Huge Magnetostriction of Magneto-rheological composite

Magnetostriction gigantesque de composite Magneto-rheologique

Gildas Diguet (1, 2)

1 MATEIS - Matériaux, ingénierie et science [Villeurbanne]
2 CRETA - Consortium de Recherches pour l'Emergence des Technologies Avancées

This thesis is aimed to measure and explain the elongation of M.R.E. placed in a homogenous magnetic field. M.R.E. is material consisting in ferromagnetic particles embedded in an elastic matrix. Combination of a silicone, with low elastic modulus (E0=0.14 MPa), and Iron particles, characterized by a high saturate magnetization (µ0Msat=2.14 T), allows large deformation (some percents) when placed in the applied field µ0H0=1.2 T. Coupling of the dipolar forces calculation between the particles, randomly distributed in a cylinder-shape volume, with strain calculus, using F.E.M. software, is a good agreement with a magnetostrictive experiment. Magnetized sample get a so-called “demagnetizing” energy bounded to it shape: “flatter” samples yields to a larger demagnetizing energy than longer ones. Composite magnetization has been investigated in this thesis through 2 parameters: the saturate magnetization and the effective demagnetizing coefficient. Experiments, carried on samples with different shapes, show the effect of the demagnetizing energy, flattest sample (with aspect ratio c/a =0.3) exhibits the largest strain of 10%. A model, based on the competition of the demagnetizing energy and elastic energy, during the strain, accounts for this shape effect. That model also deals with the filling factor impact on the strain. An optimal filling factor of 27% has been measured and predicted. Magnetostriction of composites with hard magnetic particles was investigated as function of the applied field. Due to the magnetization hysteresis loop of those particles, a “memory effect” was found in the magnetostriction. Finally, elastic modulus and particle magnetization are both temperature dependent. The temperature behavior of the magnetostriction is measured. By tuning these parameters, materials with different temperature behavior could be designed.

Le but de cette thèse est l'étude expérimentale et théorique de l'élongation de M.R.E. (Magneto Rheological Elastomer) placé dans un champ magnétique homogène. Ces matériaux sont constitués de particules ferromagnétiques distribuées au sein d'une matrice élastique. La combinaison d'une matrice de silicone de faible module de Young (E0=0,14 MPa) combinée à la forte aimantation des particules de fer (µ0Msat=2,14 T) permet d'atteindre des déformations de plusieurs pourcents, pour un champ appliqué µ0H0=1,2 T. Le calcul des forces dipolaires entre les particules, distribuées aléatoirement dans un volume de forme cylindrique, couplé à un calcul de déformation (utilisant un logiciel F.E.M.) est en accord avec la mesure de magnetostriction. Un échantillon aimanté acquiert une énergie magnétique dite « démagnétisante » liée à sa forme : un échantillon « plat » aura une énergie démagnétisante plus importante qu'un échantillon « long ». L'aimantation d'un composite a été étudié dans cette thèse via 2 paramètres : l'aimantation à saturation et le coefficient de champ démagnétisant effectif. La mesure de déformation faite sur des échantillons de différentes formes montre l'effet de cette énergie démagnétisante : l'échantillon le plus plat (de facteur de forme c/a=0.3) se déforme ainsi jusqu'à près de 10 %. Un modèle basé sur la compétition entre l'énergie démagnétisante et l'énergie élastique, pendant la déformation, donne des valeurs de déformation prenant en compte cet effet de forme. Ce modèle prend en compte aussi l'effet de la fraction volumique sur la déformation du composite. Une concentration optimale de 27 % a été mesurée et prédite. La magnetostriction de composites avec des particules magnétiques dures a aussi été mesurée en fonction du champ. L'effet de l'hystérésis de ces particules génère un "effet mémoire" à la courbe de magnetostriction. Enfin, le comportement thermique de la magnetostriction de ces composites a été mesuré. La constante élastique de la matrice et l'aimantation des particules sont des fonctions de la température. Le rôle de ces paramètres permet de concevoir des matériaux avec différentes propriétés thermiques.

Mots clés: dipolar interactions; elastomers; Demagnetizing field; Hard magnetic materials

Mots clés: interactions dipolaires; elastomeres; champ démagnetisant; elongation; temperature; materiaux magnetiques durs

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]

Gildas Diguet. Huge Magnetostriction of Magneto-rheological composite. Condensed Matter [cond-mat]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2010. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00488910⟩