[논문 리뷰] Magnetostriction in elastomers with mixtures of magnetically hard and soft microparticles: effects of non-linear magnetization and matrix rigidity

О. В. Столбов, Pedro A. Sánchez외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 07.

Vibration Control and Rheological Fluids참고 문헌 87인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 분자역학 시뮬레이션과 연속체 자기기계 모델링을 통해 혼합된 자화 연성 및 경성 미입자로 구성된 엘라스토머에서의 자화변형을 조사한다. 외부 자기장 강도를 변화시킬 경우 비선형 자화 및 매트릭스의 경도에 의해 유도되는 비직선적 재진입 축방향 변형(수직/편평/수직)이 발생함을 규명하며, 조정 가능한 스마트 재료 설계 원리를 제시한다.

ABSTRACT

In this contribution a magnetoactive elastomer (MAE) of mixed content, i.e., a polymer matrix filled with a mixture of magnetically soft and magnetically hard spherical particles, is considered. The object we focus at is an elementary unit of this composite, for which we take a set consisting of a permanent spherical micromagnet surrounded by an elastomer layer filled with magnetically soft microparticles. We present a comparative treatment of this unit from two essentially different viewpoints. The first one is a coarse-grained molecular dynamics simulation model, which presents the composite as a bead-spring assembly and is able to deliver information of all the microstructural changes of the assembly. The second approach is entirely based on the continuum magnetomechanical description of the system, whose direct yield is the macroscopic field-induced response of the MAE to external field, as this model ignores all the microstructural details of the magnetization process. We find that, differing in certain details, both frameworks are coherent in predicting that a unit comprising magnetically soft and hard particles may display a non-trivial re-entrant (prolate/oblate/prolate) axial deformation under variation of the applied field strength. The flexibility of the proposed combination of the two complementary frameworks enables us to look deeper into the manifestation of the magnetic response: with respect to the magnetically soft particles, we compare the linear regime of magnetization to that with saturation, which we describe by the Fr\"{o}hlich-Kennelly approximation; with respect to the polymer matrix, we analyze the dependence of the re-rentrant deformation on its rigidity.

연구 동기 및 목표

• 자기적으로 연성 및 경성 미입자를 포함한 엘라스토머의 거시적 자화변형 반응을 이해하기 위해.
• 연성 입자의 비선형 자화 및 매트릭스의 경도가 자기활성 엘라스토머(MAE)의 변형 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 마이크로구조적 및 거시적 반응에 대한 깊이 있는 통찰을 확보하기 위해 분자역학 시뮬레이션과 연속체 자기기계 모델링를 비교하기 위해.
• 외부 자기장 하에서 MAE 단위에서 재진입 축방향 변형(수직–편평–수직)이 발생하는 조건을 규명하기 위해.
• 소프트 로봇 및 조정 가능한 장치를 위한 맞춤형이고 가역적인 형태 변화 기능을 갖춘 MAE 설계를 위한 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 영구 미자석 입자를 둘러싸고 있는 엘라스토머 매트릭스에 연성 미입자를 포함한 복합체 단위의 미세구조적 변화를 시뮬레이션하기 위해 거시적 입자-스프링 분자역학(MD) 모델을 사용한다.
• 자기력이 기계적 하중으로 간주되는 연속체 자기기계 모델을 적용하여, 미세구조적 세부 사항을 추적하지 않고도 거시적 자기장 유도 변형을 계산할 수 있도록 한다.
• 연성 입자의 자화 포화를 모델링하기 위해 Fröhlich-Kennelly 근사법을 사용하여 선형 반응을 초월한 비선형 자기적 거동을 포착한다.
• 외부 자기장 하에서 재진입 변형 프로파일에 미치는 영향을 평가하기 위해 엘라스토머 매트릭스의 전단율을 변화시킨다.
• 모델링 척도 간 일관성을 확보하고 예측의 타당성을 검증하기 위해 MD 시뮬레이션 결과와 연속체 모델링 결과를 비교한다.
• 외부 자기장 강도에 따른 축방향 변형 반응을 분석하여 비단조화적(재진입) 거동를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고무 매트릭스에 자화 연성 및 경성 미입자를 포함시킬 경우 복합재의 자화변형 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 포화 효과를 포함한 연성 입자의 비선형 자화는 어떤 복잡한 변형 패턴을 유도하는가?
• RQ3 엘라스토머 매트릭스의 경도는 재진입 축방향 변형의 발생 및 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 분자역학 시뮬레이션과 연속체 모델링가 동일한 MAE 단위에 대해 얼마나 일관된 예측을 하는가?
• RQ5 미세구조적 시뮬레이션과 거시구조적 연속체 모델링의 조합이 수직–편평–수직 전이와 같은 비직선적이고 가역적인 형태 변화를 드러내는가?

주요 결과

• 자기장 강도를 변화시킬 경우 시스템은 비직선적 재진입 축방향 변형(수직–편평–수직)을 나타내며, 이는 복잡하고 비단조화적인 형태 반응을 의미한다.
• 분자역학 시뮬레이션과 연속체 모델링 모두 동일한 재진입 거동를 예측하여, 다양한 모델링 척도에서 이 효과의 강건성을 확인한다.
• Fröhlich-Kennelly 근사법을 통해 모의된 연성 입자의 비선형 자화는 특히 포화 근처에서 재진입 변형을 가능하게 하는 핵심적 역할을 한다.
• 엘라스토머 매트릭스의 경도는 변형 프로파일을 크게 조절하며, 더 딱딱한 매트릭스는 재진입 형태 전이를 억제하거나 변화시킨다.
• 연성 및 경성 입자의 조합은 가역적이고 자기장 조절이 가능한 형태 반응을 가능하게 하여, 인공 근육 및 소프트 액추에이터 응용 가능성을 시사한다.
• 이 연구는 자기입자 상호작용과 매트릭스 탄성의 상호작용이 단일 성분 MAE에서는 관찰되지 않는 새로운 기계적 거동을 유도함을 입증한다.