SKALSKI Paweł 1 DĘBEK Cezary 2 Badania magnetyczne elastomeru magnetoreologicznego WSTĘP Realizując nowe rozwiązania technologiczne, zadaniem każdego inżyniera jest dobranie materiałów o jak najlepszych właściwościach pod kątem wybranego zastosowania. Właściwy wybór materiału pozwala skrócić czas wykonania prototypu i tym samym skrócić czas rozwiązania zadania. W tym celu niezbędne jest przeprowadzenie dokładnej analizy materiałów, których właściwości możemy rozróżnić przede wszystkim pod względem klas materiałowych na biologiczne, chemiczne oraz fizyczne. W technice u początków XXI wieku poznawszy świetnie zjawiska elektryczne w ciągu poprzednich dwóch stuleci, świat nauki skupił się na rozwijaniu zastosowań magnetyzmu, który występuje nierozerwalnie ze zjawiskiem elektryczności, będąc jak dowodzą najnowsze badania zależny od struktury materiału oraz innych właściwości mechanicznych. W latach 80. XX wieku zaczęto rozwijać nową grupę materiałów, zwanych powszechnie materiałami inteligentnymi. Grupa ta stanowi podstawę nowoczesnych rozwiązań technicznych. Materiał inteligentny charakteryzuje się zmianą właściwości pod wpływem bodźców zewnętrznych, w sposób przewidywalny. Ważne jest przy tym, aby uzyskanie oczekiwanych efektów odbyło się w czasie rzeczywistym lub zbliżonym do rzeczywistego [1]. Jednym z materiałów reprezentujących grupę materiałów inteligentnych jest elastomer magnetoreologiczny. Elastomer MR dzięki zawartości pyłu magnetycznego w matrycy, łączy w sobie właściwości magnetyczne i wysoko elastyczne, co sprawia, że jest on obiektem zainteresowania nie tylko pod względem aplikacyjnym, ale również poznawczym [2]. W celu otrzymania kompozytów o dobrych właściwościach prowadzone są prace nad MRE będącymi kompozycjami opartymi o wulkanizowane kauczuki, np. NR, NBR, EPDM. Kompozyty te napełnia się różnymi ilościami cząstek magnetycznych. Takie materiały nadają się do zastosowań inżynierskich, mogą być przydatne do budowy inteligentnych wibroizolatorów czy struktur o zmiennym kształcie (struktur morficznych) stosowanych w technice lotniczej [3]. Autorzy pracy przedstawiają sposób wytworzenia elastomeru magnetoreologicznego (MR). Następnie przedstawiają badania magnetyczne i w kolejnej części pracy dokonują analizy wyników. Całość pracy zamykają wnioski i bibliografia. 1. WYTWORZENIE ELASTOMERU MAGNETOREOLOGICZNEGO Wytworzony na cele badań elastomer magnetoreologiczny składał się z 100 części wagowych kauczuku naturalnego, oraz 400, 600 i 900 części wagowych cząstek magnetycznych, siarkowego zespołu sieciującego, plastyfikatorów oraz środków przeciwstarzeniowych. Za pomocą walcarki laboratoryjnej otrzymano bazową mieszankę kauczukową NR niezawierającą żelaza karbonylkowego o matrycy elastomerowej. Mieszankę oznaczono jako SKM0. Wcześniej kauczuk naturalny uplastyczniano poprzez mieszanie w mikserze. Na drugi dzień mieszankę odświeżano na walcarce poprzez parokrotne zrolowanie i zbadano kinetykę wulkanizacji oznaczając minimalny czas podwulkanizacji i czas optimum wulkanizacji. Wulkanizację elastomeru z pyłem karbonylkowym HS produkcji BASF, wykonano za pomocą prasy laboratoryjnej, w temperaturze 145, przy ciśnieniu 17 MPa. 1 Instytut Lotnictwa, Centrum Nowych Technologii; 02-256 Warszawa; al. Krakowska 110/114. Tel.: +48 22 846 00 11; pawel.skalski@gmail.com. 2 Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, Oddział Elastomerów i Technologii Gumy w Piastowie; ul. Harcerska 30; 05-820 Piastów. 4403
Z tak otrzymanego materiału wycięto krążki o średnicy 20 mm i grubości 2 mm. Następnie z krążków wycięto próbki do badań w kształcie sześcianików. W ten sposób przygotowano cztery próbki do badań, które miały następujące oznaczenia: - SKM0 nie zawierająca cząstek magnetycznych; - SKM0 400 zawierająca 400 części wagowych cząstek magnetycznych; - SKM0 600 zawierająca 600 części wagowych cząstek magnetycznych; - SKM0 900 zawierająca 900 części wagowych cząstek magnetycznych. W tablicy 1 przedstawiono odpowiednio dla każdej badanej próbki gęstość elastomeru MR oraz masę próbki. Tab. 1. Gęstość oraz masa próbek do badań. Oznaczenie Gęstość [g/cm 3 ] Masa [g] SKM0 0,98 0,0114 SKM0 400 2,97 0,0276 SKM0 600 3,57 0,0278 SKM0 900 3,93 0,0406 2. BADANIA MAGNETYCZNE ELASTOMERU MR Badania wykonano na magnetometrze z wibrującą próbką (VSM LakeShore 7410), w temperaturze 20 C, w polu H 1600 ka/m (2T). Magnetometr LakeShore 7410 to jeden z najbardziej precyzyjnych urządzeń do badań magnetycznych z wibrującą próbką. Dzięki tak przeprowadzonym badaniom udało się wyznaczyć krzywe B-H badanego elastomeru MR (gdzie B oznacza indukcję magnetyczną wyrażaną w teslach [T]). Na rys. 1 przedstawiono magnetometr VSM LakeShore. Rys. 1. Magnetometr z wibrującą próbką VSM LakeShore 7410 (www.lakeshore.com) 3. WYNIKI BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH I ANALIZA WYNIKÓW Po zrealizowanych badaniach zestawiono krzywe B-H dla samego materiału (bez uwzględniania wkładu pochodzącego od urządzenia). Badania pozwoliły ponadto wyznaczyć podstawowe parametry magnetyczne, tj. koercję H C, remanencję (pozostałość magnetyczną M R ) i namagnesowanie nasycenia M S. Na rys. 2 przedstawiono krzywe B-H dla próbek SKM0, bez cząstek magnetycznych (a), oraz z zawartością żelaza karbonylkowego: SKM0 400 (b), SKM0 600 (c), SKM0 900 (d) (kolor fioletowy). Krzywa B-H o niższych wartościach B (kolor czerwony) wskazuje na indukcję magnetyczną (polaryzację) próbki bez uwzględniania indukcji zewnętrznego pola magnesującego. 4404
a) b) c) d) Rys. 2. Krzywe B-H dla próbek SKM0, bez cząstek magnetycznych (a), oraz z zawartością żelaza karbonylkowego: SKM0 400 (b), SKM0 600 (c), SKM0 900 (d) (kolor fioletowy). Krzywa B-H o niższych wartościach B (kolor czerwony) wskazuje na indukcję magnetyczną (polaryzację) próbki bez uwzględniania indukcji zewnętrznego pola magnesującego. W tablicy 2 zestawiono średnie wartości właściwości magnetycznych dla próbek SKM0 bez cząstek magnetycznych, oraz z różną zawartością żelaza karbonylkowego (SKM0 400; SKM0 600; SKM0 900). 4405
Porównując tak otrzymane wyniki, można zauważyć że wraz ze wzrostem zawartości pyłu karbonylkowego w badanym elastomerze magnetoreologicznym, koercja praktycznie się nie zmienia, remanencja nieznacznie rośnie ze wzrostem zawartości pyłu, jak i również rośnie namagnesowanie nasycenia. Tab. 2. Zestawienie wartości średnich właściwości magnetycznych dla próbek SKM0, bez cząstek magnetycznych oraz o różnej zawartości żelaza karbonylkowego. Próbka Koercja [ka/m] Remanencja [Am 2 /kg] Namagnesowanie nasycenia [Am 2 /kg] SKM0 materiał niemagnetyczny SKM0 400 1,52 0,60 162,7 SKM0 600 1,54 0,69 176,5 SKM0 900 1,47 0,68 180,0 WNIOSKI Elastomery magnetoreologiczne są coraz częściej stosowane w różnych aplikacjach inżynierskich. Ze względu na ich elastyczny charakter oraz możliwość zmian parametrów reologicznych pod wpływem przyłożonego pola magnetycznego, materiał ten ma duże szanse na swoje zastosowanie. Stymulacja zewnętrznym polem magnetycznym powoduje w elastomerach magnetoreologicznych nieliniową i odwracalną zmianę reologiczną. W odróżnieniu od cieczy MR, pracujących powyżej granicy plastyczności, typowy obszar pracy elastomerów magnetoreologicznych mieści się poniżej tej granicy. Oba materiały uzupełniają się wzajemnie. Właściwości mechaniczne elastomerów magnetoreologicznych predestynują je do tłumienia drgań. Mogą one znaleźć zastosowanie w nowatorskich tłumikach elastycznych ze zmienną charakterystyką, w zastosowaniach militarnych, do otrzymywania struktur pochłaniających fale magnetyczne, w przemyśle stoczniowym jako balast magnetyczny. Aby mogły być one w pełni stosowane, wymagają one wciąż dużych nakładów pracy, aby w pełni poznać ich parametry magnetyczne. PODZIĘKOWANIA Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/D/ST8/07456. Autorzy pracy pragną również podziękować Pani Marcie Izydorzak za wykonanie badań magnetycznych na elastomerach MR. Streszczenie Właściwości elastomerów magnetoreologicznych mogą być kontrolowane za pomocą pola magnetycznego. Materiały te mają duże możliwości zastosowania w transporcie ale również w innych gałęziach przemysłu. W pracy przedstawiono otrzymywanie elastomerów mr bez obecnego pola magnetycznego. Następnie przeprowadzono badania na magnetometrze z wibrującą próbką. Dokonano analizy wyników i przedstawiono wnioski. Słowa kluczowe: elastomer magnetoreologiczny, badania magnetyczne, magnetometr. Magnetic investigations of magnetorheological elastomers Abstract Properties of magnetorheological elastomers can be controlled by magnetic field. These materials have great potential for use in transportation but also in other industries. This paper presents the preparation of mr elastomers without magnetic field. The magnetic investigations of mre samples were performer. The analysis of the results and conclusions are presented. Key words: magnetorheological elastomer, magnetic investigations, magnetometer. 4406
BIBLIOGRAFIA 1. Akhras G., Smart Materials and Smart Systems for the Future, Canadian Military Journal, Autumn 2000. 2. Kaleta J., Materiały magnetyczne SMART. Budowa, wytwarzanie, badanie właściwości, Politechnika Wrocławska 2013. 3. Skalski P., Materiał inteligentny do zastosowania w strukturach lotniczych, Logistyka 6/2014. 4407