррогели перспективно использовать в медицине. В частности, разработаны специальные пористые феррогели, имплантируемые в организм подобно «магнитной губке» (рис. 2), из которой можно «выжимать» клетки, лекарственные препараты или другие вещества, проводя над ней магнитом.

Структура «магнитной губки»

Рис. 2. Структура «магнитной губки»

Такие феррогели могут быть сжаты до 70 % магнитным полем (рис. 3). Они изготавливаются из биоразлагаемого материала, поэтому их не нужно удалять из организма.

Область технического применения феррогелей может быть оценена путем сравнения этих материалов с другим классом подобных интеллектуальных материалов, а именно с магнитными жидкостями. Магнитные жидкости уже нашли довольно широкое применение в технике. По сравнению с магнитными жидкостями феррогели пока еще не получили большого распространения, но у них есть бесспорные преимущества: отсутствие вытекания жидкости и возможность плавного управления вязкостью и упругостью материала.

Сжатие пористого феррогеля магнитным полем

Рис. 3. Сжатие пористого феррогеля магнитным полем: а – поле отсутствует; б – поле включено

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *