МАГНИТНЫЙ ЭЛАСТОМЕР
MAGNETIC ELASTOMER

Изобретение относится к области композиционных магнитных материалов, конкретно к магнитореологическим эластомерам, состоящим из порошков магнитных микрочастиц, распределенных в матрице высокоэластичных полимеров.
Известен эластичный магнитный материал (патент RU 2015583, опубликован 30.06.1994), содержащий порошок феррита, термоэластопласт и модифицирующие добавки, а именно эластомерную составляющую и рубракс. Известен эластичный магнит (патент RU 2316073, опубликован 27.01.2008) с широким температурным диапазоном эксплуатации, однородный по составу и воспроизводимости свойств, что достигается за счет устранения седиментации наполнителя. Известен магнитореологический материал (заявка RU 95109903, публикация 10.04.1997), содержащий жидкий носитель, компонент в виде частиц и тиксотропную добавку, обеспечивающую стабильность против осаждения частиц. Известен также композиционный материал для поглощения электромагнитных волн (патент RU 2375395, опубликован 10.12.2009), содержащий полимерное диэлектрическое связующее (полиорганосилоксановый олигомер с добавкой катализатора) и магнитодиэлектрический тонкодисперсный наполнитель.
Наиболее близким к изобретению является магнитодиэлектрический материал на основе ультрадисперсного железа (патент RU 2044010, опубликован 20.09.1995), состоящий из эпоксидной смолы, аминного отвердителя и железного порошка, предлагаемый для изготовления магнитосопрягаемых элементов, магнитных экранов, шунтов, прокладок и т.п.
Недостатком указанных материалов является отсутствие возможности управления диэлектрической проницаемостью с помощью внешнего магнитного поля.
Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является создание магнитного эластомера характеризующегося высокой величиной магнитодиэлектрического эффекта, то есть возможностью управления величиной диэлектрической проницаемости внешним магнитным полем.
H
Технический результат достигается в композиционном магнитном эластомере, который состоит из полимерной матрицы (где полимер выбран из ряда: натуральный каучук, акрилатный каучук, бутадиен-нитрильный каучук, бутадиеновый каучук, бутадиен-стирольный каучук, бутилкаучук, винилпиридиновый каучук, изопреновый каучук, карбоксилатный каучук, кремнийорганический каучук, полисульфидный каучук, уретановый каучук, фторкаучук, хлоропреновый каучук, хлорсульфированный полиэтилен, этилен-пропиленовый каучук) и наполнителя из магнитных проводящих частиц (например, Fe, FeNi, Co, Ni, FeNdB, SmCo, Alniko и т.п.) с размерами от десятков нанометров до десятков микрон. Композитный магнитный эластомер характеризуется тем, что магнитные частицы из-за высокой эластичности матрицы могут обратимо изменять свое взаимное положение и/или ориентацию под действием внешнего постоянного магнитного поля, что приводит к изменению эффективной диэлектрической проницаемости материала. Концентрация магнитного наполнителя С составляет от 10 до 90% масс. Магнитный наполнитель перед его вводом в полимер, предварительно модифицирован, т.е. на его поверхность наносится пленка поверхностно-активного вещества для достижения лучшей совместимости с полимерной матрицей.
Благодаря варьированию рецептуры компонентов и их соотношения указанные материалы могут иметь в вулканизованном состоянии различное физическое состояние: от гелеобразного и эластомерного до стеклообразного. В ходе синтеза магнитного эластомера компоненты подбирают таким образом, чтобы его модуль упругости Юнга лежал в интервале 1-1000 кПа, предпочтительнее 10-100 кПа. В качестве дополнительной возможности для управления магнитным откликом материала осуществляют наведение в процессе его изготовления анизотропии с помощью внешнего однородного магнитного поля напряженностью от 0,1 до 1 Tл, прикладываемого к полимерному композиту в процессе полимеризации, что приводит к возникновению предпочтительного направления осей анизотропии частиц вдоль внешнего поля и оказывает влияние на магнитные свойства материала в целом, обуславливая анизотропию наблюдаемого магнитодиэлектрического эффекта.
2
14
На фиг.1 приведена зависимость диэлектрической проницаемости магнитного эластомера с частицами FeNdB (сплав FeNdB с атомным составом NdFeB и весовым соотношением компонентов Nd (неодим) ~30% Fe (железо) ~69-53,5% B (бор) ~1%) (75% масс.) от величины поля H. Размер частиц - 2 мкм. На фиг.2 приведена зависимость диэлектрической проницаемости магнитного эластомера с частицами Fe (80% масс.) от величины поля H (нужно на рисунке сделать поле в теслах, указать H и удалить надписи). Размер частиц - 3-5 мкм.
На фиг.1 и 2 приведены кривые зависимости магнитодиэлектрического эффекта при различных направлениях внешнего магнитного поля.
Изобретение осуществляется следующим образом. Полимер (из ряда: натуральный каучук, акрилатный каучук, бутадиен-нитрильный каучук, бутадиеновый каучук, бутадиен-стирольный каучук, бутилкаучук, винилпиридиновый каучук, изопреновый каучук, карбоксилатный каучук, кремнийорганический каучук, полисульфидный каучук, уретановый каучук, фторкаучук, хлоропреновый каучук, хлорсульфированный полиэтилен, этилен-пропиленовый каучук) со сшивающим агентом (катализатором полимеризации) смешивают с магнитным наполнителем. Компоненты подбирают таким образом, чтобы модуль упругости Юнга магнитного эластомера, получаемого в ходе синтеза, лежал в интервале 1-1000 кПа, предпочтительнее 10-100 кПа. Полученную смесь заливают в заданную форму и проводят процесс полимеризации.
Магнитный наполнитель перед его вводом в полимер предварительно модифицирован, т.е. на его поверхность наносится пленка поверхностно-активного вещества для достижения лучшей совместимости с полимерной матрицей. При получении композиций на основе указанных полимеров для модификации используется смесь триэтоксисилана и полиметилсилоксана (ПМС-100) в соотношении 1:1. Данную смесь наносят на поверхность магнитного наполнителя из раствора петролейного эфира в количестве 0,5% мас.
2
14
Свойства композитов различного состава приготовленных в присутствии внешнего магнитного поля 0,2 Тл на основе кремнийорганического каучука и магнитных наполнителей (сплав FeNdB с атомным состав NdFeB и весовым соотношением компонентов Nd (неодим) ~30% Fe (железо) ~69-53,5% B (бор) ~1%)), и порошок железа представлены в таблице.
Таблица
Тип наполнителя
С<sub>H</sub>, %
ε H=0
ε H=1,5 Тл
Изменение ε в поле H=1,5 Тл, %
1
2
3
4
5
FeNdB
80
11
28
150
70
11
25
130
20
11
12
10
85
11
23
110
90
11
12
10
91
11
11
0-1
Fe
80
2,1
3,7
80
60
2,1
3,1
48
30
2,1
2,5
19
20
2,1
2,2
5
10
2,1
2,13
1
85
2,1
2,8
33
90
2,1
2,1
0
В таблице приведены составы различных композитов и их диэлектрические параметры (1 - тип наполнителя, 2 - массовая концентрация наполнителя, 3 - диэлектрическая проницаемость без поля, 4 - диэлектрическая проницаемость в поле 1,5 Тл, 5 - изменение диэлектрической проницаемости в поле 1,5 Тл).
Как видно из таблицы имеются оптимальные концентрации магнитного наполнителя, при которых изменение диэлектрической проницаемости максимально. При уменьшении концентрации изменение диэлектрической проницаемости уменьшается вследствие уменьшения концентрации активного компонента. При высокой концентрации наполнения эффект также уменьшается вследствие невозможности перестройки структуры композита под действием внешнего магнитного поля вследствие стерического фактора. То есть частицы настолько близко находятся друг к другу, что взаимное их перемещение под действием магнитного поля затруднено.
Диэлектрическая проницаемость магнитного эластомера меняется под действием внешнего магнитного поля вплоть до 150% в случае FeNdB наполнителя и до 80% для Fe наполнителя. Полевая зависимость динамической диэлектрической проницаемости имеет существенно нелинейный характер.
Наблюдается значительная анизотропия динамической диэлектрической проницаемости по отношению к взаимной ориентации постоянного магнитного поля и переменного электрического поля.
Наведение анизотропии в процессе изготовления магнитореологического эластомера с помощью внешнего однородного магнитного поля 0,1-1 Tл, приложенного в процессе полимеризации, является дополнительной возможностью управления магнитодиэлектрическим откликом.