2014: Создан новый тип «умных» материалов — магнитоактивные эластомеры с высоким откликом на внешние магнитные поля

Физиками МГУ (группа Проф. Елены Крамаренко, кафедра физики полимеров и кристаллов) совместно с учеными ФГУП ГНИИХТЭОС создан новый тип «умных» материалов — магнитоактивные эластомеры (МАЭ) с высоким откликом на внешние магнитные поля.

В результате НИР в течение последних 15 лет совместно с государственным научно-исследовательским институтом химии и технологии элементо-органических соединений, создан новый тип т.н. «умных» материалов — магнитоактивные эластомеры (МАЭ) с высоким откликом на внешние магнитные поля.

Полученные МАЭ представляют собой полимерные матрицы с внедренными в них магнитными частицами железа и его окислов нано- или микроразмера. Они обладают небольшим модулем Юнга (порядка нескольких десятков кПа), что ставит их в промежуточное положение между традиционными жесткими магнитными композитами и магнитореологическими жидкостями. В отличие от жестких магнитных эластомеров, в мягкой матрице силы упругости оказываются порядка сил взаимодействия между магнитными частицами в магнитном поле, что позволяет магнитному наполнителю структурироваться вдоль линий магнитного поля подобно тому, как это происходит в магнитных жидкостях. Изменение структуры материала под действием магнитного поля приводит к возникновению новых уникальных свойств МАЭ.

Во-первых, МАЭ демонстрируют значительное изменение вязкоупругих свойств (магнитореологический эффект) в магнитных полях. Авторами получены материалы, модуль которых увеличивается на несколько порядков в относительно небольших (до 300 мТл) магнитных полях. Это открывает широкие возможности практического применения МАЭ, например, для управляемых демпфирующих устройств, уплотнителей, затворов и т.д. Запатентованы несколько устройств такого типа.

Помимо магнитореологического эффекта МАЭ обладает целым рядом других новых уникальных свойств, к которым относятся необычные механические свойства:

• магнитострикционный эффект — уникальная способность к быстрым и контролируемым умеренным (до 10%) деформациям в однородных магнитных полях. По-видимому, этот эффект обусловлен структурированием магнитного наполнителя под действием магнитного поля;
• магнитодеформационный эффект — уникальная способность к быстрым и контролируемым крупномасштабным (до 100%) деформациям в градиентных магнитных полях за счет значительного смещения магнитных частиц, встроенных в «мягкую» полимерную матрицу, в область максимального поля;
• новый эффект индуцированной магнитным полем пластичности или памяти формы. Он является, вероятно, самым впечатляющим явлением в МАЭ. Эффект памяти формы наблюдается в МАЭ с достаточно высоким наполнением (~30 об.%). В отсутствие приложенного поля образец из такого материала при механических воздействиях ведёт себя в целом как упругое тело. В полях умеренной и большой величины материал из «магнитного каучука» превращается в «магнитный пластилин». Способность восстанавливать свою первоначальную форму резко снижается, и поэтому даже небольших механических напряжений оказывается достаточно, чтобы придать элементу, изготовленному из МАЭ, любые заданные очертания.

Недавно начаты исследования магнито-электрических свойств МАЭ и впервые совместно с кафедрой магнетизма (проф. Н.С.Перов и А.С. Семисалова) обнаружен магнитодиэлектрический эффект, а именно, управляемая магнитным полем магнитная восприимчивость и диэлектрическая проницаемость материала. В эластомерах на основе порошка NdFeB – материала, который широко используется для изготовления постоянных магнитов, величина эффекта достигает рекордного на настоящий момент значения 150%.

Дальнейшее комплексное исследование многофункциональных МАЭ является чрезвычайно актуальным и перспективным как с точки зрения фундаментальной важности нахождения физических закономерностей поведения новых композитов в магнитных полях, так и для создания новых устройств на основе МАЭ.

Результаты опубликованы в серии статей, в том числе в высокорейтинговых журналах: Soft Matter, 10, 8765-8776 (2014,); Soft Matter, 9, 11318-11324 (2013); Macromol. Materials and Eng., 299(9), 1116–1125 (2014); Macromol. Materials and Eng. 295(4), 336-341 (2010); J. of Magnetism and Magn. Materials 324(21), 3448-3451 (2012). Получены патенты на изобретения: “Магнитный эластомер” (2014), Авторы: Крамаренко Е.Ю., А.Р. Хохлов, Г.В. Степанов, Семисалова А.С., Перов Н.С., Стороженко П.А. № 2012129715; “Управляемое устройство гашения колебаний”, № 2411404. (2011), Авторы: Крамаренко Е.Ю., А.Р. Хохлов, Г.В. Степанов, Викуленков А.В., Сельков Д.А., Успенский Е.С., Подволоцкий А.Г., Чертович А.В.; "Управляемая опора" № 2404380, (2010), Авторы: Михайлов В.П., Борин Д.Ю., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю., Зобов И.К. № 2009136158; "Активная опора", № 2404381, (2010), Авторы: Михайлов В.П., Борин Д.Ю., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю., Зобов И.К. № 2009136160.