Создание направленного движения с использованием магнитоуправляемых материаловНИР

The

Источник финансирования НИР

грант Президента РФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 31 марта 2016 г.-31 декабря 2016 г. Создание направленного движения с использованием магнитоуправляемых материалов
Результаты этапа: 1. Экспериментально исследовано движение объектов из магнитоуправляемых материалов в вязкой немагнитной жидкости вблизи горизонтального дна сосуда в однородном вращающемся магнитном поле. Магнитное поле, вращающееся в вертикальной плоскости, создается при помощи двух пар катушек Гельмгольца. Объекты вращаются в том же направлении, что и поле, и движутся вдоль дна. В качестве объектов рассмотрены вытянутые тела из намагничивающегося эластомера различной формы и капли магнитной жидкости. Изготовлены образцы эллипсоидальных тел различной вытянутости на основе силикона с никелевыми микрочастицами. Получены зависимости средней скорости движения центра масс тела вдоль дна от частоты магнитного поля для тел разных размеров, различных амплитуд поля, различных окружающих жидкостей и различной гладкости дна. Во всех случаях получены немонотонные зависимости с одним максимумом: средняя скорость возрастает вместе с увеличением частоты, затем тело начинает вращаться неравномерно и скорость уменьшается. По достижении критического значения частоты тело перестает вращаться и останавливается. Диапазон частот, в котором движется центр масс твердого тела, и максимальная средняя скорость уменьшаются при уменьшении амплитуды поля и вытянутости тела, а также при увеличении вязкости окружающей жидкости. Тело достаточно тяжелое и не левитирует. При постоянном направлении вращения магнитного поля тело катится вдоль дна только в одном направлении, как при твердотельном качении. В отличии от тела капля при достаточной частоте поля левитирует около дна, не касаясь его, и может изменять свою форму. Построены зависимости высоты левитации капли над дном в зависимости от частоты приложенного поля. Обнаружено два различных случая движения капли МЖ вдоль дна. При некоторых параметрах магнитного поля капля имеет форму близкую к эллипсоиду вращения и катится вдоль дна, как твердое тело. Также обнаружены параметры магнитного поля, когда капля становится S-образной и движется вдоль дна в противоположном направлении. В экспериментах обнаружены значения амплитуды поля, при которых капля при достижении критической частоты разрывается на две капли меньшего объема. Зависимость средней скорости капли от частоты поля немонотонная при движении в обоих направлениях. Максимальное значение средней скорости капли слабо зависит от амплитуды поля, но значение частоты, при которой достигается максимум средней скорости убывает при увеличении амплитуды. 2. Теоретически и экспериментально исследуется левитация и движение магнита в малом объеме магнитной жидкости на твердой горизонтальной подложке. Форма магнитной жидкости вокруг магнита и высота левитации магнита исследована теоретически и экспериментально для различных объемов магнитной жидкости. При теоретическом исследовании магнитное поле моделируется при помощи пакета программ ANSYS. Написана программа нахождения формы свободной поверхности заданного малого объема магнитной жидкости около постоянного магнита на горизонтальной плоскости. Построена зависимость высоты левитации магнита от объема магнитной жидкости. Проведено сравнение экспериментов и теории. В случае, когда магнитная жидкость, в которую помещается магнит, имеет в начальный момент не симметричную форму, возникает горизонтальная сила, под действием которой магнит движется вдоль плоскости. Экспериментально исследовано движение магнита по тонкой узкой полосе магнитной жидкости. Экспериментально исследована скорость движения магнита в зависимости от толщины и длины слоя магнитной жидкости, а также от количества магнитной жидкости, находящейся на магните в начальный момент времени. Показано, что при увеличении объема магнитной жидкости в слое или на магните средняя скорость движения увеличивается. 3. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование поведения формы поверхности капли магнитной жидкости на цилиндрическом теле из хорошо намагничивающегося материала (концентратор магнитного поля), в окружающей немагнитной жидкости в циклически возрастающем и убывающем однородном приложенном магнитном поле. Разработана методика расчета формы контакта магнитной и немагнитной жидкости. Рассмотрен случай, когда над концентратором расположена горизонтальная пластина. Показано, что при некотором значении магнитного поля капля может перекрыть зазор между концентратором и плоскостью (образовывать перемычку). Построены теоретическая и экспериментальная зависимость минимального необходимого объема перемычки от приложенного магнитного поля. Обнаружено существование критических значений магнитного поля и объема. При полях меньше критического перемычка, заданного типа не образуется ни для каких объемов магнитной жидкости. При объеме меньшем критического перемычка не образуется ни при каких значениях магнитного поля. Теоретические и экспериментальные результаты хорошо согласуются. 4. Теоретически исследована капля тяжелой, несжимаемой, однородной, изотермической магнитной жидкости конечного объема на горизонтальной плоскости в магнитном поле вертикального линейного проводника в случае не смачивания. Магнитная жидкость окружена немагнитной жидкостью с той же плотностью. Изучено, как свободная поверхность меняет свою статическую форму при квазистатическом изменении тока в проводнике. Показана возможность гистерезиса формы жидкости при циклическом увеличении и уменьшении тока, а также скачкообразных изменений при определенных значениях тока.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Создание направленного движения с использованием магнитоуправляемых материалов
Результаты этапа: В проекте проведены экспериментальные и теоретические исследования деформации и движения объемов магнитоуправляемых материалов в различных магнитных полях. Показана возможность создания направленного движения, при использовании объемов магнитоуправляемых материалов, в переменных внешних магнитных полях. Также показана возможность использования этих движений при создании новых типов устройств (насосов, дозаторов, клапанов, прерывателей). В качестве магнитоуправляемых материалов были использованы магнитные жидкости (МЖ) и намагничивающиеся эластомеры (НЭ). МЖ и НЭ – это среды, состоящие из частиц ферромагнетика нано- и микро- размеров, диспергированных в жидкости или упругом эластомере. Рассмотрены деформации, возникающие при использовании комбинации этих материалов (МЖ и НЭ). Представлены эксперименты по созданию различных движений на основе МЖ, содержащей твердый намагничивающийся шар, который может быть выполнен из НЭ. Разработана методика создания вытянутых тел из намагничивающихся эластомеров и экспериментальные методики измерения физических свойств намагничивающихся эластомеров. 1. Экспериментально исследован подъем переменного объема магнитной жидкости, содержащей неподвижный намагничивающийся шар, в цилиндрическом сосуде, в переменном вертикальном однородном магнитном поле. При этом намагничивающийся шар может быть выполнен из наманичивающегося эластомера. Объем магнитной жидкости в сосуде может изменятся за счет притока жидкости из большого сосуда с магнитной жидкостью в котором уровень не изменяется, и который расположен вне магнитного поля. Для этого исследования создана экспериментальная установка по созданию переменных однородных магнитных полей и новые гидродинамические ячейки. Уровень магнитной жидкости поднимается при увеличении магнитного поля. Над магнитной жидкостью помещаем немагнитную несмешивающуюся жидкость меньшей плотности. В возрастающем магнитном поле деформация поверхности магнитной жидкости приводит к подъему уровня немагнитной жидкости, что можно использовать для создания перекачивающего устройства. Показана возможность управления движением в переменных однородных магнитных полях. Теоретически исследована осесимметричная задача статики переменного объема магнитной жидкости и находящейся сверху немагнитной жидкости в вертикальном магнитном поле с учетом силы тяжести, поверхностного натяжения, нелинейной зависимости намагниченности магнитной жидкости от магнитного поля, гистерезиса угла смачивания МЖ стенки сосуда в переменном магнитном поле. Написана программа численного расчета нелинейного дифференциального уравнения второго порядка, полученного при решении задачи, с использованием методов Рунге-Кутта и пристрелки, с учетом заданного угла смачивания на стенке сосуда и заданного объема немагнитной жидкости. Построены зависимости высоты подъема жидкостей от приложенного магнитного поля. Получено хорошее согласование теоретических и экспериментальных результатов. На основе этого исследования может быть создан новый тип перекачивающего устройства. 2. Теоретически решены две осесимметричные задачи определения статической формы поверхности магнитной жидкости в неоднородных магнитных полях в случае гидроневесомости. Исследована левитация шара из намагничивающегося эластомера, частично погруженного в магнитную жидкость, в немагнитной жидкости той же плотности на горизонтальной плоскости в вертикальном однородном приложенном магнитном поле. Получено аналитическое выражение для поверхностной магнитной силы, действующей на шар в безындукционном приближении, когда поверхностным натяжением можно пренебречь, магнитная проницаемость магнитной жидкости постоянна. Найдены зависимости высоты левитации шара от объема магнитной жидкости и приложенного магнитного поля. Показано, что при увеличении (уменьшении) приложенного магнитного поля, шар будет подниматься (опускаться). Это движение может быть использовано для создания магнитожидкостной перемычки. Проведено моделирование магнитожидкостной перемычки между двумя коническими поверхностями и внешним цилиндром н оси которых проходит линейный проводник с током. Показано, что наличие конусов позволяет перемычке выдерживать перепад давления. Возможен следующий циклический процесс: при увеличении давления магнитожидкостная перемычка разрушается и открывает зазор; давление выравнивается и перемычка восстанавливается. Такие магнитожидкостные перемычки в неоднородных магнитных полях могут быть использованы при создании клапанов, дозаторов и прерывателей. 3. Разработана экспериментальная методика создания вытянутых образцов из намагничивающегося эластомера. При создании эластомеров использованы двухкомпонентный силикон, силиконовое масло и различные намагничивающиеся частицы микро и нано размеров. Предложена методика экспериментального определения вязкоупругих свойств полученных НЭ в однородном магнитном поле. В эксперименте цилиндрический образец из НЭ подвешивался вдоль оси катушек Гельмгольца. Свободный нижний конец тела скреплялся с центром стержня, который закручивался на начальный угол. Далее производилась видеосъемка затухающих колебаний стержня с последующей раскадровкой и построением графика затухания колебаний. Построена математическая модель, являющаяся обобщением модели Кельвина-Фойгта и учитывающая остаточные деформации, возникающие в НЭ при наличии приложенного однородного магнитного поля. Из сравнения теории и эксперимента определены коэффициенты упругости и вязкости в этой модели. Показано, что эти параметры могут зависить от величины приложенного магнитного поля. Экспериментально и теоретически исследована деформация тонкого цилиндрического тела из намагничивающегося эластомера на силиконовой основе в приложенном неоднородном осесимметричном магнитном поле электромагнитной катушки. Теоретически и экспериментально обнаружена бистабильность деформации такого тела в некотором диапазоне токов в катушке.Явление удлинения тонкого цилиндрического тела из НЭ в неоднородном переменном магнитном поле может быть использован для создания прерывателя. 4. Экспериментально исследовано движение пружины и гантелевидного тела (два шара, соединенных упругой связью) из НЭ около горизонтального дна сосуда в переменном магнитном поле. Тела погружают в различные окружающие жидкости (воздух, вода, глицерин и их смести). В качестве переменного магнитного поля рассмотрено пульсирующее (включающееся и выключающееся) однородное магнитное поле направленное под острым углом к горизонтали. Длинная ось тела и направление магнитного поля лежат в одной вертикальной плоскости. При включении магнитного поля длинная ось тела стремится ориентироваться вдоль направления магнитного поля, при этом длина тела уменьшается (тело сжимается). При выключении магнитного поля тело падает (длинная ось становится горизонтально) и разжимается (возвращается к первоначальной длине). При этом центр тяжести тела смещается по горизонтали и вытянутое тело продвигается вдоль дна. Экспериментально измерялась скорость движения тела вдоль дна от частоты включения магнитного поля. Рассмотрены частоты до 3,5 Гц. Скорость движения вдоль дна увеличивается при возрастании частоты магнитного поля. Обнаружено, что направление движения зависит от окружающей жидкости. Например, в воде пружина и гантеля движутся в положительном направлении (направление вдоль дна, с которым магнитное поле образует острый угол), а в глицерине тела движутся в обратном направлении. Таким образом, показано, что движение вытянутого тела из НЭ в переменном наклонном магнитном поле может быть использовано для создания микро-робота или движителя.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".