Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка многофункциональных магнитоактивных эластомеров с высоким откликом на магнитное поле

Докладчик: Крамаренко Елена Юльевна

Должность: профессор, доцент, д.ф.-м.н.

Цель проекта:
1. Проект направлен на создание нового типа так называемые «умных» материалов “smart materials”. 2. Целью НИР является создание многофункционального магнитоактивного эластомера, способного проявлять значительный отклик на внешнее магнитное поле, демонстрируя магнитореологический эффект, магнитодеформационный эффект, магнитострикционный эффект, эффект памяти формы, а также магнитодиэлектрический и магнитоэлектрореологический эффекты. Проведение совместных научных исследований консорциумом научных коллективов в России и в университетах стран ЕС в рамках данного проекта позволит в короткий срок провести отработку технологии синтеза новых композиций МАЭ, исследование широкого круга свойств материала, а также изучение возможностей его практического применения.

Основные планируемые результаты проекта:
В результате проведенных исследований будут получены следующие результаты:

1. Аналитический обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и/или российских научных журналах, монографии и/или патенты – не менее 15 научно-информационных источников за период 2009–2014 гг. Патентные исследования по ГОСТ 15.011-96. Подробный анализ литературы позволит выявить наиболее перспективные типы МАЭ, способы контроля реологических и физико-механических характеристик МУЭ, изучения структуры МУЭ, а также новые пути практического применения МУЭ, в частности, в биомедицинских приложениях.

2. Лабораторная методика получения бездефектного МАЭ разного состава.

3. Экспериментальные образцы МАЭ на основе силиконовых матриц и аморфных сплавов железа: магнитомягкого (железо-неодим-бор) и магнитожесткого (железо-ниобий-кремний-бор). Акт получения образцов.

4. Визуализация структуры магнитного наполнителя внутри полимерной матрицы и ее изменение под действием внешнего магнитного поля и механического воздействия.

5. Зависимости магнитных свойств МАЭ от состава, величины внешнего магнитного поля, давления и температуры.

6. Зависимости диэлектрической проницаемости МАЭ от состава, величины внешнего магнитного поля, давления и температуры.

7. Временные зависимости модуля накопления и модуля потерь для МАЭ разного состава, в разных магнитных полях и для разных амплитуд деформации.

8. Модель поведения МАЭ в магнитном поле, учитывающая различные типы взаимодействий: между магнитными частицами, между магнитными частицами и матрицей, матрицы с окружающей средой. Сопоставление экспериментальных результатов с результатами численных экспериментов.

9. Разработка рекомендаций по перспективному практическому использованию МАЭ в различных устройствах.

Таким образом, в результате совместных исследований будет получен многофункциональный МАЭ, высоковосприимчивый к магнитному полю, всесторонне изучены его свойства, построена теоретическая модель его поведения и открыты новые пути его практического использования в различных областях техники. Использование опыта, разработанных методик исследований и новейшей научной аппаратуры российских и зарубежных партнёров позволит провести исследование на высочайшем мировом уровне. Результаты будут представлены в форме совместных публикаций и докладов на международных научных конференциях и выставках. Все стороны будут искать возможности для подачи совместных заявок на последующие проекты с промышленным участием. Нами ожидается, что такие возможности в области новых материалов появятся как в России, так и странах ЕС. Фундаментальная часть исследований будет опубликована совместно всеми участниками проекта.
Основной исполнитель проекта МГУ, а также соисполнитель ГНИИХТЭОС имеют патенты Российской Федерации по МАЭ; также патенты по этой тематике имеется и участников со стороны ЕС. В результате этого совместного проекта ожидается дальнейшее патентование разработок в области демпферов, манипуляторов и сенсоров.


Создаваемые материалы превышают по многим показателям мировые аналоги.

Уверенность коллектива исполнителей проекта в достижении высокого качества работ основана на инновационных методах и подходах к решению поставленных задач, а также на наличии существенного задела по теме проведения исследований. Наличие высококвалифицированного персонала, имеющего многолетний опыт реализации подобных работ, необходимого основного оборудования, а также большого задела в рассматриваемой области является залогом успешной работы по созданию нового типа недорогих многофункциональных МУЭ с высоким откликом на магнитное поле.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Ярко выраженный магнитореологический эффект МАЭ обусловливает интерес к применению данных материалов в тех отраслях, где требуются активные демпфирующие устройства нового типа, в первую очередь — в автомобильной промышленности, авиакосмической отрасли, судостроении и других отраслях, где возможно применение МАЭ в следующих конструкциях: травмобезопасная рулевая колонка, ударопоглощающий бампер, адаптивная подвеска автомобиля, подстраивающаяся под неровности дороги, шины с учетом применения в брекерах МАЭ или шины типа ран-флэт, где МАЭ будет играть роль утолщенной стенки, крашбоксы для авто с применением МАЭ и эластомеров - все это для автомобилей; кроме того демпфирующие элементы для гашения колебаний, например, в холодильных установках, виброопорах, шагающих роботах-манипуляторах и т.п.
Разрабатываемые материалы могут найти применение в создании магнитоуправляемых сенсоров и исполнительных узлов малого размера и матриц на их основе; микросхватов для роботов, предназначенных для манипулирования предметами субмиллиметровых размеров; магнитоуправляемых оптических компонентов (линз, поляризаторов, дифракционных решёток и т.д.).
Наиболее широкий рынок – рынок применения демпфирующих устройств – это миллиарды рублей – автомобильный, железнодорожный транспорт, бытовая техника и научное оборудование специального назначения, космическая техника. Производством автомобильных амортизаторов в России занимается примерно 15 предприятий, на международной арене работает около 50 основных производителей амортизаторов.
Еще одна область применения МАЭ - робототехника. Промышленные роботы являются важными компонентами автоматизированных гибких производственных систем (ГПС), которые позволяют увеличить производительность труда. В 2010 г. глобальный объем производства промышленных роботов выразился примерно в 60 тыс. штук (около $5 млрд)
МАЭ перспективны для разработки различного рода сенсоров. Рынок сенсоров и актуаторов всех технологий составляет в настоящее время 11,9 миллиарда долларов США. В соответствии с недавним прогнозом, производство микроэлектромеханических (MEMS) сенсоров и актуаторов (сенсоры со встроенным исполнительным механизмом, активные сенсоры) будет ежегодно прирастать, в среднем, на 27% годовых.
Учитывая высокую практическую перспективность данного направления исследования и значительную научную новизну данного направления, полученные результаты будут отличаться значительной новизной и будут запатентованы.
Международная кооперация в данном проекте позволит оперативно выйти на рынок промышленной продукции в первую очередь в странах Европы, а в дальнейшем и на мировой уровень.
Основной сферой применения МУЭ, разрабатываемых в рамках настоящего проекта, будет создание активных управляемых демпфирующих устройств, основывающихся на магнитореологическом эффекте, для применения на транспорте, а также в космической области. Наиболее массовое внедрение демпферов на основе МАЭ возможно в машиностроении, где общий спрос может составить тысячи тонн в год.
Наиболее быстро их можно внедрить для гашения локальных вибраций, например в стиральных машинах, и для обеспечения эффективной работы прецизионного научного оборудования. Созданием таких устройств совместно с нашей научной группой ведут специалисты МГТУ им Н.Э.Баумана. Внедрение эффективных демпферов на стиральных машинах предполагается провести совместно с фирмой Самсунг. Создание микродвижетелей в сфере робототехники занимаются специалисты из Технического университета Ильменау (Ilmenau University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering 98693 Ilmenau) Применение в биологии:
Наличие нескольких китайских патентов по демпфированию гребного вала на кораблях, можно будет предложить разработку в судостроении в ОАО «Объединенная судостроительная корпорация»
Доведение до потребителей результатов работ наиболее эффективно через адресную рассылку информации потенциальным потребителям посредством электронной почты, в виде информации на специализированном сайте и в результате представления результатов на многочисленных научных конференциях по данной тематике, где обычно присутствуют представители ведущих мировых фирм, с целью получения передовой информации о разработках и заключения предварительных контрактов на их внедрение.


Текущие результаты проекта:
1. Получены первые образцы МАЭ разного состава.
2. Измерены модуль накопления и модуль потерь образцов МАЭ на основе магнитожесткого наполнителя в зависимости от поля намагничивания.
3. Измерены временные зависимости нормальной силы и модулей МАЭ на основе магнитожесткого наполнителя.
4. Получены зависимости магнитной восприимчивости и диэлектрической проницаемости от величины магнитного поля.