Motivation

In zahlreichen Bereichen der Technik, z. B. in Aktoren, Sensoren, Mikropumpen oder -ventilen, kommen magneto-sensitive Elastomere (MSE) zum Einsatz. Typische MSE bestehen aus einer mechanisch isotropen Elastomermatrix und mikrometergroßen magnetisierbaren Partikeln. Durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes weisen diese Materialien deutliche Verformungen sowie magnetfeldabhängige elastische Module auf. Im Speziellen zeigen ursprünglich mechanisch isotrope Proben ausgeprägte Anisotropie im angelegten Feld. Die magnetische Schaltbarkeit von MSE kann durch Anwendung einer anisotropen faser- oder textilverstärkten Elastomermatrix weiter entscheidend manipuliert und verstärkt werden.

Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten

Das magneto-mechanische Verhalten der MSE ist in umfangreichen theoretischen Vorarbeiten untersucht worden. Richtung und Stärke der magnetfeld-basierten Adaptivität im äußeren Feld H₀ hängen beide vom Querschnittsverhältnis der Probe in Feldrichtung und von der lokalen ketten- oder flächenartigen Anordnung der Partikel ab. Eigene Berechnungen zeigen, dass besonders längliche Proben mit kettenartigen Strukturen eine starke Erhöhung der mechanischen Moduln aufweisen. Abhängig von der Anzahldichte und dem Verhältnis des Kettendurchmessers b zur Partikelgröße d_p zeigen MSE ein unterschiedliches Verformungsverhalten: Kontraktion oder Ausdehnung. Die theoretischen Ansätze sagen voraus, dass durch gezielte Anpassung der Partikelanordnung und der Probenkörpergeometrie schon bei moderaten magnetischen Flussdichten große Effekte erzielt werden können.

© ISM/IPF

Wissenschaftliche Fragestellung und Projektziele

Durch gezielte Einstellung anisotroper Verbundeigenschaften als auch durch ortsspezifische Anreicherung der Magnetpartikel können die aktorischen Wirkmechanismen in MSE in Wechselwirkung mit der charakteristischen Ausrichtung des Magnetfelds gezielt beeinflusst werden. In Interaktion mit den Ergebnissen des TP3 besteht das Ziel dieses TP in der Modellierung von aktorischen Wirkmechanismen basierend auf der Beschreibung der Wechselwirkungen an den Grenzflächen zwischen Matrix, funktionalem Füllstoff und Verstärkungsfasern auf Mikroebene unter Annahme einer lokalisierten Polymerschicht mit erhöhter Steifigkeit an diesen Grenzflächen. Die Modellierung wird anhand einer mikroskopischen Theorie erfolgen, welche die Ableitung analytischer Gesetzmäßigkeiten für magnetisch induzierbare Verformungen sowie magnetfeldabhängige elastische Module als Funktion von Temperatur, Matrixanisotropie, Vernetzungsdichte, Füllstoffgehalt und -lokalisierung, Stärke und Ausrichtung des Magnetfelds erlauben wird.

Kontakt

Institut für Strömungsmechanik, Fakultät Maschinenwesen der TU Dresden
Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF)

© Jürgen Lösel

Name

Frau PD Dr. rer. nat. habil. Marina Grenzer

Leiterin Materialtheorie und Modellierung

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