eng
Выпуск #5/2022
Г.В.Степанов, Е.Ю.Крамаренко, П.А.Стороженко
МАГНИТОДЕФОРМАЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ И ВАКУУМНОЕ УПЛОТНЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТОАКТИВНОГО ЭЛАСТОМЕРА
МАГНИТОДЕФОРМАЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ И ВАКУУМНОЕ УПЛОТНЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ МАГНИТОАКТИВНОГО ЭЛАСТОМЕРА
Просмотры: 369
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.5.266.271
Обсуждается возможность применения магнитоактивных эластомеров (МАЭ) в вакуумных уплотнениях по неровной поверхности. Материал характеризуется высоким магнитодеформационным и магнитострикционным эффектами и обладает высокой эластичностью. Данный материал под действием магнитного поля способен притягиваться к уплотняемой неровной поверхности и выполнять роль эффективного уплотнителя.
Обсуждается возможность применения магнитоактивных эластомеров (МАЭ) в вакуумных уплотнениях по неровной поверхности. Материал характеризуется высоким магнитодеформационным и магнитострикционным эффектами и обладает высокой эластичностью. Данный материал под действием магнитного поля способен притягиваться к уплотняемой неровной поверхности и выполнять роль эффективного уплотнителя.
Теги: boron carbide film structure magnetron deposition of films neutron detector thin-film neutron converter карбид бора магнетронное нанесение пленок нейтронный детектор структура пленки тонкопленочный конвертер нейтронов
Получено: 15.06.2022 г. | Принято: 22.06.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.5.266.271
Научная статья
Магнитодеформационный эффект и вакуумное уплотнение с помощью магнитоактивного эластомера
Г.В.Степанов1, науч. сотр., нач. лаборатории, ORCID: 0000-0003-0053-1883 / gstepanov@mail.ru
Е.Ю.Крамаренко2, д.ф.-м.н., проф., ORCID: 0000-0003-1716-7010
П.А.Стороженко1, д.х.н., зам. директора, проф., ORCID: 0000-0002-3605-5498
Аннотация. Обсуждается возможность применения магнитоактивных эластомеров (МАЭ) в вакуумных уплотнениях по неровной поверхности. Материал характеризуется высоким магнитодеформационным и магнитострикционным эффектами и обладает высокой эластичностью. Данный материал под действием магнитного поля способен притягиваться к уплотняемой неровной поверхности и выполнять роль эффективного уплотнителя.
Ключевые слова: магнетронное нанесение пленок, карбид бора, структура пленки, тонкопленочный конвертер нейтронов, нейтронный детектор
Для цитирования: Г. В. Степанов, Е. Ю. Крамаренко, П. А. Стороженко. Магнитодеформационный эффект и вакуумное уплотнение с помощью магнитоактивного эластомера. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 5. С. 266–271. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.5.266.271
Received: 15.06.2022 | Accepted: 22.06.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.5.266.271
Original paper
MAGNETODEFORMATION EFFECT AND VACUUM SEALING WITH A MAGNETOACTIVE ELASTOMER
G.V.Stepanov1, Researcher, Head of Laboratory, ORCID: 0000-0003-0053-1883 / gstepanov@mail.ru
E.Yu.Kramarenko2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., ORCID: 0000-0003-1716-7010
P.A.Storozhenko1, Doct. of Sci. (Chemical), Prof., Director, ORCID: 0000-0002-3605-5498
Abstract. The possibility of using magnetically active elastomers (MAE) in vacuum seals over an uneven surface is discussed. The material is characterised by high magnetodeformation and magnetostriction effects and is highly elastic. This material is able to be attracted to the sealed uneven surface under the action of the magnetic field and act as an effective sealant.
Keywords: magnetron deposition of films, boron carbide, film structure, thin-film neutron converter, neutron detector
For citation: G. V. Stepanov, E. Yu. Kramarenko, P. A. Storozhenko. Magnetodeformation effect and vacuum sealing with a magnetoactive elastomer. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 5. PP. 266–271. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.5.266.271
ВВЕДЕНИЕ
Создан и исследуется новый тип магнитного эластомера, способного деформироваться под действием неоднородных и однородных магнитных полей. Первичные исследования показали, что под действием неоднородных магнитных полей материал способен растягиваться на сотни процентов [1–3], а под действием однородного магнитного поля удлиняться на 10% [3]. Кроме того, в однородных магнитных полях материал способен проявлять магнитный эффект памяти, т.е. в однородном магнитном поле он становится пластичным как пластилин, может принимать различные формы и сохранять их в магнитном поле. После выключения магнитного поля исходная форма образца восстанавливается [4]. Наиболее полно основные свойства представлены в обзоре [3], в том числе и с магнитотвердым наполнителем [5]. Поскольку магнитодеформационный эффект представляет значительный практический интерес, составы и способы его применения защищены рядом патентов [6, 7], он применяется в качестве клапана регулировки расхода [8] или в управлении движением эластичного червя [9].
Одной из эффективных областей применения магнитодеформационного эффекта (МДЭ) может быть создание уплотнителей для больших поверхностей, а также в вакуумной технике. Стандартное уплотнение заключается в прижатии одной поверхности к другой. Если прижатие идет по большой поверхности, то для создания заданного удельного давления одной поверхности на другую необходимо прикладывать значительное усилие. В созданном макете уплотнительного устройства мы попытались выяснить, насколько эффективно возможно уплотнять с помощью МАЭ грубую рельефную поверхность. В нашем модельном случае мы попытались установить, как магнитоупругая резина втягивается в зазоры магнитным полем и как при этом происходит уплотнение зазора между двумя поверхностями.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для измерения магнитодеформационного эффекта использовался электромагнит, на определенном расстоянии от которого закреплялся исследуемый образец. Один полюс электромагнита создавал неоднородное магнитное поле, к которому притягивался магнитоактивный эластомер. Для исследования магнитострикционного эффекта цилиндрический образец МАЭ помещался между полюсов электромагнита или в середине катушки соленоида, после чего фиксировалось напряжение, которое создавал материал в магнитном поле.
Для измерения свойств уплотнения, создаваемого с помощью МАЭ была создана оригинальная установка, схема которой представлена на рис.1.
Схема эксперимента состоит в следующем. Вакуумируемая трубка (1), по боковой поверхности которой в торцевой части приклеен МАЭ (2), приставляется к грубой уплотняемой поверхности (3). Снизу к уплотняемой поверхности подводится магнит (4) на расстояние, необходимое для создания магнитного поля заданной напряженности. Трубка (1) вакуумируется от вакуумного насоса (7), кран (6) перекрывается, и по манометру (5) проводится наблюдение за скоростью изменения вакуума в системе. Диаметр уплотняемой части трубы 1–15 мм, ширина кольца магнитоактивного эластомера (2) – 5 мм. Объем вакуумируемого пространства около 40 мл.
Для исследования синтезирован МАЭ, представляющий собой композит из силиконовой матрицы, наполненной магнитными частицами карбонильного железа с размером 5 мкм и концентрацией 30 объемных процентов.
Измерение вязкоупругих и магнитострикционных свойств проводили на разрывной машине И1158М-0,5 -01-1 (ООО "ТОЧПРИБОР-КБ"), с датчиком силы на 10 Н, в режиме растяжения и сжатия. Датчик силы с номинальным значением 10 Н имеет дискретность 0,0001 Н и относительную погрешность 1 % в диапазоне от 0,2 до 10 Н.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Исследование упругих и магнитострикционных свойств материала проводили на разрывной машине для цилиндрического образца диаметром 14 мм и длиной 35 мм. Исследование показало, что при деформации без магнитного поля свойства материала практически подчиняются закону Гука и измеренная упругость методом растяжения-сжатия составляет 100 кПа, как показано на рис.2 (кривая 1). Под действием однородного магнитного поля материал расширяется и создает давление на торцы цилиндра, а кривая деформации (растяжение-сжатие) принимает эллипсоидный характер (кривая 2, рис.2), что связано с изменением упругих свойств в магнитном поле, которые одновременно зависят от величины деформации.
Под действием однородного магнитного поля МАЭ проявляет положительный эффект магнитострикции, материал расширяется в направлении магнитного поля. На рис.3 показана зависимость давления материала на торцы цилиндра от величины магнитного поля, в которое помещен образец.
Под действием магнитного поля материал расширяется, или создает давление на торцы цилиндра. При отсутствии сопротивления материал удлиняется в среднем на 10 %.
Рассмотрим, как деформируется материал в микрозазорах на примере конструкции уплотнителя неровной, ребристой поверхности. Вид уплотняемой поверхности представлен на рис.4. Обычно такое уплотнение осуществляют методом вдавливания эластичного уплотняющего материала в неровности поверхности. Иногда уплотняемую поверхность делают ребристой с направлением расположения ребер перпендикулярно направлению движения уплотняемой среды.
В результате исследования, проводимого на установке (рис.1) обнаружено, что скорость изменения вакуума в системе зависит от величины магнитного поля.
На рис.5 показано, как зависит скорость изменения вакуума от величины приложенного магнитного поля.
Систему откачивали до неглубокого вакуума в 5 кПа, что принималось за 100 ед. Далее измеряли, как во времени изменяется вакуум в системе. Как видно из рис.5, скорость изменения вакуума в системе сильно зависит от величины приложенного магнитного поля. При некой величине поля, в данном случае около 450 мТл, вакуум в системе не изменялся в течение нескольких часов (кривая 6). В данном случае, это довольно большое поле, поскольку исходная уплотняемая поверхность имела высокий искусственно созданный рельеф в направлении прохождения воздуха. Данный эксперимент показывает принципиальную возможность создания уплотнителей нового типа с использованием магнитоактивных эластомеров.
На рис.6 представлена обобщенная зависимость изменения скорости натекания воздуха в систему от величины магнитного поля.
Видно, что с увеличением магнитного поля скорость натекания в емкость через уплотнитель замедляется, и по какой-то величине останавливается.
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные результаты могут быть объяснены особыми, уникальными свойствами МАЭ, который обладает высокой эластичностью и способностью деформироваться в магнитном поле. Схематично принцип действия уплотнителя можно представить таким образом, как показано на рис.7 а, b.
При организации уплотнения, МАЭ (1) несильно прижимается к уплотняемой неровной поверхности (2), при этом между эластомером и неровной уплотняемой поверхностью остается значительный зазор за счет рельефа поверхности. При подведении к такой системе неоднородного магнитного поля от электромагнита или постоянного магнита, МАЭ втягивается в неоднородное магнитное поле, одновременно прижимаясь к поверхности, заполняя все ее неровности. Степень уплотнения зависит как от величины неровностей, так и от величины магнитного поля. При искусственно созданной величине неровности в 1 мм магнитного поля в 450 мТл было достаточно для полной герметизации системы. Следует отметить, что данные параметры являются предельными. Для создания магнитного поля в 450 мТл был взят довольно мощный NdFeB магнит размером 40 × 40 × 40 мм.
ВЫВОДЫ
Таким образом, МАЭ, характеризующийся значительным магнитострикционным эффектом, можно использовать для организации вакуумного уплотнения при неглубоком вакууме, когда уплотняемая поверхность имеет значительный рельеф.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа представлена при поддержке Гранта РФФИ 19-53-12039, и программы НАТО "Наука для мира" SfP 977998.
Научная статья
Магнитодеформационный эффект и вакуумное уплотнение с помощью магнитоактивного эластомера
Г.В.Степанов1, науч. сотр., нач. лаборатории, ORCID: 0000-0003-0053-1883 / gstepanov@mail.ru
Е.Ю.Крамаренко2, д.ф.-м.н., проф., ORCID: 0000-0003-1716-7010
П.А.Стороженко1, д.х.н., зам. директора, проф., ORCID: 0000-0002-3605-5498
Аннотация. Обсуждается возможность применения магнитоактивных эластомеров (МАЭ) в вакуумных уплотнениях по неровной поверхности. Материал характеризуется высоким магнитодеформационным и магнитострикционным эффектами и обладает высокой эластичностью. Данный материал под действием магнитного поля способен притягиваться к уплотняемой неровной поверхности и выполнять роль эффективного уплотнителя.
Ключевые слова: магнетронное нанесение пленок, карбид бора, структура пленки, тонкопленочный конвертер нейтронов, нейтронный детектор
Для цитирования: Г. В. Степанов, Е. Ю. Крамаренко, П. А. Стороженко. Магнитодеформационный эффект и вакуумное уплотнение с помощью магнитоактивного эластомера. НАНОИНДУСТРИЯ. 2022. Т. 15, № 5. С. 266–271. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.5.266.271
Received: 15.06.2022 | Accepted: 22.06.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.5.266.271
Original paper
MAGNETODEFORMATION EFFECT AND VACUUM SEALING WITH A MAGNETOACTIVE ELASTOMER
G.V.Stepanov1, Researcher, Head of Laboratory, ORCID: 0000-0003-0053-1883 / gstepanov@mail.ru
E.Yu.Kramarenko2, Doct. of Sci. (Physics and Mathematics), Prof., ORCID: 0000-0003-1716-7010
P.A.Storozhenko1, Doct. of Sci. (Chemical), Prof., Director, ORCID: 0000-0002-3605-5498
Abstract. The possibility of using magnetically active elastomers (MAE) in vacuum seals over an uneven surface is discussed. The material is characterised by high magnetodeformation and magnetostriction effects and is highly elastic. This material is able to be attracted to the sealed uneven surface under the action of the magnetic field and act as an effective sealant.
Keywords: magnetron deposition of films, boron carbide, film structure, thin-film neutron converter, neutron detector
For citation: G. V. Stepanov, E. Yu. Kramarenko, P. A. Storozhenko. Magnetodeformation effect and vacuum sealing with a magnetoactive elastomer. NANOINDUSTRY. 2022. V. 15, no. 5. PP. 266–271. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2022.15.5.266.271
ВВЕДЕНИЕ
Создан и исследуется новый тип магнитного эластомера, способного деформироваться под действием неоднородных и однородных магнитных полей. Первичные исследования показали, что под действием неоднородных магнитных полей материал способен растягиваться на сотни процентов [1–3], а под действием однородного магнитного поля удлиняться на 10% [3]. Кроме того, в однородных магнитных полях материал способен проявлять магнитный эффект памяти, т.е. в однородном магнитном поле он становится пластичным как пластилин, может принимать различные формы и сохранять их в магнитном поле. После выключения магнитного поля исходная форма образца восстанавливается [4]. Наиболее полно основные свойства представлены в обзоре [3], в том числе и с магнитотвердым наполнителем [5]. Поскольку магнитодеформационный эффект представляет значительный практический интерес, составы и способы его применения защищены рядом патентов [6, 7], он применяется в качестве клапана регулировки расхода [8] или в управлении движением эластичного червя [9].
Одной из эффективных областей применения магнитодеформационного эффекта (МДЭ) может быть создание уплотнителей для больших поверхностей, а также в вакуумной технике. Стандартное уплотнение заключается в прижатии одной поверхности к другой. Если прижатие идет по большой поверхности, то для создания заданного удельного давления одной поверхности на другую необходимо прикладывать значительное усилие. В созданном макете уплотнительного устройства мы попытались выяснить, насколько эффективно возможно уплотнять с помощью МАЭ грубую рельефную поверхность. В нашем модельном случае мы попытались установить, как магнитоупругая резина втягивается в зазоры магнитным полем и как при этом происходит уплотнение зазора между двумя поверхностями.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для измерения магнитодеформационного эффекта использовался электромагнит, на определенном расстоянии от которого закреплялся исследуемый образец. Один полюс электромагнита создавал неоднородное магнитное поле, к которому притягивался магнитоактивный эластомер. Для исследования магнитострикционного эффекта цилиндрический образец МАЭ помещался между полюсов электромагнита или в середине катушки соленоида, после чего фиксировалось напряжение, которое создавал материал в магнитном поле.
Для измерения свойств уплотнения, создаваемого с помощью МАЭ была создана оригинальная установка, схема которой представлена на рис.1.
Схема эксперимента состоит в следующем. Вакуумируемая трубка (1), по боковой поверхности которой в торцевой части приклеен МАЭ (2), приставляется к грубой уплотняемой поверхности (3). Снизу к уплотняемой поверхности подводится магнит (4) на расстояние, необходимое для создания магнитного поля заданной напряженности. Трубка (1) вакуумируется от вакуумного насоса (7), кран (6) перекрывается, и по манометру (5) проводится наблюдение за скоростью изменения вакуума в системе. Диаметр уплотняемой части трубы 1–15 мм, ширина кольца магнитоактивного эластомера (2) – 5 мм. Объем вакуумируемого пространства около 40 мл.
Для исследования синтезирован МАЭ, представляющий собой композит из силиконовой матрицы, наполненной магнитными частицами карбонильного железа с размером 5 мкм и концентрацией 30 объемных процентов.
Измерение вязкоупругих и магнитострикционных свойств проводили на разрывной машине И1158М-0,5 -01-1 (ООО "ТОЧПРИБОР-КБ"), с датчиком силы на 10 Н, в режиме растяжения и сжатия. Датчик силы с номинальным значением 10 Н имеет дискретность 0,0001 Н и относительную погрешность 1 % в диапазоне от 0,2 до 10 Н.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Исследование упругих и магнитострикционных свойств материала проводили на разрывной машине для цилиндрического образца диаметром 14 мм и длиной 35 мм. Исследование показало, что при деформации без магнитного поля свойства материала практически подчиняются закону Гука и измеренная упругость методом растяжения-сжатия составляет 100 кПа, как показано на рис.2 (кривая 1). Под действием однородного магнитного поля материал расширяется и создает давление на торцы цилиндра, а кривая деформации (растяжение-сжатие) принимает эллипсоидный характер (кривая 2, рис.2), что связано с изменением упругих свойств в магнитном поле, которые одновременно зависят от величины деформации.
Под действием однородного магнитного поля МАЭ проявляет положительный эффект магнитострикции, материал расширяется в направлении магнитного поля. На рис.3 показана зависимость давления материала на торцы цилиндра от величины магнитного поля, в которое помещен образец.
Под действием магнитного поля материал расширяется, или создает давление на торцы цилиндра. При отсутствии сопротивления материал удлиняется в среднем на 10 %.
Рассмотрим, как деформируется материал в микрозазорах на примере конструкции уплотнителя неровной, ребристой поверхности. Вид уплотняемой поверхности представлен на рис.4. Обычно такое уплотнение осуществляют методом вдавливания эластичного уплотняющего материала в неровности поверхности. Иногда уплотняемую поверхность делают ребристой с направлением расположения ребер перпендикулярно направлению движения уплотняемой среды.
В результате исследования, проводимого на установке (рис.1) обнаружено, что скорость изменения вакуума в системе зависит от величины магнитного поля.
На рис.5 показано, как зависит скорость изменения вакуума от величины приложенного магнитного поля.
Систему откачивали до неглубокого вакуума в 5 кПа, что принималось за 100 ед. Далее измеряли, как во времени изменяется вакуум в системе. Как видно из рис.5, скорость изменения вакуума в системе сильно зависит от величины приложенного магнитного поля. При некой величине поля, в данном случае около 450 мТл, вакуум в системе не изменялся в течение нескольких часов (кривая 6). В данном случае, это довольно большое поле, поскольку исходная уплотняемая поверхность имела высокий искусственно созданный рельеф в направлении прохождения воздуха. Данный эксперимент показывает принципиальную возможность создания уплотнителей нового типа с использованием магнитоактивных эластомеров.
На рис.6 представлена обобщенная зависимость изменения скорости натекания воздуха в систему от величины магнитного поля.
Видно, что с увеличением магнитного поля скорость натекания в емкость через уплотнитель замедляется, и по какой-то величине останавливается.
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные результаты могут быть объяснены особыми, уникальными свойствами МАЭ, который обладает высокой эластичностью и способностью деформироваться в магнитном поле. Схематично принцип действия уплотнителя можно представить таким образом, как показано на рис.7 а, b.
При организации уплотнения, МАЭ (1) несильно прижимается к уплотняемой неровной поверхности (2), при этом между эластомером и неровной уплотняемой поверхностью остается значительный зазор за счет рельефа поверхности. При подведении к такой системе неоднородного магнитного поля от электромагнита или постоянного магнита, МАЭ втягивается в неоднородное магнитное поле, одновременно прижимаясь к поверхности, заполняя все ее неровности. Степень уплотнения зависит как от величины неровностей, так и от величины магнитного поля. При искусственно созданной величине неровности в 1 мм магнитного поля в 450 мТл было достаточно для полной герметизации системы. Следует отметить, что данные параметры являются предельными. Для создания магнитного поля в 450 мТл был взят довольно мощный NdFeB магнит размером 40 × 40 × 40 мм.
ВЫВОДЫ
Таким образом, МАЭ, характеризующийся значительным магнитострикционным эффектом, можно использовать для организации вакуумного уплотнения при неглубоком вакууме, когда уплотняемая поверхность имеет значительный рельеф.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа представлена при поддержке Гранта РФФИ 19-53-12039, и программы НАТО "Наука для мира" SfP 977998.
Отзывы читателей
