MSSP: Разработана система для изучения динамики резиноподобных материалов

Резиноподобные материалы, широко используемые в демпферах, обладают уникальным свойством — динамической вязкоупругостью, позволяющей им преобразовывать механическую энергию колебаний в тепловую, проявляя при этом пружинистое и текучее поведение одновременно.

В зависимости от требований, предъявляемых к динамической вязкости, возможна индивидуализация этих материалов путем смешивания их с соединениями определенной молекулярной структуры.

Однако механизмы, лежащие в основе различных механических свойств этих материалов, остаются неясными. Основной причиной такого пробела в знаниях является отсутствие комплексной системы, позволяющей одновременно измерять механические свойства и наблюдать микроструктурную динамику этих материалов. Хотя рентгеновская компьютерная томография (КТ) в последнее время стала перспективной для неразрушающего контроля внутренней структуры материалов вплоть до наноразмеров, она не приспособлена для наблюдения в динамических условиях.

В этих условиях группа исследователей под руководством доцента (tenure-track) Масами Мацубара из Школы креативных наук и инженерии инженерного факультета Университета Васэда (Япония) разработала инновационную систему, позволяющую одновременно проводить динамический механический анализ и динамическую микрорентгеновскую компьютерную томографию. Результаты исследования были опубликованы в Интернете 19 октября 2023 г., а 15 декабря 2023 г. они будут опубликованы в томе 205 журнала Mechanical Systems and Signal Processing.

Интегрируя рентгеновскую компьютерную томографию, выполненную на крупной установке синхротронного излучения Spring-8 (BL20XU), и механический анализ в динамических условиях, мы можем прояснить взаимосвязь между внутренней структурой материала, его динамическим поведением и демпфирующими свойствами, — поясняет доктор Мацубара.

В основе этой новой системы лежит динамический микрорентгеновский томограф и специально разработанный компактный шейкер, способный точно регулировать амплитуду и частоту колебаний.

Команда использовала эту инновационную систему для изучения различий между стирол-бутадиеновым каучуком (SBR) и натуральным каучуком (NR), а также для исследования влияния формы и размера частиц ZnO на динамическое поведение композитов SBR.

Исследователи провели динамическую микрорентгеновскую компьютерную томографию этих материалов, вращая их во время съемки и одновременно подвергая вибрации от шейкера. Затем были построены гистограммы амплитуд локальных деформаций с использованием локальных деформаций, извлеченных из трехмерных реконструированных изображений внутренних структур материалов. Эти гистограммы в сочетании с коэффициентом потерь материалов, являющимся мерой внутреннего демпфирования материала, были проанализированы для понимания их динамического поведения.

При сравнении материалов SBR и NR, имеющих существенно разные коэффициенты потерь, специалисты не обнаружили заметных различий между гистограммами амплитуд локальных деформаций. Однако в присутствии композитных частиц, таких как ZnO, гистограммы имели более широкое распределение деформаций. Это говорит о том, что деформация в таких материалах неоднородна и зависит от формы и размера частиц, что может маскировать любые изменения, вызванные добавлением частиц.

Данная технология позволяет изучать микроструктуру резины и резиноподобных материалов в динамических условиях и может привести к разработке топливосберегающих резиновых шин или перчаток, которые не разрушаются. Кроме того, эта технология может позволить проводить динамическую рентгеновскую компьютерную томографию живых органов, которые многократно деформируются, например, сердца, и даже открыть путь к созданию искусственных органов, — говорит доктор Мацубара, подчеркивая важность данного исследования.

В целом эта прорывная технология способна расширить представление о микроструктуре вязкоупругих материалов и, возможно, открыть двери для разработки новых материалов с улучшенными свойствами.

09.11.2023