Реологические свойства жидких и мягких магнитных полимеров : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук : 01.04.11

📅 2021 год
Мусихин, А. Ю.
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………………………………4

ГЛАВА 1. МАГНИТНЫЕ ЖИДКОСТИ, ГЕЛИ И ЭЛАСТОМЕРЫ. ……………………….. 12

1.1. Магнитные жидкости ……………………………………………………………………………… 12

1.2. Магнитные полимеры …………………………………………………………………………….. 15

1.3. Практическое применение магнитных эластомеров и феррогелей ……………. 16

1.4. Фундаментальные исследования магнитных полимеров…………………………… 19

ГЛАВА 2. УПРУГИЕ СВОЙСТВА ФЕРРОГЕЛЕЙ С ПРОСТРАНСТВЕННО
ОДНОРОДНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ЧАСТИЦ ……………………………………………………….. 28

2.1. Введение ……………………………………………………………………………………………….. 28

2.2. Физическая модель ………………………………………………………………………………… 29

2.3. Перегруппировка частиц из-за магнитного взаимодействия ……………………… 36

2.4. Структурная анизотропия из-за деформации сдвига …………………………………. 38

2.5. Усредненные компоненты намагниченности частицы ………………………………. 40

2.6. Результаты и обсуждение ……………………………………………………………………….. 41

2.7. Выводы………………………………………………………………………………………………….. 44

ГЛАВА 3. СДВИГОВОЕ И ОДНООСНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ В МАГНИТНОМ
ПОЛИМЕРЕ С АНИЗОТРОПНЫМИ СТРУКТУРАМИ …………………………………………….. 46

3.1. Введение ……………………………………………………………………………………………….. 46

3.2. Физико-математическая модель. Деформация сдвига ………………………………. 47

3.3. Напряжение растяжения …………………………………………………………………………. 57

3.4. Выводы………………………………………………………………………………………………….. 62
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ МАГНИТОРЕОЛОГИЧЕСКИХ
ЭФФЕКТОВ В ФЕРРОГЕЛЯХ С ЧАСТИЦАМИ ПЕРМАЛЛОЯ ………………………………. 64

4.1. Введение ……………………………………………………………………………………………….. 64

4.2. Построение модели формирования цепочки ……………………………………………. 66

4.3. Определение среднего количества агломератов в цепочках ……………………… 78

4.4. Макроскопическая сдвиговая деформация композита ……………………………… 84

4.5. Выводы………………………………………………………………………………………………….. 87

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГИХ И
МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МАГНИТНЫХ ПОЛИМЕРОВ ………………………………………… 89

5.1. Синтез и подготовка образцов…………………………………………………………………. 89

5.2. Измерение кривых намагничивания образцов. ………………………………………… 91

5.3. Измерение напряжений при механическом растяжении образцов. …………… 96

5.4. Выводы………………………………………………………………………………………………… 105

ГЛАВА 6. МАГНИТОИНДУЦИРОВАННЫЕ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ ТЕЧЕНИЯ В
ФЕРРОЖИДКОСТЯХ……………………………………………………………………………………………………… 106

6.1. Введение ……………………………………………………………………………………………… 106

6.2. Математическая модель и основные приближения ……………………………….. 107

6.3. Анализ уравнений модели …………………………………………………………………….. 113

6.4. Результаты и обсуждения ……………………………………………………………………… 115

6.5. Выводы………………………………………………………………………………………………… 118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………………………………………………. 120

ПРИЛОЖЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………………… 125

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………………………….. 127

Объектом исследования диссертационной работы является магнитные
жидкости и композиты, состоящих из несущих полимерных сред и внедренных в
них нано- и микроразмерных магнитных частиц. Предметом исследования
является микроскопическая природа их магнитореологических свойств и
особенностей динамического поведения.

Степень разработанности темы. Последние десятилетия магнитные жидкости
и полимеры активно синтезируются и изучаются во всем мире. Причина этого –
богатый набор уникальных физических свойств, важных для современных и
перспективных промышленных и медико-биологических приложений. Одним из
интересных, с общенаучной, и важных, с практической точки зрения,
особенностей таких систем является их способность сильно, вплоть до
нескольких порядков величины, менять свои реологические свойства, а также
форму и размеры под действием приложенного магнитного поля. 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.

Суммируем полученные результаты проведенного теоретического и
экспериментального исследования магнитореологических свойств мягких и
жидких магнитных полимеров.

1. В первой главе был сделан литературный обзор научной литературы по
магнитным жидкостям, гелям и эластомерам; в ходе которого обсуждается
история развития науки об этих композитах, привлекающих интерес
исследователей своими уникальными физическими свойствами. Приводится
список основных работ, посвящённых экспериментальному исследованию
магнитореологического эффекта изучаемых систем, и их применению в медицине
и промышленности. Раскрывается характер магнитных полимеров как
многофункциональных интеллектуальных материалов и обосновывается научный
и практический интерес к этим системам. Также показано современное состояние
развития изучаемой области и отмечены основные нерешенные вопросы в
исследовании магнитополимерных композитов, решение которых было
представлено в последующих главах диссертации.

2. Была построена теоретическая модель магнитореологического эффекта в
феррогелях с намагничивающимися сферическими частицами, хаотично
распределенными в образце феррогеля. Главным преимуществом этой модели
является то, что она не содержит интуитивных построений с неконтролируемой
точностью и адекватностью, анализ проводился в рамках математически строгого
регулярного метода парного приближения. Результаты продемонстрировали
немонотонное поведение поперечной компоненты намагниченности и модуля
сдвига композита от приложенного магнитного поля. Также было замечено, что
этот эффект сильнее себя проявляет в системах с мягким гелем, чем с более
жестким.
3. Было проведено теоретическое исследование упругих свойств феррогелей,
заполненных намагничивающимися частицами, объединенными в линейные
цепочки, перколирующие весь образец. Образец подвергался как деформации
сдвига, так и деформации растяжения, при этом магнитное поле было приложено
вдоль цепочек перпендикулярно сдвигу и параллельно растяжению. Результаты
моделирования вскрыли интересный эффект, заключающийся в том, что при
определенном пороговом значении деформации композита, цепочки,
находящиеся в нем, разрываются, и, в результате, этот разрыв приводит к резкому
падению макроскопического напряжения. Этот эффект наблюдался для обоих
типов деформации. Сравнение результатов расчетов с экспериментальными
данными показало хорошее согласасие.

4. Представлено теоретическое исследование, в результате которого удалось
объяснить сильный магнитореологическиий эффект, наблюдаемый в феррогелях
на основе пермаллоя. В данных композитах под воздействием магнитного поля
модуль упругости может увеличиваться примерно в 200 раз. 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.

5. В ходе экспериментального исследования были синтезированы образцы
магнитных полимеров, полимеризация которых проходила в отсутствии
магнитного поля. Образцы испытывались на их упругие и магнитные свойства.
Полученные экспериментальные данные были обработаны. При анализе
результатов, полученных во время испытаний с образцами на магнитометре, был
обнаружен гистерезисный эффект, то есть зависимость намагниченности от
приложенного поля имеет гистерезисный характер, который проявляет себя
сильнее для мягких образцов, чем для более жестких. Также наблюдался
магнитореологический эффект во время испытаний образцов на тензометре с
магнитной катушкой, то есть явная зависимость упругих свойств образцов от
приложенного магнитного поля: напряжение растяжения растет нелинейно с
увеличением поля. Экспериментальные кривые хорошо согласуются
теоретической моделью напряжения растяжения, представленной в Главе 3.

6. Получены результаты теоретического исследования циркуляционного
течения в феррожидкостях под действием переменного неоднородного
магнитного поля. Было обнаружено, что неоднородность внешнего поля может
провоцировать значительное увеличение скорости течения феррожидкости.
Результаты показали, что поле с амплитудой около 15 кА/м и частотой 10 рад/c
индуцирует мезоскопический поток в канале с шириной 1 мм с амплитудой
продольной составляющей скорости около 0,5 мм/с. 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 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.

Несмотря на то что экспериментально магнитополимерные материалы
достаточно хорошо исследованы, фундаментальная связь между
макроскопическими свойствами композита и микроструктурными явлениями,
происходящими внутри него, плохо изучена. 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.

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 и 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. Простейшим типом известных
анизотропных структур являются линейные цепочки частиц. Однако при синтезе
композита частицы могут формировать агрегаты более сложной геометрии.
Например, в альгинатных феррогелях на стадии синтеза, вследствие адгезионных
эффектов, частицы могут образовывать первичные агломераты, состоящие из
достаточно большого числа частиц. Учет этого обстоятельства может быть
важным для физического понимания и развития теоретических моделей мягких и
жидких магнитных полимеров.
ПРИЛОЖЕНИЕ

Форм-факторы ( ), . .. , введенные в Главе 4, в уравнении (4.31) [57]:
= ,
0′

2( 2 − 1)
= ,
( 2 0 + 0 )

4 2
ζ= − ,
( 2 + 1) 0′ 0′

2 0′′ 8 2
χ= ′ ′′ − ′ ( 2 + ′,
0 0 0 + 1) 0

2 − 1
λ = 2 ,
+1

где

1 2 1
0 = − 2
[ + ln (2 2 − 1 − 2 √ 2 − 1)],
− 1 √ − 1
1 1
0 = 2
[ − ln (2 2 − 1 + 2 √ 2 − 1)],
−1 2
2√ − 1

1 3
0′ = 2 2
[ (2 2
− 5) − ln (2 2 − 1 − 2 √ 2 − 1)],
4( − 1) 2√ 2 − 1

1 2 + 2 3
0′ = 2 [ − ln (2 2 − 1 + 2 √ 2 − 1)],
( − 1)2 2
2√ − 1
1 4 2 − 1
0′′ = 2
[ (2 + 1) − ln (2 2 − 1 + 2 √ 2 − 1)],
4( 2 − 1)2 2
2√ − 1

1 2 2 + 1
0′′ =− 2 [3 + ln (2 2 − 1 − 2 √ 2 − 1)].
( − 1) 2
2√ 2 − 1

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Помогаем с подготовкой сопроводительных документов

    Совместно разработаем индивидуальный план и выберем тему работы Подробнее
    Помощь в подготовке к кандидатскому экзамену и допуске к нему Подробнее
    Поможем в написании научных статей для публикации в журналах ВАК Подробнее
    Структурируем работу и напишем автореферат Подробнее

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Дмитрий Л. КНЭУ 2015, Экономики и управления, выпускник
    4.8 (2878 отзывов)
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    Занимаю 1 место в рейтинге исполнителей по категориям работ "Научные статьи" и "Эссе". Пишу дипломные работы и магистерские диссертации.
    #Кандидатские #Магистерские
    5125 Выполненных работ
    Татьяна П. МГУ им. Ломоносова 1930, выпускник
    5 (9 отзывов)
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по и... Читать все
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по истории. Увлекаюсь литературой и темой космоса.
    #Кандидатские #Магистерские
    11 Выполненных работ
    Екатерина П. студент
    5 (18 отзывов)
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно... Читать все
    Работы пишу исключительно сама на основании действующих нормативных правовых актов, монографий, канд. и докт. диссертаций, авторефератов, научных статей. Дополнительно занимаюсь английским языком, уровень владения - Upper-Intermediate.
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Александр О. Спб государственный университет 1972, мат - мех, преподав...
    4.9 (66 отзывов)
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальн... Читать все
    Читаю лекции и веду занятия со студентами по матанализу, линейной алгебре и теории вероятностей. Защитил кандидатскую диссертацию по качественной теории дифференциальных уравнений. Умею быстро и четко выполнять сложные вычислительные работ
    #Кандидатские #Магистерские
    117 Выполненных работ
    Оксана М. Восточноукраинский национальный университет, студент 4 - ...
    4.9 (37 отзывов)
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политоло... Читать все
    Возможно выполнение работ по правоведению и политологии. Имею высшее образование менеджера ВЭД и правоведа, защитила кандидатскую и докторскую диссертации по политологии.
    #Кандидатские #Магистерские
    68 Выполненных работ
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Егор В. кандидат наук, доцент
    5 (428 отзывов)
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Ск... Читать все
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Скорее всего Ваш заказ будет выполнен раньше срока.
    #Кандидатские #Магистерские
    694 Выполненных работы
    Антон П. преподаватель, доцент
    4.8 (1033 отзыва)
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публикуюсь, имею высокий индекс цитирования. Спикер.
    #Кандидатские #Магистерские
    1386 Выполненных работ
    Татьяна М. кандидат наук
    5 (285 отзывов)
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    Специализируюсь на правовых дипломных работах, магистерских и кандидатских диссертациях
    #Кандидатские #Магистерские
    495 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету