[論文レビュー] Magnetostriction in elastomers with mixtures of magnetically hard and soft microparticles: effects of non-linear magnetization and matrix rigidity

О. В. Столбов, Pedro A. Sánchez+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2020

Vibration Control and Rheological Fluids参考文献 87被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、分子動力学シミュレーションおよび連続体磁気機械モデルを用いて、磁気的軟磁性および硬磁性微粒子を混合したエラストマーにおける磁気歪みを調査する。磁場強度を変化させることで、非線形磁化に起因する軟磁性粒子とマトリックスの剛性が関与する非自明な再入型軸方向歪み（棒状／扁平状／棒状）が誘発されることを明らかにし、チューナブルなスマート材料の設計原理を提供する。

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.

研究の動機と目的

• 磁気的軟磁性および硬磁性微粒子を含むエラストマーの巨視的磁気歪み応答を理解すること。
• 軟磁性粒子の非線形磁化およびマトリックスの剛性が、磁気活性エラストマー（MAEs）の変形挙動に与える影響を調査すること。
• 分子動力学シミュレーションと連続体磁気機械モデルを比較することで、微視的および巨視的応答に関する予測の整合性を検証し、洞察を深めること。
• 外部磁場下におけるMAEユニットで再入型軸方向歪み（棒状–扁平状–棒状）が発生する条件を特定すること。
• ソフトロボットおよびチューナブルデバイス向けに、特徴的な可逆的形状変化を示すMAEの設計フレームワークを提供すること。

提案手法

• 永久微磁石を周囲むエラストマー基体に軟磁性微粒子が充填された複合材料ユニットの微視的構造進化をシミュレートするために、粗粒度化されたビーズスプリング分子動力学（MD）モデルを採用する。
• 磁気的力の効果を機械的荷重として扱う連続体磁気機械モデルを適用し、微視的詳細を追跡せずに巨視的磁場誘起歪みを計算可能にする。
• 軟磁性粒子の磁化飽和をモデル化するために、フローリッヒ＝ケニルリー近似を用い、線形応答を超える非線形磁気的挙動を捉える。
• 外部磁場下における再入型歪みプロファイルに与える影響を評価するために、エラストマー基体のせん断弾性率を変化させる。
• MDシミュレーションと連続体モデルの結果を比較し、スケールを越えた一貫性を確認し、予測の妥当性を検証する。
• 外力磁場強度の関数としての軸方向歪み応答を分析し、非単調（再入型）挙動を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポリマー基体に磁気的軟磁性および硬磁性微粒子を含めることで、複合材料の磁気歪み応答にどのような影響が生じるか？
• RQ2 特に飽和効果を含む軟磁性粒子の非線形磁化が、複雑な変形パターンの誘発に果たす役割は何か？
• RQ3 エラストマー基体の剛性は、再入型軸方向歪みの発生および特徴にどのように影響を与えるか？
• RQ4 分子動力学シミュレーションと連続体モデルは、同一のMAEユニットについてどの程度一貫性のある予測を提供するか？
• RQ5 微視的シミュレーションと巨視的連続体モデルの組み合わせにより、棒状–扁平状–棒状変換のような非自明で可逆的な形状変化を明らかにできるか？

主な発見

• 磁場強度を変化させることで、非自明な再入型軸方向歪み（棒状–扁平状–棒状）が発現し、複雑で非単調な形状応答を示す。
• 分子動力学シミュレーションと連続体モデルの両方が、同一の再入型挙動を予測しており、モデル化スケールを越えてこの効果の頑健性が確認された。
• フローリッヒ＝ケニルリー近似を用いてモデル化された軟磁性粒子の非線形磁化が、再入型歪みの発現に重要な役割を果たしており、特に磁化飽和付近で顕著である。
• エラストマー基体の剛性は歪みプロファイルに顕著な影響を及ぼし、より剛性の高いマトリックスでは再入型形状遷移が抑制されたり、変化したりする。
• 軟磁性および硬磁性粒子の併用により、可逆的かつ磁場でチューニング可能な形状応答が実現可能であり、人工筋肉やソフトアクチュエータへの応用可能性が示唆される。
• 本研究は、磁性粒子間の相互作用とマトリックスの弾性の相乗効果が、単一成分のMAEsに存在しない特徴的な機械的挙動を生じることを示した。