![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Объектом исследования в данном проекте являются намагничивающиеся среды, в частности, намагничивающиеся полимеры, представляющие собой композитные материалы на основе различных полимеров с включениями намагничивающегося материала (твердых ферромагнитных нано и микро-частиц частиц или капель магнитной жидкости). В данном проекте делается акцент на исследовании деформации конечных объемов таких сред в магнитных полях и возможности использования этой деформации для создания направленного движения, например, для создания мобильных роботов (движителей) и различных приводов. Особенность таких устройств заключается в том, что источник движения – внешнее магнитное поле, созданное внешними по отношению к этим устройствам источниками. Такие устройства не содержат внутри себя моторов и твердых движущихся деталей, поскольку состоят из мягких полимерных материалов, поэтому такие устройства могут найти свое применение в медицине и биологии, где безопасность живых организмов очень важна. Цели проекта: - теоретически и экспериментально изучить деформацию и перемещение тел из намагничивающихся полимеров в различных магнитных полях; - изучить возможность использования деформацию тел из намагничивающихся полимеров в переменных во времени магнитных полях для создания направленного движения.
Теоретическое и экспериментальное исследование поведения в магнитных полях тел из намагничивающихся композитов позволит предложить новые принципы создания движения и оптимизировать предложенные ранее способы движения. В данном проекте предполагается: - создать установку для исследования деформации длинного цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера в неоднородном магнитном поле; - экспериментально обнаружить многозначность равновесных форм длинного цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера в неоднородном магнитном поле; - теоретически изучить деформацию длинного цилиндрического тела из несжимаемого намагничивающегося эластомера в неоднородном магнитном поле созданной установки; - теоретически исследовать устойчивость статических форм длинного цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера в неоднородном магнитном поле установки; - сконструировать установку, создающую переменное во времени магнитное поле; - экспериментально исследовать движение тел сложной формы из намагничивающегося эластомера в переменном магнитном поле.
- Впервые выведены формулы для магнитной силы и момента сил, действующих на парамагнитное тело в конечных объемах магнитной жидкости, (Naletova V.A., Kvitantsev A.S., Turkov V.A., J. Magn. Magn. Mater., 258-259, 439-442 (2003), Квитанцев А.С., Налетова В.А., Турков В.А., Известия РАН, МЖГ, N 3, 12-20 (2002)). Исследована возможность зависания парамагнитных тел около границы (стенок сосуда) намагничивающихся жидкостей. Исследованы реологические свойства суспензий твердых намагничивающихся частиц в магнитной жидкости, связанные с этим пристеночным эффектом (эффектом отталкивания намагничивающихся частиц от стенок в магнитном поле). - Построена новая модель упругого намагничивающегося полимера, учитывающая магнитострикционные эффекты (см. работы Turkov V.A., J. Magn. Magn. Mater., 252, 156-158 (2002), Naletova V.A., Kiryushin V.V., Turkov V.A., Shkel Y.M., Klingenberg D.J., Magnetohydrodynamics, 37, N 1-2, 206-211, (2001), Naletova V.A., Turkov V.A., Shkel Y.M., Klingenberg D.J., J. Magn. Magn. Mater., 202, 570-573 (1999)). Показано, что в случае конечных деформаций таких сред в магнитном поле в ряде случаев можно ввести эффективный модуль Юнга, зависящий от магнитного поля. Получено хорошее совпадение теоретических и экспериментальных результатов.
Результаты исследования позволят предложить и оптимизировать прототипы автономных систем локомоции и других устройств на основе намагничивающихся полимеров, которые можно использовать в медицинских или биологических исследованиях.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Активные системы, основанные на магнитных композиционных материалах, применяемые для локомоции и манипуляции |
Результаты этапа: Задачи, поставленные в план 2016, решены и представлены в 13 печатных работах, из них 2 статьи в реферируемых журналах, также подготовлены и приняты в печать 2 статьи в реферируемых журналах. Результаты доложены на 6 российских и международных конференциях. 1. Создана установка для исследования деформации тонкого цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера в неоднородном магнитном поле одной электромагнитной катушки. Тело подвешено на некотором расстоянии от катушки вдоль оси катушки. В установке ток в катушке может меняться по любому закону. В экспериментах регистрировалась длина образца при изменении тока с помощью фото- и киносъемки. Результаты фото и киносъемки обрабатывались на компьютере. Экспериментально обнаружено, что равновесное состояние такого тела из намагничивающегося эластомера, к которому тело приходит при изменении тока в катушке, существенно зависит от характера этого изменения. 2. Проведены эксперименты с несколькими образцами. Во всех экспериментах ток в катушках менялся квазистатически (ток изменяли на некоторую величину, а затем через достаточно большое время проводили измерения длины образца) от нуля до 12 А, затем уменьшали ток до нуля. Обнаружен гистерезис длины тела при циклическом увеличении и уменьшении тока. При изменении тока обнаружены скачкообразное изменение длины тела при некоторых значениях токов. Причем при увеличении тока скачок длины тела происходит при токе большем, чем в случае уменьшения тока. Это означает, что в некотором диапазоне токов при одном значении тока существуют два устойчивых равновесных состояния, сильно отличающиеся друг от друга, т.е. наблюдается бистабильность формы тела в магнитном поле. 3. Экспериментально силовым методом определены магнитные проницаемости эластомеров. Для этого образец сферической формы подвешивается в неоднородном магнитном поле электромагнитной катушке и с помощью динамометра измеряется магнитная сила, действующая на тело. Неоднородное магнитное поле измерялось датчиком Холла. Затем данные измерения поля апроксимируются и вычисляется градиент приложенного магнитного поля. Далее с использованием известной формулы для силы, действующей на сферическое тело, вычислялась магнитная проницаемость эластомера. 4. Экспериментально измерялась удлинение горизонтального тела при увеличении нагрузки. В случае горизонтального образца напряженное состояние можно считать однородным и результаты этих измерений можно обрабатывать известным образом и определять коэффициента упругости в модели Муни — Ривлина. Показано, что при формальной обработке эксперимента по растяжению вертикального образца можно получить неправильный результат, а именно, что эластомеры не описываются моделью Муни — Ривлина. Это связано с тем, что сила тяжести существенно деформирует образцы эластомера и создает неоднородную деформацию. Таким образом предложена методика измерения коэффициентов упругости, которая должна использоваться для материалов с низкими значениями коэффициентов упругости. 5. Предложена математическая модель для расчета деформации тонкого тела в неоднородном магнитном поле. Упругие свойства несжимаемого эластомера описываются моделью Муни — Ривлина. Численные расчеты по предложенной модели с учетом измеренных в эксперименте физических параметров эластомеров показали, что в некотором диапазоне токов существует три положения равновесия тела. 6. Теоретически получен критерий неустойчивости равновесного положения тела. С использованием этого критерия можно показать, что одно из трех положений равновесия неустойчиво и могут реализоваться только два из них. Это качественно совпадает с результатами эксперимента. Некоторое количественное отличие экспериментальных и теоретических результатов может быть связано с зависимостью коэффициентов упругости от величины магнитного поля. Теоретически и экспериментально обнаруженная бистабильность деформации тела из намагничивающегося эластомера в неоднородном магнитном поле может являться причиной, так называемой магнитной пластичности. | ||
2 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Активные системы, основанные на магнитных композиционных материалах, применяемые для локомоции и манипуляции |
Результаты этапа: Задачи, поставленные в план, решены и представлены в 14 печатных работах, опубликован 3 статьи в реферируемых журналах, подготовлена и сдана в печать 1 статья. Результаты доложены на 3 российских и международных конференциях. 1. Создана установка для исследования деформации тонкого цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера в неоднородном магнитном поле одной электромагнитной катушки. Экспериментально обнаружено, что равновесное состояние такого тела из намагничивающегося эластомера, к которому тело приходит при изменении тока в катушке, существенно зависит от характера этого изменения. 2. Проведены эксперименты с несколькими образцами. Во всех экспериментах ток в катушках менялся квазистатически. Обнаружен гистерезис длины тела при циклическом увеличении и уменьшении тока. При изменении тока обнаружены скачкообразное изменение длины тела при некоторых значениях токов. Показано, что в некотором диапазоне токов наблюдается бистабильность формы тела в магнитном поле. 3. Экспериментально силовым методом определены магнитные проницаемости эластомеров. Для этого образец сферической формы подвешивается в неоднородном магнитном поле электромагнитной катушке и с помощью динамометра измеряется магнитная сила, действующая на тело. Далее с использованием известной формулы для силы, действующей на сферическое тело, вычислялась магнитная проницаемость эластомера. 4. Экспериментально измерялась удлинение горизонтального тела при увеличении нагрузки. В случае горизонтального образца напряженное состояние можно считать однородным и результаты этих измерений можно обрабатывать известным способом и определять коэффициента упругости в модели Муни — Ривлина. Предложенная методика может использоваться для материалов с низкими значениями коэффициентов упругости. 5. Предложена математическая модель для расчета деформации тонкого тела в неоднородном магнитном поле. Численные расчеты по предложенной модели с учетом измеренных в эксперименте физических параметров эластомеров показали, что в некотором диапазоне токов существует три положения равновесия тела. 6. Теоретически получен критерий неустойчивости равновесного положения тела. С использованием этого критерия можно показать, что одна из трех равновесных форм неустойчива и могут реализоваться только две из них. Таким образом, и теоретически и экспериментально обнаружена бистабильность деформации тела из намагничивающегося эластомера. 7. Создана новая установка, создающая однородное переменное во времени магнитное поле. 8. Экспериментально исследовано движение погруженных в жидкость тел из намагничивающегося эластомера в переменных во времени магнитных полях около дна сосуда. 9. Экспериментально исследовано поведение тел из намагничивающегося эластомера около горизонтальной поверхности в отсутствии окружающей жидкости в переменном наклонном магнитном поле. 10. Создана экспериментальная установка, создающая неоднородное переменное магнитное поле, в которой можно менять частоту колебаний периодически меняющегося поля. Исследованы вынужденные колебания тела из намагничивающегося эластомера в периодически изменяющемся магнитном поле. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".