TU Darmstadt / ULB / TUprints

Internal deformation in Hybrid-materials

Schmidt, Henrik (2021):
Internal deformation in Hybrid-materials. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019454,
[Ph.D. Thesis]

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Henrik_Schmidt_Internal Deformation in Hybrid-materials.pdf
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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Internal deformation in Hybrid-materials
Language: English
Abstract:

Magnetic-hybrid materials generally consist of non-magnetic carrier materials interspersed with a magnetic filler material. If the carrier material is an elastomer they are called more specifically magnetorheologic elastomer (MREs). Under an applied magnetic field, those materials can respond in two ways: The magnetostriction and the magnetorheological (MR) effect. Magnetostriction is the ability to deform when subjected to a magnetic field. The MR effect is the alternation of mechanical properties like tensile strain under an applied magnetic field. To obtain strong magnetostrictive effects, the particles inside the MRE have to rearrange in position and orientation under the influence of a magnetic field. To be applicable e.g. as an actuator, it is of utter importance to understand the link between particle movement and macroscopic deformation. This work extends the previous studies of Huang and Puljiz et al. [69, 133, 135]. Similar to [133, 135] the sample were prepared as layer system of polymer layers [polydimethylsiloxan (PDMS)] and particles. This facilitated particle positioning. At first, MRE samples comprising two paramagnetic nickel particles with initial inter-particle distance of roughly one particle diameter were prepared in order to keep the amount of unknown parameters small. Subsequently, the sample complexity was increased by introducing more particles into the system. As the magnetic forces not only depends on the distance between the particles but also on their position relative to the external field, the system was exposed to a slowly, stepwise rotating magnetic field of 180 mT. Resolving the particle attachment and detachment and measuring the angles between particle axis and external field for all corresponding magnetic field orientations, I identified a strong magneto-active configuration. This strong magneto-active configuration is characterized by a large inter-particle distance change generated by a small alternation of the external magnetic field orientation. It is sensitive to the initial inter-particle distance, Young’s modulus of the matrix, and magnetic field strength and thus, was only stable in a defined parameter range, i.e. for a defined ratio between elastic and magnetic forces. To determine the influence of additional particles, the particle number in this linear arrangement was successively increased up to fourteen particles. Particles did not form a continuous particle chain but particle groups of different particle numbers. Thereby, the distance to neighbor particles determined whether particles were able to get into contact or not. Also matrix mediated interaction was observed. In addition, in five by five particle lattices, particle groups of more than five particles formed. For magnetic fields orientated along the lateral lattice direction the influence of lattice irregularities was shown. Furthermore, a correlation between the mean particle number per group and the area the rim particles surround, existed. It was an inverse correlation, i.e. the larger the mean particle number per group the smaller the area. Concluding, magnetically hollow spheres and magneto-active membranes comprising a dense packed monolayer of particles, were prepared. The hollow spheres showed large and direction changable deformations. The membrane was used as drop size selector and showed a significantly larger stiffness as the pure PDMS matrix.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Hybridmaterialien zeigen im Vergleich zu ihren Bestandteilen verbesserte oder neue Eigenschaften. Magnetische Hybridmaterialien bestehen im allgemeinem aus einem magnetischem Füllmaterial, welches in einem nicht magnetischen Trägermaterial (Trägermatrix) eingebettet ist. Ist das Trägermaterial ein Elastomer, werden diese Materialien auch magneto-rheologische Elastomere (MRE) genannt. In den meisten Fällen bestehen MREs aus magnetischen Partikeln, die in eine Polymermatrix eingebettet wurden. Werden MREs einem magnetischen Feld ausgesetzt, zeigen sie zwei Reaktionen: Die Magnetostriktion und den magnetorheologischen (MR) Effekt. Magnetostriktion ist die Fähigkeit des Materials, seine Form durch das Anlegen eines Magnetfeldes zu ändern, wohingegen der MR Effekt die Variation der Steifigkeit des Materials im Magnetfeld beschreibt. Um einen starke Magnetostriktion zu erzielen, müssen sich die Partikel im MRE unter dem Einfluss eines Magnetfeldes umordnen. Deshalb ist es für eine Optimierung dieser Fähigkeit wichtig, den Zusammenhang zwischen Formveränderung und Partikelbewegung im MRE zu verstehen. Diese Arbeit baut auf den früheren Arbeiten von Huang und Puljiz et al. auf [69, 133, 135]. Die MRE-Proben wurden ähnlich wie in [133, 135] als Schichtsystem aus Polymer [Polydimethylsiloxan (PDMS)] und Partikeln hergestellt. Dies vereinfachte eine Partikel-Positionierung. Um die Anzahl der unbekannten Parameter gering zu halten, wurden zunächst Proben mit zwei paramagnetischen Nickel-Partikeln, die in einem Abstand von ungefähr einem Partikel Durchmesser zueinander plaziert wurden, hergestellt. Danach wurde die Komplexität der Proben durch die Hinzugabe von weiteren Partikeln sukzessive gesteigert. Da die magnetisch Kraft zwischen den beiden Partikeln nicht nur durch die Feldstärke sondern auch durch die Partikelposition relativ zur Feldorientierung geändert werden kann, wurden die Proben einem homogenen, schrittweise rotierenden Magnetfeld von 180 mT ausgesetzt. Durch das optische Aufnehmen der Partikeltrajektorien wurde der Partikelabstand für die dazugehörige Magnetfeldorientierung bestimmt. Die beiden Partikel zeigten einen neuen magneto-aktiven Zustand, der sich dadurch auszeichnet, dass kleine Veränderungen in der Magnetfeldorientierung eine große Änderung des Partikelabstands hervorriefen. Dieser magneto-aktive Zustand hängt vom ursprünglichem Partikelabstand, dem Young’s Modul der PDMS-Matrix und der Magnetfeldstärke ab. Er tritt nur für ein definiertes Verhältniss zwischen den drei Größen, also nur für ein bestimmtes Verhältnis zwischen elastischer und magnetischer Kraft auf. Um den Einfluss weiterer Partikel zu untersuchen, wurde zunächst die Partikelanzahl in einer linearen Anordnung bis auf vierzehn erhöht. Dabei zeigte sich, dass keine durchgängige Partikelkette ensteht, sondern ein Zerfall in unterschiedlich große Partikelgruppen stattfindet. Ob Partikel in Kontakt kamen, korrelierte dabei stark mit ihrem Abstand zu den benachbarten Partikeln. Auch Matrix vermittelte Wechselwirkungen konnten belegt werden und spielten eine Rolle. In Partikelgittern von fünf auf fünf Partikeln wurden Partikelgruppen mit mehr als fünf Partikeln detektiert. Für magnetische Feldrichtungen entlang der Gitterachsen konnte der Einfluss von Gitterfehlern gezeigt werden. Es ergab sich ein Zusammenhang zwischen der durchschnittlichen Größe der Partikelgruppen und der Fläche, welche die Randpartikel umrahmten. Dabei galt, je vii größer die Partikelgruppen desto kleiner die Fläche. Abschließend wurden magnetische Hohlkugeln und magnetisch aktive Membrane hergestellt, die eine dicht gepackte Partikel-Monolage beinhalteten. Die Hohlkugeln zeichneten sich durch große und in ihrer Richtung steuerbare Deformationen aus. Die Membrane fungierten als Tropfenselektor und wiesen im Vergleich zur reinen PDMS-Matrix eine deutlich erhöhte Steifigkeit auf.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xii, 179 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for Condensed Matter Physics > Soft Matter at Interfaces (SMI)
Date Deposited: 23 Sep 2021 08:05
Last Modified: 23 Sep 2021 08:05
DOI: 10.26083/tuprints-00019454
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-194548
Referees: Butt, Prof. Dr. Hans-Jürgen ; von Klitzing, Prof. Dr. Regine
Refereed: 14 April 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19454
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