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 |