Motivation

Magnetoaktive Elastomere (MAEs) werden in verschiedenen technischen Anwendungen eingesetzt, z. B. in weichen Aktuatoren, akustischen Metamaterialien und Transportsystemen für Mikrofluide. MAEs sind typischerweise Verbundmaterialien, in denen magnetisierbare Mikropartikel in ein weiches Polymernetzwerk eingebettet sind. In Gegenwart eines externen Magnetfeldes weisen solche Materialien signifikante Verformungen und feldabhängige mechanische Module auf. Insbesondere zeigen anfänglich isotrope Proben eine ausgeprägte mechanische Anisotropie unter der Einwirkung eines Magnetfelds. Die magnetisch gesteuerte Reaktion von MAEs kann entscheidend verbessert werden, wenn kettenartige Strukturen magnetisierbarer Partikel in eine Elastomermatrix implementiert werden.

Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten

Das magnetomechanische Verhalten von MAEs wurde bereits intensiv untersucht und es liegen umfassende theoretische Arbeiten vor [1-3]. Die Richtung und die Stärke der magnetisch basierten Adaptivität im externen Feld H₀ hängt stark vom Seitenverhältnis der Probe  in Feldrichtung und von der lokalen Anordnung der magnetisierbaren Partikel ab. In der Kohorte 1 konnte gezeigt werden, dass MAEs mit isotroper Partikelverteilung einen starken Formeffekt (vgl. Abb. 1, links) und eine ausgeprägte magnetomechanische Anisotropie aufweisen [4]. Weiterhin wurde ein Materialmodell für ellipsoidale isotrope MAEs entwickelt, das durch formabhängige konstitutive Parameter gekennzeichnet ist [4,5]. Das Modell sagt voraus, dass bereits bei moderaten Feldstärken ein hoher magnetorheologischer (MR) Effekt über einen weiten Ausgangsformbereich erzielt werden kann (vgl. Abb. 1, rechts).

Forschungsbedarf besteht zur Modellierung kettenartiger Strukturen magnetisierbarer Partikel und zur Ableitung analytischer konstitutiver Beziehungen für die magnetisch sowie mechanisch induzierten Verformungen und statischer Moduli.

© ISM/IPF

Wissenschaftliche Fragestellung und Projektziele

Durch spezifische Einstellung der Verteilung magnetisierbarer Partikel und unter Berücksichtigung ihrer Umlagerung in einer Elastomermatrix in Gegenwart eines Magnetfelds kann die magnetomechanische Reaktion von MAEs signifikant verbessert werden. Ziel des vorliegenden Projekts ist es, das magnetomechanische Verhalten anisotroper MAEs zu modellieren, die eine kettenartige räumliche Verteilung magnetisierbarer Partikel enthalten. Die Modellierung soll mittels einer mikroskopischen Theorie erfolgen, die die Ableitung analytischer konstitutiver Beziehungen für die magnetisch sowie mechanisch induzierten Verformungen und statische Moduli ermöglicht. Es sollen sich auch die konstitutiven Parameter für anisotrope MAEs als Funktion der Ausgangsform, der Füllstoffkonzentration, der Größe und der Richtung des angelegten Magnetfelds ergeben. Das Materialmodell kann in der Konstruktion und Simulation von weichen Aktuatoren implementiert werden, in der ellipsoidale anisotroper MAE-Einschlüsse für lokale Versteifungszwecke verwendet werden.

Literatur

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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