Forscher unter der Leitung von CEE-Professor Oscar Lopez-Pamies haben die maßgeblichen Gleichungen abgeleitet, die das makroskopische mechanische Verhalten von mit Flüssigkeitseinschlüssen gefüllten Elastomeren direkt anhand ihres mikroskopischen Verhaltens beschreiben und erklären. Die Arbeit wird in einem Artikel von Lopez-Pamies und Ph.D. beschrieben. Student Kamalendu Ghosh kürzlich in der veröffentlicht Zeitschrift für Mechanik und Physik von Festkörpern.
„Seit der Entdeckung in den frühen 1900er Jahren, dass die Zugabe von Carbon Black und Silica-Nanopartikeln zu Gummi zu einem Verbundmaterial mit drastisch verbesserten Eigenschaften führte, wurden kontinuierlich Anstrengungen unternommen, um zu verstehen, wann und wie die Zugabe von Füllstoffen zu Elastomeren zu Materialien mit neuartige mechanische und physikalische Eigenschaften“, schrieb Lopez-Pamies. „Der Fokus lag bisher fast ausschließlich auf festen Füllstoffeinschlüssen.“
Jüngste theoretische und experimentelle Ergebnisse haben gezeigt, dass anstelle der Zugabe von festen Einschlüssen zu Elastomeren die Zugabe von flüssigen Einschlüssen zu einer noch aufregenderen neuen Klasse von Materialien führen kann, die das Potenzial haben, eine Vielzahl neuer Technologien zu ermöglichen. Einige Beispiele sind mit ionischen Flüssigkeiten, flüssigen Metallen und Ferrofluiden gefüllte Elastomere, die einzigartige Kombinationen mechanischer und physikalischer Eigenschaften aufweisen.
„Der Grund für solche neuartigen Eigenschaften ist zweierlei“, schrieb Lopez-Pamies. „Einerseits erhöht die Zugabe von flüssigen Einschlüssen zu Elastomeren die Gesamtverformbarkeit. Dies steht im Gegensatz zur Zugabe von herkömmlichen Füllstoffen, die, da sie aus steifen Festkörpern bestehen, die Verformbarkeit verringern. Außerdem die Mechanik und Physik der Grenzflächen, die einen Festkörper trennen Elastomer aus eingebetteten Flüssigkeitseinschlüssen ist zwar vernachlässigbar, wenn die Einschlüsse groß sind, kann aber einen signifikanten und sogar dominanten Einfluss auf die makroskopische Reaktion des Materials haben, wenn die Partikel klein sind.
„Auffallenderweise belegen die Gleichungen, dass sich diese Materialien wie Festkörper verhalten, allerdings Festkörper mit einem makroskopischen Verhalten, das direkt von der Größe der Flüssigkeitseinschlüsse und dem Verhalten der Grenzflächen Elastomer/Flüssigkeit abhängt. Dies ermöglicht den Zugang zu einer unglaublich großen Bandbreite an faszinierenden Verhaltensweisen durch geeignete Abstimmung der Größe der Einschlüsse und der Chemie der Elastomer/Flüssigkeits-Grenzflächen.
Diese Arbeit wurde im Rahmen des Stipendiums von Lopez-Pamies aus dem NSF-Programm Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future (DMREF) durchgeführt. DMREF wiederum ist Teil der behördenübergreifenden Materials Genome Initiative, die darauf abzielt, den Weg für die Entdeckung, Herstellung und den Einsatz fortschrittlicher Materialien zu ebnen.
Kamalendu Ghosh et al, Mit flüssigen Einschlüssen gefüllte Elastomere: Theorie, numerische Umsetzung und einige grundlegende Ergebnisse, Zeitschrift für Mechanik und Physik von Festkörpern (2022). DOI: 10.1016/j.jmps.2022.104930
Bereitgestellt vom Grainger College of Engineering der University of Illinois