COMPOSITES REINFORCED IN THREE DIMENSION BY USING LOW MAGNETIC

FIELDS

The orientation and distribution of reinforcing particles in artificial composites are key to enable effective reinforcement of the material in mechanically loaded directions, but remain poor if compared to the distinctive architectures present in natural structural composites such as teeth, bone, and seashells. We show that micrometer-sized reinforcing particles coated with minimal concentrations of superparamagnetic nanoparticles (0.01 to 1 volume percent) can be controlled by using ultra low magnetic fields (1 to 10 milliteslas) to produce synthetic composites with tuned three-dimensional orientation and distribution of reinforcements. A variety of structures can be achieved with this simple method, leading to composites with tailored local reinforcement, wear resistance, and shape memory effects.

The widespread use and increasing relevance of composite materials are primarily due to their higher strength-to-weight ratio (specific strength) compared to metals, and higher toughness (flaw tolerance) compared to ceramics.Polymer-matrix composites are predominantly assembled with ceramic, metal, or polymeric one-dimensional (1D) reinforcement such as glass, steel, aramide (Kevlar), or carbon long fibers. These fibers are typically tens of micrometers in diameter and increase the strength and stiffness along the long axis of the reinforcement because of the transfer of stress across the reinforcement-polymer interfaces parallel with the load. (1) However, 1D reinforcement makes manufactured materials weak in the other two dimensions,which can be partially over come through laminating 1D layers at varied angles,

COMPOSITES ĐƯỢC GIA CỐ KHÔNG GIAN BẰNG TỪ TRƯỜNG YẾU

Định hướng và phân phối gia cố hạt trong vật liệu composite là chìa khóa để kích hoạt tính năng gia cố hiệu quả của vật liệu theo các hướng chịu sức nặng cơ học, nhưng vẫn còn nghèo nàn nếu so với các kiến trúc đặc biệt hiện diện trong composite cấu trúc tự nhiên như răng, xương, và vỏ sò. Chúng tôi thấy rằng các hạt cốt micromet được phủ các hạt nano siêu thuận với nồng độ tối thiểu (0,01-1 phần tram thể tích) có thể được kiểm soát bằng cách sử dụng từ trường cực yếu (1-10 milliteslas) để sản xuất vật liệu composite tổng hợp có điều chỉnh định hướng và phân phối không gian ba chiều của vật liệu cốt(vật liệu gia cố). Một loạt các cấu trúc có thể làm được với phương pháp đơn giản này, tạo ra composite với vật liệu gia cố có tính cục bộ, bền và khả năng nhớ hình .

Việc sử dụng rộng rãi và phù hợp ngày càng tăng của vật liệu composite chủ yếu là do khối lượng riêng cao hơn (tỷ trọng cao hơn) so với kim loại, và độ dẻo dai cao hơn (chịu rạn nứt) so với vật liệu gốm. Polymer-nền này chủ yếu được kết hợp với gốm, kim loại, hoặc vật liệu polyme gia cố 1 chiều (1D) như thủy tinh, thép, aramide (Kevlar), hoặc carbon sợi dài. Những sợi này thường có kích thước hàng chục micromet đường kính và tăng sức mạnh và độ cứng dọc theo trục dài của cốt(vật liệu gia cố) do chuyển ứng suất trên các bề mặt cốt-polymer song song với vật nặng. (1) Tuy nhiên, Cốt 1D làm vật liệu chế tạo yếu ở hai khía cạnh khác, có thể là một phần hơn đến thông qua các lớp 1D cán ở các góc độ khác nhau, dệt các sợi thành các mảng 2D, bằng cách sử dụng các hạt cốt 2D như tiểu cầu hoặc tổng hợp các cấu trúc phiến mỏng (1-9).

weaving fibers into 2D arrays, by using 2D reinforcement particles such as platelet or synthesizing lamellar structures (1–9).

Few 3D reinforcement solutions have been proposed to reinforce artificial composites, including the insertion of out-of-plane fibers by mechanical punching (10); the formation of special fiber arrays by using textile processes like weaving, braiding, stitching, and knitting(11); and the growth of aligned carbon nanotubes on the surface of the reinforcing woven fibers (12, 13). Three-dimensional reinforcement is also present in composites containing randomly oriented short fibers or platelets. However, these approaches either lead toa decrease in in-plane mechanical properties or do not allow for deliberate control over the distribution and 3D orientation of high concentrations of reinforcing nano- and microparticles. The lack of controlled reinforcement in the third dimension makes manufactured composites susceptible to impact damage (2, 14), wear (15), longitudinal micro buckling of fibers (16), delamination (2), and long-term fatigue (13, 17).

Structural biological composites tackle this problem by accurately controlling the orientation of anisotropic nano- and micro-sized building blocks so as to reinforce the material in specific directions to multidirectional external loads (18–20). Examples include the spiral twisting of mineralized collagen fibrils in bone (21); the out-of-plane oriented calcite prisms and in-plane oriented aragonite platelets in the outer and inner layers seashells,respectively(22);and the out -of-plane oriented hydroxy apatite prisms and in plane oriented mineralized collagen fibrils in tooth enamel and dentin,respectively(23).Capturing some of the design principles underlying the

Số giải pháp gia cố 3D đã được đề xuất để gia cố vật liệu tổng hợp nhân tạo, bao gồm cả việc làm các sợi lệch ra ngoài mặt phẳng (out – of – plane) như dập cơ khí (10); sự hình thành các mảng xơ đặc biệt bằng cách sử dụng quy trình dệt như dệt, bện, khâu, đan (11); và sự phát trển của nano carbon liên kết trên bề mặt của sợi cốt dệt (gia cố) (12, 13). Gia cố 3D cũng có mặt trong hợp chất có chứa sợi ngắn hoặc bột định hướng ngẫu nhiên. Tuy nhiên, các phương pháp này có thể giảm toa đầu trong tính chất cơ học trong mặt phẳng hoặc không cho phép điều khiển có chủ ý trong phân phối và định hướng 3D của vi cốt và vi hạt nồng độ cao. Sự thiếu kiểm soát trong chiều thứ ba làm cho vật liệu composite chế tạo dễ bị ảnh hưởng tổn thương (2, 14), mài mòn (15), dọc vi oằn của sợi (16), phân lớp (2), và sức chống chịu dài hạn (13, 17).

Vật liệu composite cấu trúc sinh học giải quyết vấn đề này bằng cách kiểm soát chính xác định hướng của vi mô dị hướng và xây dựng các khối kích cỡ cực nhỏ để củng cố vật liệu trong định hướng cụ thể để chịu sức nặng đa chiều bên ngoài (18-20). Ví dụ như xoắn ốc của các sợi collagen khoáng trong xương (21); định hướng lăng trục calcite hướng ra và định hướng tiểu cầu aragonite hướng vào trong lớp bên ngoài và bên trong vỏ sò một cách tương ứng (22); và định hướng lăng trụ apatit hydroxyl hướng ra và trong mặt phẳng định hướng sợi collagen khoáng ở men răng và ngà răng, tương ứng (23) .Nắm bắt một số nguyên tắc thiết kế cơ bản của kiến trúc tinh tế của vật liệu sinh học như vậy sẽ cho phép chúng ta vượt qua những hạn chế cơ học của composite nhân tạo hiện nay.

exquisite architecture of such biological materials would allow us to overcome many of the mechanical limitations of current artificial composites.

We propose a strategy to obtain micro structured artificial composites exhibiting 3D architectures and enhanced mechanical behavior.The approach relies on the application of external magnetic fields and field gradients to align and position anisotropic reinforcing micro particles within the composite matrix. As typical reinforcing particles are often diamagnetic, requiring extremely high magnetic fields for alignment (~1 T) (24), we first coat them with superparamagnetic nano particles to make them more responsive to magnetic fields. Though a similar method has been previously used (25) to align carbon nanotubes with fields in the range 0.2 to 1 T, we have discovered through experiments and theoretical energy models that using the right geometry of reinforcement particles leads to an ultra high magnetic response (UHMR). Indeed, the magnetic field required to align the reinforcement particles can be reduced to the value of 0.8 mT. This alignment field is only an order of magnitude above Earth’s natural magnetic field (~0.05mT)and is orders of magnitude below the magnetic field of rare-earth magnets (~200 mT), common so lenoids (~20 mT), and even standard refrigerator magnets (~10 mT).

To determine the optimum particle size that will show an UHMR effect,we theoretically predict the minimum magnetic field required for alignment, Hmin, for different sizes, aspect ratios, and geometries of reinforcing elements. The dependence of Hmin on the size of non magnetic platelets and rods coated with magnetic material can be estimated by

Chúng tôi đề ra một chiến lược để thu được composite được cấu trúc vi kiểu dạng 3D và nâng cao việc xử lý cơ học. Cách tiếp cận phụ thuộc tác dụng của từ trường bên ngoài và những trường gradient để sắp xếp và củng bố trí các vi hạt dị hướng trong nền composite. Khi các hạt độn điển hình thường nghịch từ, đòi hỏi từ trường rất cao cho sự liên kết (~ 1 T) (24), đầu tiên chúng tôi phủ chúng bằng các hạt nano siêu thuận để làm cho chúng phản ứng nhanh hơn với từ trường. Mặc dù là một phương pháp tương tự đã được sử dụng trước đây (25) để sắp xếp các ống nano carbon với các trường trong phạm vi 0,2-1 T, chúng tôi đã phát hiện thông qua các thí nghiệm và các mô hình năng lượng lý thuyết đó bằng cách sử dụng chuẩn hình học của các cốt hạt dẫn đến một phản ứng từ siêu cao ( UHMR). Thật vậy, từ trường phụ thuộc vào cách gắn kết các cốt hạt có thể được để giảm đến giá trị của 0,8 mT. Trường liên kết này chỉ là 1 trường hợp của các cường độ trên từ trường tự nhiên của Trái Đất (~ 0.05mT) và là trường hợp của các cường độ thấp hơn từ trường của nam châm đất hiếm (~ 200 mT), cuộc dây kim loại (~ 20 mT), và thậm chí cả tiêu chuẩn nam châm tủ lạnh (~ 10 mT).

Để xác định kích thước hạt tối ưu mà sẽ hiển thị một tác dụng UHMR, chúng tôi dự đoán lý thuyết từ trường tối thiểu cần thiết cho sự liên kết, Hmin, với nhiều kích thước khác nhau, tỷ lệ khía cạnh, và dạng hình học của các cốt chất. Sự phụ thuộc của Hmin vào kích thước của tiểu cầu phi từ tính và que bọc bằng vật liệu từ tính có thể được ước tính bằng cách tính toán sự khác biệt trong năng lượng từ trường (Um) và trọng trường (Ug) của hệ thống so với năng lượng nhiệt nội bộ (kBT, là hệ số Boltzmann, T là nhiệt độ) dùng cho sự sắp xếp ngẫu nhiên. Năng lượng từ Um được tính với một hình dạng vỏ elip cho thấy rằng một số lượng nhỏ của vật liệu từ tính chỉ nằm trong một lớp phủ ngoài

computing the difference in magnetic (Um) and gravitational (Ug) energies of the system as compared to the internal thermal energy (kBT, where is the Boltzmann factor and T is temperature) that serves to randomize alignment.The magnetic energy Um is calculated with an ellipsoidal shell model that reflects that the slight amount of magnetic material lies only in an outer layer coating the reinforcing element (SOM text). The magnetic energy is dependent upon the particle’s orientation with respect to the magnetic field, y, and is smallest when the long axis of the particle is parallel with the applied magnetic field(Ѱ =0°).Further,the gravitational energy of a particle resting on a horizontal surface is also dependent upon the orientation with respect to the surface, q, and is smallest when the particle’s long axis is parallel with the surface (q = 0°).

To estimate the minimum magnetic field required for alignment, we describe the system in terms of a canonical partition function Z, with the out-of-plane alignment as one of the possible energy states. We consider the case of out-of plane magnetic fields,for which Ѱ =90°–q.The effect of the particle characteristics on Hmin is investigated by computing the magnetic field strength that ensures that most UHMR particles in suspension exhibit a reasonably good alignment— i.e.,angles within the range 75° to 90°.The probability P75–90 that 90% of the UHMR particles are within this range can be determined by dividing the Boltzmann factor of this out-of-plane state by the partition function as follows:

của cốt chất(gia cố) (SOM text). Năng lượng từ tính là phụ thuộc vào sự định hướng của hạt đối với từ trường, Ѱ, và là nhỏ nhất khi trục dài của hạt là song song với từ trường đặt vào (Ѱ = 0 °) .Hơn nữa, năng lượng hấp dẫn của một hạt nghỉ ngơi trên một mặt phẳng nằm ngang cũng phụ thuộc vào sự định hướng đối với các bề mặt, q, và là nhỏ nhất khi trục dài của hạt là song song với bề mặt (q = 0 °).

Để ước tính từ trường tối thiểu cần thiết cho sự liên kết, chúng tôi biểu diễn hệ thống trong điều kiện của một phương trình phân chia chính tắc Z, với liên kết không đồng phẳng là một trong những trạng thái năng lượng có thể. Chúng tôi xem xét trường hợp từ trường cong hướng ra, mà Ѱ = 90 ° -q. Ảnh hưởng của các đặc điểm hạt trên Hmin được điều tra bằng cách tính toán cường độ từ trường mà đảm bảo rằng hầu hết các hạt UHMR trong thể vẩn cho thấy một sự sắp xếp hợp lý tốt - tức là, góc độ trong khoảng 75 ° đến 90 ° .Công suất P75-90 rằng 90% của các hạt UHMR đang trong phạm vi này có thể được xác định bằng cách chia hệ số Boltzmann của trạng thái mặt phẳng cong bằng phương trình như sau:

Ở đây, Z là tổng hợp của các hệ số Boltzmann của tất cả các trạng thái có thể định hướng của các hạt. Các phương trình được sử dụng để tính toán các nguồn năng lượng tiềm năng và Um Tất có sẵn trực tuyến (SOM text). Để đơn giản hóa việc phân tích và có được một xấp xỉ đầu tiên cho Hmin, chúng ta bỏ qua những ảnh hưởng của các định hướng và cô lập entropy cho năng lượng tự do của hệ thống (26). Việc đơn giản hóa này là một phần hợp lý trong đó

Here, Z is the sum of the Boltzmann factors of all possible states of orientation of the particles. The equations used to calculate the potential energies Um and Ug are available online (SOM text). To simplify the analysis and obtain a first approximation for Hmin, we neglect the contributions of orientational and packing entropy to the free energy of the system (26). This simplification is partly justified in that packing entropy is only relevant for particle concentrations higher than those used in most of our experiments (14.2 vol % platelets, SOM text).

Our model predictions indicate that the alignment of nonmagnetic platelets and rods of 5 and 10 mm in length, respectively, with modest surface coatings of iron oxide nanoparticles (~0.5 vol%)requires fields that are orders of magnitude lower than for particles with different geometries (Fig. 1, A and C). Thermal and gravitational energies dominate for particles smaller and larger than a few micrometers, respectively, which substantially increases the field required for alignment to verify the theoretical analysis, we apply magnetic fields to surface-magnetized platelets and rods with average size within the optimum range required for alignment. The magnetized surface coating is formed upon addition of the reinforcing particles to an aqueous suspension of 12-nm iron oxide nanoparticles with oppositely charged surface at a specific pH. Under these conditions, adsorption is driven through electrostatic interactions and is further enhanced by short-range van der Waals attraction, eventually becoming irreversible.We investigate both 7.5-mmlong, 200-nm-thick

việc cô lập entropy chỉ liên quan đến nồng độ hạt cao hơn so với những thứ từng sử dụng trong hầu hết các thí nghiệm của chúng tôi (14,2% thể tích tiểu cầu, SOM text).

Mô hình dự đoán của chúng tôi cho thấy sự liên kết của các tiểu cầu không có từ tính và những que dài khoảng 5 -10 mm, tương ứng, với lớp phủ bề mặt khiêm tốn của các hạt nano oxit sắt (~ 0,5% thể tích) đòi hỏi các trường thêm vào với lượng thấp hơn so với các hạt có dạng hình học khác nhau (Hình. 1, A và C). Năng lượng nhiệt và hấp dẫn tương ứng chiếm ưu thế đối với các hạt nhỏ hơn và lớn hơn một vài micromet, làm tăng đáng kể các trường cần thiết cho sự sắp xếp.

Để xác minh các phân tích lý thuyết, chúng tôi dùng từ trường để nhiễm từ tiểu cầu bề mặt và que với kích thước trung bình trong phạm vi tối ưu cần thiết cho sự liên kết. Các lớp phủ bề mặt từ hóa được hình thành từ sự bổ sung của các hạt cốt lơ lửng trong dung dịch nước của 12-nm hạt nano oxit sắt với bề mặt tích điện trái dấu ở một độ pH cụ thể. Dưới những điều kiện này,sự hấp thụ được điều khiển thông qua tương tác tĩnh điện và được gia cố bởi lực hút van der waals tức thời, cuối cùng trở thành không thuật nghịch. Chúng tôi kiểm tra các tiểu phân tử oxit nhôm dài 7.5 nm và dày 200-nm (Alusion, Antaria, Bentley, Australia) và calcium sulfate hemihydrate dài 10mm và dày 1mm để thấy rằng, bản âm và dương tương ứng nạp trong dung dịch ở pH = 7 (27). Để phủ cốt chất như vậy, chúng tôi thêm 1% thể thích hạt (tiểu cầu hoặc que) trong 0,0052% dung dịch thể vẩn, hạt nano oxit sắt lơ lửng đã được tích điện (anion EMG-705 hoặc cation EMG-605, Ferrotec, Đức) cho đến khi xảy ra hấp thụ hoàn toàn (Hình 1E.). Từ trường cần thiết để sắp xếp các tiểu cầu bề mặt nhiễm từ và que hợp với dự đoán lý thuyết (Fig. 1, B và D, and movie S1),

alumina platelets (Alusion, Antaria,Bentley,Australia)and10-mm-long,1-mm thick calcium sulfate hemihydrate rods that exhibit, respectively, positive and negative surface charge in water at pH = 7 (27). To coat such reinforcing elements, we add 1 vol% particles(platelets or rods) in aqueous suspensions of 0.0052vol % oppositely charged iron oxide nanoparticle suspensions (anionic EMG-705 or cationic EMG-605, Ferrotec, Germany) until complete adsorption occurs (Fig. 1E). The magnetic field required to align the surface-magnetized platelets and rods agrees very well with the theoretical estimates (Fig. 1, B and D, and movie S1), confirming that it is possible to orient reinforcing elements of a few micrometers in length by using very low magnetic fields. Changing the initial concentration of iron oxide nanoparticles in the suspension controls the magnetization of the reinforcing particles. We have found that the selection of anisotropic particles within the optimumsize range enables minimum use of the iron oxide nanoparticles, down to even a few hundred parts per million(0.01vol%) of magnetic particles with respect to the reinforcing element. Such a concentration of magnetic particles requires a field of 30mT(Fig.1F).

The magnetic field required to align the surface-magnetized platelets and rods agrees very well with the theoretical estimates (Fig. 1, B and D, and movie S1), confirming that it is possible to orient reinforcing elements of a few micrometers in length by using very low magnetic fields. Changing the initial concentration of iron oxide nanoparticles in the suspension controls the magnetization of the reinforcing particles. We have found that the selection of anisotropic particles with in the optimum size range enables minimum use of

xác thực rằng nó có thể định hướng chất cũng cố của một vài micromet chiều dài bằng cách sử dụng từ trường rất thấp. Thay đổi nồng độ ban đầu của các hạt nano oxit sắt trong trạng thái lơ lửng tring dung dịch điều khiển việc từ hóa của các hạt cốt. Chúng tôi đã tìm thấy rằng việc chọn hạt đẳng hướng trong phạm vi điều khiển tốt nhất cho phép sử dụng tối thiểu các hạt nano oxit sắt, xuống ngay cả một vài trăm phần triệu (0.01% thể tích) của các hạt từ tính liên quan đến các chất độn với. Đòi hỏi cần một từ trường 30mT (Fig.1F)

Từ trường cần thiết để liên kết các tiểu cầu nhiễm từ bề mặt và que tương đồng tốt với dự toán lý thuyết (Fig. 1, B và D, and movie S1), xác định được rằng có thể dùng từ trường yếu để định hướng các cốt chất dài khoảng vài micrometers. Thay đổi nồng độ ban đầu của các hạt nano oxit sắt trong điều chỉnh dung dịch vẩn từ hóa của các hạt cốt. Chúng tôi đã tìm thấy rằng việc lựa chọn hạt dị hướng với phạm vi kích thước tối ưu cho phép sử dụng tối thiểu các hạt nano oxit sắt, xuống đến ngay cả một vài trăm phần triệu (0.01 thể tích%) của các hạt từ tính liên quan đến các cốt chất. Nồng độ của các hạt từ tính như vậy đòi hỏi một trường có độ lớn 30mT (Fig.1F). Tác dụng của UHMR này được xét bằng sự giam hãm 2D của các hạt nano từ tính trên bề mặt của các hạt cốt. Trường phụ thuộc vào sự liên kết của các trường hợp giả định trong đó các hạt từ tính được phân bố đồng nhất thông qua ra toàn bộ thể tích của các chất cốt là lớn hơn 69% nếu các hạt nano từ tính là chỉ trên bề mặt (SOM text). Sự giam hãm các hạt nano từ tính để làm tăng phản ứng từ các phản ứng dị hướng trong thực tế cũng được vi khuẩn từ tính dùng để định hướng dọc theo từ trường của Trái Đất để tìm các vùng có nồng độ oxy thấp trong đại dương (28).

the iron oxide nanoparticles, down to even a few hundred parts per million(0.01vol%) of magnetic particles with respect to the reinforcing element. Such a concentration of magnetic particles requires a field of 30mT(Fig.1F). This UHMR effect is favored by the 2D confinement of magnetic nanoparticles on the surface of the reinforcing particles.The field required for alignment of the hypothetical case in which magnetic particles are homogeneously distributed through out the entire volume of the reinforcing element is 69% larger than if the magnetic nanoparticles are only on the surface (SOM text). The confinement of magnetic nanoparticles to increase the magnetic response of anisotropic objects is in fact also used by magnetotactic bacteria to align themselves along Earth’s magnetic field to find regions in the ocean with low oxygen concentrations (28).

The ultra high magnetic response of the coated anisotropic particles is of general interest in applications that require combined spatial and orientational control of suspended particles(29).We exploit this effect to orient reinforcing particles in a polymer matrix and thus obtain artificial composites exhibiting distinctive mechanical reinforcing and shape memory effects.

Reinforced composites with controlled orientation reinforcements are prepared by dispersing UHMR anisotropic particles in a fluid, aligning and positioning them with a magnetic field, and finally consolidating the fluid to fix the oriented structure. Consolidation may occur through solvent evaporation if the fluid is a polymer solution, through temperature-of light-induced reactions if the fluid is a monomeric solution, or by simply cooling a molten polymeric matrix. We find that

Phản ứng từng trường cực cao của những hạt dị hướng là chú trọng phổ biến trong ứng dụng mà yêu cầu phối hợp không gian và điệu khiển định hướng của những hạt lơ lửng. Chúng tôi khai thác tác dụng này để định hướn các hạt cốt trong nền polymer và do đó có được composite nhân tạo biểu hiện cơ tính gia cố đặc biệt và những tác dụng nhớ hình dạng.

Composites gia cố với các yếu tố gia cố được điều khiển định hướng đã được chuẩn bị bằng cách phân tán các hạt dị hướng tron chất lỏng, sắp xếp và định vị chúng với một từ trường, cuối cùng là hợp nhất chúng để sửa cấu trúc theo định hướng. Sự hợp nhất có thể thông qua sự bay hơi nếu dung dịch là 1 polymer hòa tan, thông qua nhiệt độ của phản ứng ánh sang nếu dung dịch là 1 monome hòa tan hoặc chỉ đơn giản là làm lạnh nền polymer nóng chảy. Chúng tôi thấy rằng độ nhớt cao hơn của một số polymer hòa tan và nhựa được dùng để chế tạo hỗn hợp làm chậm quá trình định hướng nhưng không thay đổi từ trường tối thiểu cần cho sự liên kết.

the higher viscosity of some of the polymer solutions and resins used for composite fabrication slows the orientation process but does not change the minimum magnetic field required for alignment.

Fig. 1. Ultra High magnetic response (UHMR) of surface-magnetized rods and platelets. The theoretical minimum alignment field,Hmin,is plotted for(A)platelets(aspect ratio,s=37)and(C)rods( s=30)with a surface coating of magnetic nanoparticles of 0.5 vol %. Specific gravity values of 3.98 and 2.5 g/cm3 were used in the calculations, consistent with the experimentally studied alumina platelets and calcium sulfate rods, respectively. Iron oxide–coated (B) alumina platelets and (D) calcium sulfate hemihydrate rods with optimum sizes exhibit an ultra high magnetic response, aligning with the extremely low magnetic fields predicted by the theory. (E) Example of 0.5 vol % (13% surface coverage) of iron oxide nanoparticles on an alumina platelet that leads

Fig.1. Phản ứng từ cực cao của que và tiểu cầu ở bề mặt nhiễm từ. Giả thiết trường liên kết nhỏ nhất,Hmin, được vẽ cho các tiểu cầu (A)(tỉ lệ ngoài, s= 37) và que (C)(s=30) với bề mặt phủ bởi các hạt nano nhiễm từ của 0.5% thể tích. Giá trị trọng lượng riêng 3,8 và 2,5g/cm3 được dùng để tính toán và phù hợp với tiểu cầu nhôm và que calcide sulfate được dùng trong thí nghiệm. (B) sắt oxide được phủ bằng tiểu cầu nhôm, (D)que calcium sulfate hemilhydrate với kích cỡ tối ưu biểu hiện trong một phản ứng từ cực cao, sự liên kết một cách chính xác với từ trường yếu được dự đoán trên lý thuyết.(E) Ví dụ 0.5% thể tích (13% diện tích bề mặt) của những hạt nano oxide sắt trên một tiểu cầu nhôm dẫn tới sự liên kết tại 1 mT phù hợp với lý thuyết.(F)

Thí dụ về việc chế tạo composite bằng ứng dụng tuyến tính, từ trường đồng nhất để giữ chất lỏng có chứa các tiểu cầu magnetite được bọc nhôm, chất đàn hồi polyurethane nhiệt dẻo (PU, Elastollan C 64 D 53, BASF), và

to alignment at 1 mT consistent with theory in (F).

Examples Of Composites Obtained by applying linear, uniform magnetic fields to fluid suspensions containing magnetite-coated alumina platelets, thermoplastic polyurethane elastomer (PU, Elastollan C 64 D 53, BASF), and polyvinylpyrrolidone(PVP,Sigma-Aldrich,molecular mass 360,000 g/mol) are shown in Fig. 2, A, B, F, and G. In these examples, 2.4 g of platelets, 2.2 g of polyurethane, and 0.75 g of polyvinylpyrrolidone were suspended or dissolved in 150 ml of dimethylformamide(DMF,Sigma-Aldrich),andthe end composites contained 60 vol % PU, 20 vol% PVP, and 20 vol % alumina. The orientation of the UHMR particles in the consolidated matrices directly reflects the direction of the magnetic field applied. Magnetic alignment and fixation of the UHMR platelets were also possible by using epoxy and acrylate-based resins as polymeric matrix.

Addition Homogeneously Reinforced Polymers, multilayer composites are easily obtained by laminating together layers of reinforced polymer with specific orientations (Fig. 2, C and H). The resulting composites exhibit an external layer with out-of-plane oriented platelets and an internal layer with in-plane oriented platelets. This should lead to a highly structured artificial composite displaying the unusual and often-desired combination of hardness and wear resistance in the outer layer and strength and toughness in the inner layer by using the same basic building blocks. Single-batch synthesis composites with this architecture can also be prepared simply by mixing reinforcing particles with different magnetic nanoparticle coverage during

polyvinylpyrrolidone (PVP, Sigma-Aldrich, khối lượng phân tử 360.000 g / mol) được thể hiện trong hình. 2, A, B, F và G. Trong các thí dụ này, 2,4 g của tiểu cầu, 2,2 g của polyurethane, và 0,75 g polyvinylpyrrolidone đã bị giữ hoặc hòa tan trong 150 ml dimethylformamide (DMF, Sigma-Aldrich). Và cuối cùng composite được tổng hợp chứa 60% vol PU, 20% vol PVP, và 20% nhôm oxit trong thể tích. Định hướng của các hạt UHMR trong nền đồng nhất phản ánh trực tiếp hướng của từ trường ngoài. Liên kết từ trường và định hình của các tiểu cầu UHMR cũng có thể nếu dùng epoxy và acrylate dựa vào dạng polymer nền.

Ngoài đồng nhất Reinforced Polymers, composit đa thể dễ dàng thu được bằng cách ép cùng lớp polymer gia cố bằng những định hướng cụ thể (Hình. 2, C và H). Composites sản phẩm cho thấy một lớp vỏ ngoài định hướng ra ngoài vỏ cầu và một lớp vỏ định hướng vào trong quả cầu. Điều này dẫn đến xuất hiện một hỗn hợp nhân tạo cấu trúc cao các kết hợp khác thường và thường mong muốn của độ cứng và chịu mài mòn ở lớp ngoài và sức mạnh và độ dẻo dai trong các lớp bên trong bằng cách sử dụng các khối xây dựng cơ bản giống nhau. Một bánh đơn composite tổng hợp với kiểu cấu trúc này có thể chuẩn bị đơn giản cho việc trộn hạt cốt với các hạt nano điện từ bao phủ suốt quá trình chế biến và áp dụng sự thống nhất của các từ trường. Để chứng minh điều này, chúng ta thêm vào mỗi tiểu cầu với 13% và 1% diện tích bề mặt của sắt oxit 20g polyurethane 4,025 g (RoPlasthan 2020R, resin-to-hardener weight ratio 3:1) và đổ hỗn hợp vào một khuôn polyethylene. Các mẫu sau đó đã phải chịu một lực ngang 80 mT trong 5 phút tiếp theo là một trường thẳng đứng 10 mT trong 10 phút. Các cấu trúc kết quả cho thấy các tiểu cầu trong cả hai cấu hình, tùy thuộc vào diện tích bề mặt của họ (Hình. 2, D và I). Hơn nữa, do nồng độ thấp

processing and then applying a combination of magnetic fields. To demonstrate this, we added 4.025 g each of platelets with 13% and 1% surface coverage of iron oxide to 20 g polyurethane (RoPlasthan 2020R, resin-to-hardener weight ratio 3:1) and poured the mixture into a polyethylene mold.The sample was then subjected to an 80-mT horizontal field for 5 min followed by a 10-mT vertical field for 10 min. The resulting structure shows platelets in both configurations, depending upon their surface coverage (Fig. 2, D and I). Further, because of the low concentration of iron oxide nanoparticles within the composite and the slight permeability of water through the polyurethane matrix, in this system it is even possible to completely remove magnetic iron oxide nanoparticles for applications that forbid even this slight magnetic content. This can be accomplished by submerging the consolidated material in a per meating phosphoric acid aqueous solution to completely dissolve the iron oxide nanoparticles without affecting the orientation of reinforcing particles (fig. S3) (27). Although the alignment of platelets by using linear, static magnetic fields allows for the preparation of composites with unusual structures and properties, the concentration of platelets aligned in the out-of-plane direction is limited to about 20 vol% due to steric hindrance effects resulting from the lack of orientational control over the second axis of platelets.This issue can be circumvented by using rotating, linear magnetic fields. A rotating field in the Y-Z plane will align the reinforcement platelets along this plane due to energy considerations, pinning two degrees of orientational freedom(Fig.2,EandJ).This alignment is contingent upon the frequency of the rotating field being high enough to prevent synchronous rolling of misaligned platelets.Through such biaxial alignment of the reinforcement platelets,

của các hạt nano oxit sắt trong hỗn hợp và tính thấm nhẹ nước thông qua nền polyurethane, hệ thống này còn có khả năng loại bỏ hoàn toàn các hạt nano oxit sắt từ tính cho các ứng dụng để cấm tác động nhẹ từ nó. Điều này có thể được thực hiện bằng cách nhấn chìm các vật liệu hợp nhất trong một mỗi axit photphoric meating dung dịch nước để hòa tan hoàn toàn các hạt nano oxit sắt mà không ảnh hưởng đến định hướng (fig. S3.) gia cố hạt (27). Mặc dù liên kết tiểu cầu bằng cách sử dụng tuyến tính, từ trường tĩnh cho phép cho việc chuẩn bị các vật liệu tổng hợp với cấu trúc và tính chất khác thường, nồng độ của các tiểu cầu sắp xếp theo hướng ra mặt phẳng được giới hạn trong khoảng 20 % thể tích do tác dụng trở ngại về không gian kết quả từ việc thiếu kiểm soát định hướng trên trục thứ hai của tiểu cầu. Những hạn chế này có thể phá vỡ được bằng cách sử dụng luân phiên từ trường tuyến tính. Một trường quay trong mặt phẳng YZ sẽ sắp xếp các tiểu cầu gia cố cùng mặt phẳng để (Hình 2, EandJ) cho năng lượng quan trọng , đóng hai chiều của định hướng tự do. Sự sắp xếp này phụ thược vào tần số góc đủ cao để ngăn chặn sự lăn đồng thời của những tiểu cầu mất sự sắp xếp. Thông qua sự sắp xếp trên hai trục của những hạt cốt,hoàn toàn có thể cân nhắc cao việc sắp xếp các tiểu cầu hướng ra ngài bề mặt, thậm chí là 50%.

it is possible to reach very high concentrations of out-of-plane aligned platelets,even 50 vol %.