УДК  53.097/538.956

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИИМИДА В КАЧЕСТВЕ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ЭЛЕКТРОРЕОЛОГИЧЕСКОЙ СУСПЕНЗИИ

 

INFLUENCE OF TEMPERATURE ON THE ELECTRORHEOLOGICAL EFFECT IN SUSPENSION OF POLYIMIDES

 

Семенов Н.А., Власов А.Н., Келбышева Е.С., Шафоростова М.С. (ФГБУН Институт прикладной механики РАН, г. Москва, РФ)

Semenov N.A., Vlasov A.N., Kelbysheva E.S., Shaforostova M.S. (FGBUN Institute of applied mechanics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia)

 

В работе представлены результаты реологических исследований суспензий частиц полиимидов в непроводящей среде полидиметилсилоксановой жидкости. Рассматривался полиимид, полученный сополимеризацией диангидрида 3,3,4,4-бензофенонтетракарбоновой кислоты и 4,4-оксидианилина.

In this paper has shown a result of rheological research of suspension of polyimides in a dielectric medium. Was described polyimide  which had been obtained by copolymerization of Benzophenone-3,3′,4,4′-tetracarboxylic dianhydride and 4,4′-Oxydianiline.

 

Ключевые слова: электрореологические среды, стабилизация, температурные эффекты

Key words: electrorheological environment, stabilization, temperature effects

 

Введение

Электрореологический (ЭР) эффект представляет собой резкое и обратимое изменение физико-механических, в частности реологических свойств дисперсий различных материалов в диэлектрической жидкости под действием приложенного внешнего электрического поля [1, 2]. Материалы, проявляющие такие свойства, называют электрореологическими жидкостями и относят к, так называемым, «умным материалам» [3, 4]. Поскольку, указанные трансформации происходят в течение миллисекунд и обратимы, а суспензия изменяет характер своего течения с ньютоновского до вязкопластического, то подобные материалы перспективны с практической точки зрения.  Материалы, проявляющие такие свойства, можно использовать для создания широкого ряда устройств, таких как устройства преобразования механической энергии в тепловую [5, 6],  трансмиссий и устройств плавной передачи крутящего момента [7, 8, 9, 10], механизмов контроля вибрации [11] и гидравлических клапанов[12].

 

Реологические исследования

Из полученных в результате синтеза частиц полиимида были приготовлены суспензии. В качестве дисперсионной среды была взята полиметилсилоксановая жидкость (ПМС-400) с плотностью 0,95 г/см3. Суспензии готовили весовым методом, с содержанием твердой фазы 10% по массе. Необходимые количества твердой фазы предварительно перед смешением тщательно растирали в агатовой ступке до получения однородной устойчивой смеси (до состояния «сахарной пудры»).

Полученные образцы исследовались на ротационном вискозиметре HAAKE Rheostress RS150 [13], с измерительным узлом цилиндр в цилиндре, в котором зазор между измерительными плоскостями составлял 1 мм. Электрическое поле создавалось с помощью программно-управляемого блока питания SRS PS-350, температура контролировалась жидкостным термостатом Thermo DC-50. Оптическая микроскопия проводилась с помощью микроскопа Альтами 5, где электрическое поле создавалась в плоском конденсаторе со стеклянной стенкой. В зазор между обкладками конденсатора помещался образец и подавался электрический ток с напряжением 2.5 кВ.

 

Результаты

Ниже приводятся результаты экспериментальных исследований. При приложении электрического напряжения к зазору с суспензией, частички полиимида выстраивались вдоль силовых линий, от катода к аноду, создавая своеобразную сетку, разрушение которой и приводят к возникновению электрореологического эффекта. Результаты исследования оптической микроскопии показаны на рис. 1.

 

DSC_2886    DSC_2888

Рисунок 1 - Микрофотографии суспензии полиимида:

без поля (слева) и в поле 2.5 кВ (справа).

 

Реологические измерения с плавно повышающейся скоростью деформации сдвига от 0,1 до 200 с-1 проводились при температуре 25оС. Результаты этих измерений приведены на рис. 2.

Shear rate, , c-1

 

 
 

Рисунок 2 - Зависимость касательных напряжений (Па) от скорости сдвига  (с-1) для 10% суспензии полиимида

 

Как видно из кривых течения, касательные напряжения возрастают с повышением напряженности электрического поля в зазоре.

Если проводить исследования с постоянной скоростью сдвига и плавно повышать напряженность электрического поля, а затем плавно понизить его до 0 кВ/мм, то механические свойства будут изменяться, образуя петлю гистерезиса, что наглядно демонстрирует рис. 3, на котором показано изменение касательных напряжений с ростом напряженности электрического поля, где скорость деформации сдвига = 30 с-1. Здесь при наложении электрического поля затрачивается энергия на создание линейных структур между катодами, а при его снятии − на их разрушение.

 

Рисунок 3 - Зависимость касательных напряжений от электрического поля, при постоянной скорости сдвига 30 с-1.

 

Из рис. 3 видно, что механические свойства обратимо изменяются в приложенном электрическом поле. Стоит отметить, что кривая разгрузки лежит выше кривой нагрузки. Это свидетельствует о том, что на разрушение полученных в поле структур нужно затратить существенно больше энергии, так как часть ее переходит в тепло.

 

Список использованных источников

1.  Block H., Kelly J.P., Qin A., Watson T. Materials and mechanisms in electrorheology // Langmuir. 1990. V. 6. P. 6-14.

2.  Hao T. Electrorheological fluids // Adv. Mater. 2001. V. 13. P. 1847-1852.

3.  Frank E. Filisko, Current Developments in Electrorheological Materials In: Mel Schwartz,  Smart Materials, 2008, pt 21, pp 1-6

4.  Sanjay Ramchandra Kumbhar, Subhasis Maji, Bimlesh Kumar Research on Smart Materials for Automotive Applications // Journal of Automobile Engineering and Applications, Vol 1, #1, 2014,

5.  Danilin A.N., Yanovsky Yu.G., Semenov N.A., Shalashilin A.D. Kinematic model of the rheological behavior of non-newtonian fluids in conditions of nonstationary cyclic loading // Composites: Mechanics, Computations, Applications: An International Journal. 2012 C V.3, №3 C pp.331-345

6.  Gavin H. P., Multi-Duct ER Dampers // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2001. V.12. P.353

7.  Bullough W. A., Johnson A. R., Hosseini-Sianaki A., Makin J., The Electro-Rheological Clutch: Design, Performance Characteristics and Operation // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering. 1993. V.207. P. 87.

8.  Chen S. M., Bullough W.A., CFD Study of the Flow in a Radial Electrorheological Fluid Clutch  // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2010. V.21. P.1569.

9.  Choi S.-B., Yook Ji-Y., Choi M.-K., Nguyen Q. H., Lee Y.-S., M.-S. Han, Speed Control of  DC Motor using Electrorheological Brake System // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2007. V.18. P. 1191

10.  Lou, Z., Winkler, C.B., Ervin, R.D., Filisko, F.E., Filisko, F.E., Venhovens,P.J.Th., Johnson,G.E., Electrorheology For Smart Automotive Suspensions //  Final Technical Report

11.  Krivenkov K., Ulrich S., Bruns R., Extending the operation range of electrorheological actuators for vibration control through novel designs  // Journal of Intelligent Material Systems and Structures. V.23(12). P.1323–1330

12.  Kamelreiter M., Kemmetmüller W., Kugi A. Digitally controlled electrorheological valves and their application in vehicle dampers // Mechatronics, Volume 22, Issue 5, August 2012, Pages 629–638

13.  Thermo Haake Rheostress user manual.

 

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда: код проекта № 14-19-01653.