МАГНИТНЫЙ ЭЛАСТОМЕР Российский патент 2014 года по МПК H01F1/00 

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.

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_H 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.

На фиг.1 приведена зависимость диэлектрической проницаемости магнитного эластомера с частицами FeNdB (сплав FeNdB с атомным составом Nd₂Fe₁₄B 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.

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 Nd₂Fe₁₄B 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_H, % 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.

Изобретение относится к композиционным магнитным материалам. Предложен композиционный магнитный эластомер, состоящий из матрицы высокоэластичного полимера и наполнителя из магнитных частиц, причем в качестве наполнителя используются частицы электропроводящего магнитного наполнителя в концентрации 10-90 % общей массы, на поверхность которых предварительно нанесена пленка поверхностно-активного вещества. Технический результат - создание магнитного эластомера, характеризующегося высокой величиной магнитодиэлектрического эффекта и возможностью управления величиной диэлектрической проницаемости с помощью внешнего магнитного поля. 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Магнитный эластомер, сформированный в результате полимеризации, состоит из матрицы в виде эластичного полимера и наполнителя из магнитных частиц, отличающийся тем, что в качестве матрицы используется или натуральный каучук, или акрилатный каучук, или бутадиен-нитрильный каучук, или бутадиеновый каучук, или бутадиен-стирольный каучук, или бутилкаучук, или винилпиридиновый каучук, или изопреновый каучук, или карбоксилатный каучук, или кремнийорганическии каучук, или полисульфидный каучук, или уретановый каучук, или фторкаучук, или хлоропреновый каучук, или хлорсульфированный полиэтилен, или этилен-пропиленовый каучук, а в качестве наполнителя используются частицы электропроводящего магнитного наполнителя в концентрации от 10 до 90% общей массы, на поверхность которых предварительно нанесена пленка поверхностно-активного вещества.

2. Магнитный эластомер по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя используются частицы из следующего ряда: Fe, FeNi, Co, Ni, FeNdB, FeNbB, FeNbBSi, SmCo, Alniko.

3. Магнитный эластомер по п.1, отличающийся тем, что размер частиц наполнителя расположен в диапазоне от десятков нанометров до десятков микрон.

4. Магнитный эластомер по п.1, отличающийся тем, что характеризующий его модуль упругости Юнга лежит в интервале 1-1000 кПа.

5. Магнитный эластомер по п.1, отличающийся тем, что полимеризация осуществлена в присутствии внешнего магнитного поля 0.1-1 Tл.

6. Магнитный эластомер по п.1, отличающийся тем, что в качестве поверхностно-активного вещества используется смесь триэтоксисилана и полиметилсилоксана в соотношении 1:1.