РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЖИДКИХ И МЯГКИХ МАГНИТНЫХ ПОЛИМЕРОВ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 5
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 7
Заключение 29
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 31
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 5
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 7
Заключение 29
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 31
Актуальность темы исследования. Композитные материалы, состоящие из несущих полимерных сред и внедренных в них нано - или микроразмерных магнитных частиц, являются многофункциональными интеллектуальными материалами нового поколения. К ним относятся магнитные жидкости и механически мягкие магнитодисперные материалы - композиции магнитных частиц в жидких или полимерных средах соответственно. Наиболее распространенными материалами такого типа являются магнитные гели и эластомеры (феррогели и ферроэластомеры) - композиции нано- и микроразмерных ферромагнитных частиц в мягких гелях и сравнительно более жестких эластомерах.
В последние, примерно, десять лет эти системы активно синтезируются и исследуются во всем мире, благодаря богатому набору уникальных физических свойств, важных для современных и прогрессивных наукоемких технологий, так как позволяет достигать прорывного решения многих инженерных, биоинженерных и медицинских задач.
Магнитные эластомеры используются в качестве магнитоуправляемых герметизаторов и уплотнителей, усилителей механического напряжения в химической и горной промышленности, в вакуумных технологиях, в робототехнике, в металлургии, в космической промышленности. Более мягкие магнитные гели и жидкости предназначены для решения биоинженерных и медицинских задач - выращивания и регенерации биологических тканей с требуемыми свойствами, адресной доставки лекарств; они активно применяются в различных методах биосенсорики.
Степень разработанности темы. Теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных особенностей магнитореологических свойств магнитополимерных и жидких систем особо интенсивно проводятся последнее десятилетие. Результаты этих исследований, в частности, показывают, что мягкие феррогели под действием умеренных полей могут деформироваться с изменением линейных размеров на 10-30% [7]. Это на несколько порядков величины больше магнитодеформаций всех известных твердых магнетиков. Физические свойства и поведение магнитных интеллектуальных материалов определяются внутренними структурными и фазовыми превращениями, происходящими в ансамблях внедренных частиц под действием внешнего магнитного поля, механической нагрузки и других факторов. Фундаментальные особенности этих превращений, имеющих ряд принципиальных отличий для таковых в жидких и газовых средах, практически не изучены. За годы интенсивных исследований по этой теме собран большой массив экспериментальных данных, но фундаментальная связь между наблюдаемыми макроскопическими явлениями и эффектами на микроскопическом (то есть в масштабе размеров частиц и расстояний между ними) и мезоскопическом (в масштабе размеров агрегатов частиц) уровнях установлена далеко не для всех типов композитных материалов.
Цель диссертационного исследования - построение и экспериментальная верификация теоретических моделей, позволяющих количественно описывать и предсказывать механические и магнитомеханические свойства композитных материалов, состоящих из несущих полимерных сред и внедренных в них нано- или микроразмерных магнитных частиц; развитие математической модели циркуляционных течений в феррожидкостях под действием вращающегося поля как научной основы интенсификации транспорта лекарств в организме.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Развить теоретические методы перехода от описания механических явлений на уровне отдельных частиц и их кластеров к описанию макроскопических свойств изучаемых материалов.
2. Объяснить и количественно описать известные из литературы эксперименты по нелинейным магнитореологическим эффектам в феррогелях и эластомерах, не получившим до сих пор даже качественного объяснения.
3. Исследовать системы с пространственно однородным расположением частиц, получаемые при синтезе композита в отсутствии магнитного поля, и системы с цепочечными агрегатами, возникающими при синтезе композита в присутствии внешнего поля.
4. Развить теоретические модели, описывающие индуцированное полем структурирование частиц в полимеризованном композите и разрушение структур под действием макроскопической деформации образца...
В последние, примерно, десять лет эти системы активно синтезируются и исследуются во всем мире, благодаря богатому набору уникальных физических свойств, важных для современных и прогрессивных наукоемких технологий, так как позволяет достигать прорывного решения многих инженерных, биоинженерных и медицинских задач.
Магнитные эластомеры используются в качестве магнитоуправляемых герметизаторов и уплотнителей, усилителей механического напряжения в химической и горной промышленности, в вакуумных технологиях, в робототехнике, в металлургии, в космической промышленности. Более мягкие магнитные гели и жидкости предназначены для решения биоинженерных и медицинских задач - выращивания и регенерации биологических тканей с требуемыми свойствами, адресной доставки лекарств; они активно применяются в различных методах биосенсорики.
Степень разработанности темы. Теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных особенностей магнитореологических свойств магнитополимерных и жидких систем особо интенсивно проводятся последнее десятилетие. Результаты этих исследований, в частности, показывают, что мягкие феррогели под действием умеренных полей могут деформироваться с изменением линейных размеров на 10-30% [7]. Это на несколько порядков величины больше магнитодеформаций всех известных твердых магнетиков. Физические свойства и поведение магнитных интеллектуальных материалов определяются внутренними структурными и фазовыми превращениями, происходящими в ансамблях внедренных частиц под действием внешнего магнитного поля, механической нагрузки и других факторов. Фундаментальные особенности этих превращений, имеющих ряд принципиальных отличий для таковых в жидких и газовых средах, практически не изучены. За годы интенсивных исследований по этой теме собран большой массив экспериментальных данных, но фундаментальная связь между наблюдаемыми макроскопическими явлениями и эффектами на микроскопическом (то есть в масштабе размеров частиц и расстояний между ними) и мезоскопическом (в масштабе размеров агрегатов частиц) уровнях установлена далеко не для всех типов композитных материалов.
Цель диссертационного исследования - построение и экспериментальная верификация теоретических моделей, позволяющих количественно описывать и предсказывать механические и магнитомеханические свойства композитных материалов, состоящих из несущих полимерных сред и внедренных в них нано- или микроразмерных магнитных частиц; развитие математической модели циркуляционных течений в феррожидкостях под действием вращающегося поля как научной основы интенсификации транспорта лекарств в организме.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Развить теоретические методы перехода от описания механических явлений на уровне отдельных частиц и их кластеров к описанию макроскопических свойств изучаемых материалов.
2. Объяснить и количественно описать известные из литературы эксперименты по нелинейным магнитореологическим эффектам в феррогелях и эластомерах, не получившим до сих пор даже качественного объяснения.
3. Исследовать системы с пространственно однородным расположением частиц, получаемые при синтезе композита в отсутствии магнитного поля, и системы с цепочечными агрегатами, возникающими при синтезе композита в присутствии внешнего поля.
4. Развить теоретические модели, описывающие индуцированное полем структурирование частиц в полимеризованном композите и разрушение структур под действием макроскопической деформации образца...
В заключении приведены основные результаты проведенного теоретического и экспериментального исследования магнитореологических свойств мягких и жидких магнитных полимеров.
1. Построена теоретическая модель магнитореологического эффекта в феррогелях с намагничивающимися сферическими частицами, хаотично распределенными в образце феррогеля. Результаты продемонстрировали немонотонную зависимость поперечной компоненты намагниченности и модуля сдвига композита от приложенного магнитного поля.
2. Проведено теоретическое исследование упругих свойств феррогелей, заполненных намагничивающимися частицами, объединенными в линейные цепочки, перколирующие весь образец. Результаты моделирования вскрыли интересный эффект: при определенном пороговом значении деформации композита, цепочки, находящиеся в нем, разрываются, и, в результате, этот разрыв приводит к резкому уменьшению макроскопического напряжения. Этот эффект наблюдался как при растяжении, так и при сдвиге. Результаты расчетов сравнивались с экспериментальными данными и хорошо с ними согласовались.
3. Представлено теоретическое исследование, в результате которого удалось объяснить сильный магнитореологическиий эффект, наблюдаемый в феррогелях на основе пермаллоя, где модуль сдвига достигает абсолютного значения 8 МПа. Модель основана на том, что при полимеризации этих систем в них возникают агломераты магнитных частиц, которые при включении поля выстраиваются в цепочки. Оказалось, что такие микроструктурные процессы и приводят к сильному магнитореологическому отклику. Также в ходе этого исследования была построена модель объединения агломератов в цепочки, которая позволяет определять среднее число этих агломератов в цепочке во всем композите. Результаты расчетов по модулю упругости моделируемого композита сравнивались с экспериментальными данными, с которыми качественно и численно согласовались.
4. В ходе экспериментального исследования были синтезированы образцы магнитных полимеров, которые испытывались на упругие и магнитные свойства. При анализе результатов, полученных во время испытаний с образцами на магнитометре, был обнаружен гистерезисный эффект, то есть зависимость намагниченности от приложенного поля имела гистерезисный характер, который проявляет себя сильнее для более мягких образцов, чем для более жестких. Также наблюдался магнитореологический эффект во время испытаний образцов на тензометре с магнитной катушкой, то есть зависимость упругих свойств образцов от приложенного магнитного поля. Экспериментальные кривые хорошо согласуются с теоретической моделью напряжения растяжения, представленной в Главе 3.
5. Получены результаты теоретического исследования циркуляционного течения в феррожидкостях под действием переменного неоднородного магнитного поля. Было обнаружено, что неоднородность внешнего поля (15 кА/м) может провоцировать значительное увеличение скорости порядка 0.5 мм/с течения феррожидкости. Механизм, изученный в данной модели, может быть использован для увеличения скорости транспортировки лекарства в кровеносных сосудах.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы. В процессе проведения диссертационного исследования были решены все поставленные задачи, и, как результат, достигнута главная цель работы, которая заключалась в построении теоретических моделей, позволяющих количественно и качественно описывать и прогнозировать упругие и магнитные свойства мягких магнитных полимеров, а также в развитии модели циркуляционных течений в феррожидкости как научной основы магнитной интенсификации транспорта лекарств в тромбированных кровеносных сосудах. Развитая теоретическая модель позволила объяснить и количественно описать проведенный эксперимент по растяжению магнитополимерного композита, а также известные из литературы эксперименты по нелинейным магнитореологическим эффектам в феррогелях и эластомерах.
Поэтому главным итогом проведенной работы является развитие теоретических методов, позволяющих переходить от описания механических явлений на микроскопическом и мезоскопическом уровне, то есть отдельных частиц и образующихся из них кластеров соответственно, к описанию макроскопических свойств изучаемых композитных материалов.
Перспективы. Разработанные теоретические подходы и модели, позволяющие описывать физические свойства и поведение этих материалов, могут быть серьезной теоретической основой для изучения подобных систем в перспективе. В частности, разработанные в этой работе алгоритмы численного решения задач ограничены не очень большим количеством магнитных частиц в системе. Поэтому следующим этапом развития данного исследования может служить учет большого числа частиц.
При решении задачи о магнитоидуцированной рециркуляции магнитной жидкости в канале были использованы корректные с физической точки зрения приближения, которые позволили значительно упростить решение, полученное в виде значений скоростей феррожидкости. Поэтому в дальнейшем эту задачу можно усложнить и подобрать такие условия моделируемой системы (рассмотреть другое начальное распределение облака феррожидкости, другую конфигурацию магнитов, создаваемого ими поля), позволяющих увеличить скорости циркуляционных течений, следовательно, увеличить темп распространения лекарства в кровеносных сосудах.
При исследовании магнитных композитов учитывалось, что морфология расположения частиц в композите, в зависимости от условий синтеза, может быть как изотропной, так и анизотропной. Однако при синтезе композита частицы могут формировать агрегаты более сложной геометрии. Учет этого обстоятельства может быть важным для физического понимания и развития теоретических моделей мягких и жидких магнитных полимеров.
1. Построена теоретическая модель магнитореологического эффекта в феррогелях с намагничивающимися сферическими частицами, хаотично распределенными в образце феррогеля. Результаты продемонстрировали немонотонную зависимость поперечной компоненты намагниченности и модуля сдвига композита от приложенного магнитного поля.
2. Проведено теоретическое исследование упругих свойств феррогелей, заполненных намагничивающимися частицами, объединенными в линейные цепочки, перколирующие весь образец. Результаты моделирования вскрыли интересный эффект: при определенном пороговом значении деформации композита, цепочки, находящиеся в нем, разрываются, и, в результате, этот разрыв приводит к резкому уменьшению макроскопического напряжения. Этот эффект наблюдался как при растяжении, так и при сдвиге. Результаты расчетов сравнивались с экспериментальными данными и хорошо с ними согласовались.
3. Представлено теоретическое исследование, в результате которого удалось объяснить сильный магнитореологическиий эффект, наблюдаемый в феррогелях на основе пермаллоя, где модуль сдвига достигает абсолютного значения 8 МПа. Модель основана на том, что при полимеризации этих систем в них возникают агломераты магнитных частиц, которые при включении поля выстраиваются в цепочки. Оказалось, что такие микроструктурные процессы и приводят к сильному магнитореологическому отклику. Также в ходе этого исследования была построена модель объединения агломератов в цепочки, которая позволяет определять среднее число этих агломератов в цепочке во всем композите. Результаты расчетов по модулю упругости моделируемого композита сравнивались с экспериментальными данными, с которыми качественно и численно согласовались.
4. В ходе экспериментального исследования были синтезированы образцы магнитных полимеров, которые испытывались на упругие и магнитные свойства. При анализе результатов, полученных во время испытаний с образцами на магнитометре, был обнаружен гистерезисный эффект, то есть зависимость намагниченности от приложенного поля имела гистерезисный характер, который проявляет себя сильнее для более мягких образцов, чем для более жестких. Также наблюдался магнитореологический эффект во время испытаний образцов на тензометре с магнитной катушкой, то есть зависимость упругих свойств образцов от приложенного магнитного поля. Экспериментальные кривые хорошо согласуются с теоретической моделью напряжения растяжения, представленной в Главе 3.
5. Получены результаты теоретического исследования циркуляционного течения в феррожидкостях под действием переменного неоднородного магнитного поля. Было обнаружено, что неоднородность внешнего поля (15 кА/м) может провоцировать значительное увеличение скорости порядка 0.5 мм/с течения феррожидкости. Механизм, изученный в данной модели, может быть использован для увеличения скорости транспортировки лекарства в кровеносных сосудах.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы. В процессе проведения диссертационного исследования были решены все поставленные задачи, и, как результат, достигнута главная цель работы, которая заключалась в построении теоретических моделей, позволяющих количественно и качественно описывать и прогнозировать упругие и магнитные свойства мягких магнитных полимеров, а также в развитии модели циркуляционных течений в феррожидкости как научной основы магнитной интенсификации транспорта лекарств в тромбированных кровеносных сосудах. Развитая теоретическая модель позволила объяснить и количественно описать проведенный эксперимент по растяжению магнитополимерного композита, а также известные из литературы эксперименты по нелинейным магнитореологическим эффектам в феррогелях и эластомерах.
Поэтому главным итогом проведенной работы является развитие теоретических методов, позволяющих переходить от описания механических явлений на микроскопическом и мезоскопическом уровне, то есть отдельных частиц и образующихся из них кластеров соответственно, к описанию макроскопических свойств изучаемых композитных материалов.
Перспективы. Разработанные теоретические подходы и модели, позволяющие описывать физические свойства и поведение этих материалов, могут быть серьезной теоретической основой для изучения подобных систем в перспективе. В частности, разработанные в этой работе алгоритмы численного решения задач ограничены не очень большим количеством магнитных частиц в системе. Поэтому следующим этапом развития данного исследования может служить учет большого числа частиц.
При решении задачи о магнитоидуцированной рециркуляции магнитной жидкости в канале были использованы корректные с физической точки зрения приближения, которые позволили значительно упростить решение, полученное в виде значений скоростей феррожидкости. Поэтому в дальнейшем эту задачу можно усложнить и подобрать такие условия моделируемой системы (рассмотреть другое начальное распределение облака феррожидкости, другую конфигурацию магнитов, создаваемого ими поля), позволяющих увеличить скорости циркуляционных течений, следовательно, увеличить темп распространения лекарства в кровеносных сосудах.
При исследовании магнитных композитов учитывалось, что морфология расположения частиц в композите, в зависимости от условий синтеза, может быть как изотропной, так и анизотропной. Однако при синтезе композита частицы могут формировать агрегаты более сложной геометрии. Учет этого обстоятельства может быть важным для физического понимания и развития теоретических моделей мягких и жидких магнитных полимеров.
Подобные работы
- СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ МАГНИТНЫХ КОЛЛОИДОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЯХ
Диссертации (РГБ), физика. Язык работы: Русский. Цена: 500 р. Год сдачи: 2003