Příprava a vlastnosti materiálů pro inteligentní

Ing. Tomáš Plachý

Doctoral thesis

Preparation and properties of materials for intelligent systems

Abstract:

Materiály schopné reagovat na vnější stimul, které se někdy nazývají jako inteligentní systémy, vzbuzují velký zájem díky svým unikátním a řiditelným vlastnostem. Jako vnější stimul slouží zejména pH, světlo, elektrické či magnetické pole. Inteligentní systémy, které mění své fyzikální vlastnosti v reakci na aplikování vnějšího elektrického či magnetického pole se nazývají inteligentní kapaliny. Nejdříve byly roku 1948 objeveny elektroreologické kapaliny, kdy Winslow pozoroval formování fibrilárních struktur elektricky polarizovaných částic v kapalném médiu [1]. Ve stejném roce Rabinow pozoroval obdobný fenomén s magnetickými částicemi, na jehož základě vynalezl magnetickou spojku [2], kde jako médium byla používána právě magnetoreologická suspenze. Od svého objevu jsou inteligentní kapaliny předmětem intenzivního výzkumu v mnoha výzkumných skupinách. V případě elektroreologických kapalin je možné kontrolovat jejich reologické parametry pomocí aplikování externího fyzikálního pole. Tato schopnost vychází z vytváření vnitřních řetízkovitých struktur v těchto kapalinách díky interakci mezi dipóly dispergovaných částic, čímž se kapaliny přestávají chovat jako newtonské, a začnou naopak vykazovat binghamské tokové vlastnosti. Tyto kapaliny tedy mohou přecházet mezi kapalným a "pseudopevným" stavem. Po odstranění vnějšího fyzikálního pole lze vnitřní vytvořené struktury lehce rozbít, což podmiňuje možnost řízení reologických parametrů celého systému. Takové chování je žádoucí v řadě průmyslových odvětví, zejména v hydraulice a robotice, kde jsou tyto kapaliny využívány jako tlumiče, regulátory vibrací nebo jako kapalné médium ve spojkách a ventilech. Elektroreologické kapaliny jsou většinou dvousložkové systémy sestávající z elektricky polarizovatelných částic dispergovaných v nevodivém kapalném médiu. Používané částice lze rozdělit do dvou základních skupin - organické a anorganické. V poslední době je pozornost upínána k částicím karbonizovaných materiálů. Materiály obsahující uhlík jsou vystaveny vysokým teplotám v inertní atmosféře, čímž jsou převedeny na částice s uhlíkovou strukturou obsahující heteroatomy (nejčastěji dusík). Tyto částice poté vykazují výhodné elektrické a dielektrické vlastnosti a jeví se proto jako vhodný materiál pro elektroreologické kapaliny. Jinými nedávno představenými materiály v oblasti elektroreologie jsou oligomery vodivých polymerů. Pomocí dopování, které určuje jejich vodivost, je možné připravit materiály s přesně požadovanými vlastnostmi pro elektroreologické kapaliny.

Abstract:

Stimulus-responsive materials, often referred as intelligent systems, are of high interest for their unique controllable properties. As an external stimulus mainly pH, UV light, electric or magnetic fields are involved. A branch of intelligent systems which change their physical properties upon an application of external electric or magnetic fields are called smart fluids. Firstly, the electrorheological fluids were discovered by Winslow [1], who observed the formation of fibrous structures formed from electrically polarizable particles within the liquid medium in 1948. In the same year, Rabinow has observed the same phenomenon with magnetic particles in the liquid medium, and invented the magnetic fluid clutch [2]. Since their discovery the smart fluids have been a matter of an intensive research in many research groups. In the case of electrorheological fluids, their rheological parameters can easily be controlled through an application of an external electric field. Such ability comes from a creation of internal chain-like structures within them due to dipole-dipole interactions of the dispersed particles leading to a change from nearly Newtonian to Bingham-like behaviour. Thus, the electrorheological fluids can undergo a transition from liquid-like to a solid-like state changing their viscosity significantly. After a removal of an external electric field, the internal structures can be easily destroyed, which causes suspension viscosity reduction again and thus allows external control of rheological parameters. Such behaviour is highly demanding in many industrial fields, such as hydraulics and robotics, where these fluids are used as dampers, vibration controllers, or a medium for various clutches and valves. Electrorheological fluids are generally two phase systems consisting of electrically polarizable particles dispersed in a non-conducting liquid carrier. The particles can be divided into two groups - organic and inorganic. Recently, attention has been concentrated on the carbonized materials. Materials containing carbon are exposed to high temperatures in an inert atmosphere, which leads to their transition to carbonaceous structure containing some heteroatoms (mostly nitrogen). Such particles exhibit considerable electric and dielectric properties and are therefore a promising material for the use in electrorheological fluids. Other recently introduced materials in electrorheology are oligomers of conducting polymers. Through doping process, which ensures their conductivity, it is possible to prepare particles with the demanding properties for electrorheological fluids.

Keywords

Elektroreologie, inteligentní systémy, elektroreologické kapaliny, elektroreologický efekt, dielektrická spektroskopie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 5. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 29. 6. 2016

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds