DE102004034723A1

DE102004034723A1 - Magnetostriktives Element und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102004034723A1
Application number: DE102004034723A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Phys. Dr. Heinrich; Peter Dr.-Ing. Ryzko
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2004-07-17
Filing date: 2004-07-17
Publication date: 2006-02-09
Also published as: EP1769543B1; JP2008507142A; BRPI0513450A; WO2006007882A1; EP1769543A1; JP4842941B2; US8502635B2; US20070241849A1

Abstract

Beschrieben wird ein magnetostriktives Element, umfassend a) mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und, b) mindestens ein Formteil aus porösem Polymer, enthaltend ferromagnetische Teilchen. DOLLAR A Das magnetostriktive Element zeichnet sich durch einen ausgeprägten magnetostriktiven Effekt aus.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft magnetostriktive Elemente sowie deren Verwendung

Magnetostriktive Materialien sind an sich bekannt. Darunter versteht man Materialien, deren Dimensionen sich in Gegenwart eines magnetischen Feldes ändern oder die bei Änderungen ihrer Dimensionen magnetische Felder erzeugen.

Der magnetostriktive Effekt entspricht dem piezoelektrischen Effekt, welcher Dimensionsänderungen des Materials durch Anwesenheit eines elektrischen Feldes zur Folge hat. Beim piezoelektrischen Effekt müssen in der Regel sehr hohe elektrische Feldstärken bzw. sehr hohe Spannungen im Bereich von einigen Kilovolt eingesetzt werden, um nennenswerte Dimensionsänderungen zu erreichen. Im Gegensatz dazu sind magnetostriktive Materialien bekannt, bei denen vergleichs-weise geringe Spannungen eingesetzt werden müssen, um die gewünschten Dimensionsänderungen zu erzielen. Ein solches Material ist unter der Bezeichung Terfenol-D bekannt; dabei handelt es sich um eine Legierung aus Eisen, Terbium und Dysprosium.

Magnetostriktive Materialien sind beispielsweise in den Dokumenten EP-A-361,969, WO-A-00/33,324, US-A-6,273,965 und US-A-5,223,046 beschrieben.

Es sind auch bereits magnetostriktive Elastomermaterialien bekannt (vergl. Midé Technology Corporation, Magnetostrictive Elastomers, www.mide.com). Einzelheiten über deren Aufbau sind dem Dokument nicht zu entnehmen.

Ferner sind Elastomerschäume bekannt, die magnetische Teilchen enthalten.

JP-A-2002/278,425 offenbart ein geschäumtes Polymermaterial, das magnetische Pulver enthält. Dieses wird zur Abdichtung von Fotokopiergeräten eingesetzt, um den Austritt von Toner zu verhindern. Mögliche Polymere sind Elastomere, wie Ethylen-Propylen-Elastomere.

JP-A-03/122,139 offenbart magnetisierte Kautschukmassen zur Herstellung von vernetzten Schäumen. Diese werden zur Schallisolierung sowie zur Schwingungsdämpfung eingesetzt.

JP-A-58/533,928 offenbart flexible, zelluläre Elastomere enthaltend Metallpulver. Diese werden zur Abschirmung von Strahlung eingesetzt.

Keines dieser Dokumente offenbart den Einsatz von Elastomerschäumen unter Ausnutzung des magnetostriktiven Effekts, beispielsweise deren Einsatz als Aktuatoren, adaptive Dämpfer oder als Sensoren für Dimensionsänderungen von Materialien.

Es wurde jetzt gefunden, daß poröse Polymere enthaltend ferromagnetische Teilchen einen im Vergleich zu den entsprechenden kompakten Polymermaterialien deutlich verstärkten magnetostriktiven Effekt aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von gefüllten porösen Polymeren, die einen ausgeprägten magnetostriktiven Effekt aufweisen.

Eine weitere Aufgabe bestand in der Bereitstellung eines Verfahrens zum gezielten Bewegen von Gegenständen oder zur Schwingungsdämpfung von Gegenständen oder zum Feststellen der Dimensionsänderungen von Gegenständen, das sich durch eine hohe Sensitivität auszeichnet, das einfach durchzuführen ist und das reproduzierbare Ergebnisse liefert.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetostriktives Element umfassend

a) mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und,
b) mindestens ein Formteil aus porösem Polymer enthaltend ferromagnetische Teilchen.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Vorrichtung a) kann beliebiger Natur sein, solange damit ein magnetisches Feld erzeugt werden kann. Typischerweise handelt es sich dabei um einen elektrischen Leiter, vorzugsweise einen metallischen Leiter, der sich in der Nähe des Formteils b) befindet, so daß das durch Vorrichtung a) erzeugte Magnetfeld auf Formteil b) einwirken kann oder umgekehrt, daß ein durch Formteil b) erzeugtes Magnetfeld auf Vorrichtung a) einwirken kann.

Bei dem Magnetfeld kann es sich um ein konstantes Magnetfeld handeln oder vorzugsweise um ein zeitlich sich änderndes Magnetfeld.

Vorzugsweise ist Vorrichtung a) in Form einer Spule ausgestaltet, die sich in der Nähe von Formteil b) befindet, besonders bevorzugt um Formteil b), das insbesondere die Form eines Zylinders aufweist, gewickelt ist.

Formteil b) kann beliebige Gestalt aufweisen und dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßt sein.

Bevorzugt weist Formteil b) die Form eines Zylinders auf.

Zur Herstellung von Formkörpern aus porösen Polymeren können grundsätzlich alle Polymere eingesetzt werden. Dabei handelt es sich typischerweise um thermoplastische oder um vernetzte bzw. teilvernetzte Polymere einschließlich der Elastomeren.

Diese Formkörper enthalten mit Fluiden, also mit Gas und/oder Flüssigkeit gefüllte Poren. Die Größe der Poren kann in weiten Bereichen schwanken. Typische Porengrößen bewegen sich im Bereich von 10 μm bis 3 mm. Die Poren können beliebige Gestalt aufweisen. Die Formkörper können geschlossene Poren und/oder offene Poren aufweisen. Das Porenvolumen des Formkörpers beträgt typischerweise mindestens 5 Volumen %.

Besonders bevorzugt werden Formkörper aus Elastomerschäumen einschließlich der Schäume aus thermoplastischen Elastomeren eingesetzt.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Formkörper aus porösen Polymeren sind unter dem Einfluss von Druck in ihrem Volumen veränderbar im Gegensatz zu Formkörpern aus kompakten Polymeren.

Die erfindungsgemäß eingesetzten porösen Polymere können sich von beliebigen Thermoplasten ableiten. Beispiele für Thermoplaste sind synthetische Polymere, wie thermoplastische Polyurethane, Polysulfone, Polyether, Polyketone und Polyetherketone, Polyamide, Polyester, Poly(arylenoxide), Poly-(arylensulfide), Polyetherimide, Polyacetale, Vinyl Polymere, Polyacrylate und Polyolefine.

Besonders bevorzugt werden Elastomerschäume eingesetzt. Darunter sind im Rahmen dieser Beschreibung geschäumte Kunststoffe zu verstehen, die gummielastisches Verhalten aufweisen. Dabei handelt es sich also um weitmaschig chemisch oder physikalisch vernetzte Polymere, die sich unter ihrem Glaspunkt stahlelastisch verhalten und die bei Temperaturen oberhalb ihres Glaspunktes gummielastisch sind, die also auch bei hohen Temperaturen nicht viskos fließen. Glastemperaturen von bevorzugt eingesetzten Elastomeren liegen bei 20°C und darunter. Bevorzugt verhalten sich die erfindungsgemäß eingesetzten Elastomer-schäume bis zu ihrer Schmelz- oder Zersetzungstemperatur gummielastisch.

Typische und gleichzeitig bevorzugt eingesetze Kautschuke sind Acrylat-Kautschuk, Polyester-Urethan-Kautschuk, bromierter Butyl-Kautschuk, Polybutadien, chlorierter Butyl-Kautschuk, chloriertes Polyethylen, Epichlorhydrin-Homopolymer, Polychloropren, sulfuriertes Polyethylen, Ethylen-Acrylat-Kautschuk, Ethylen-Vinylactetat-Kautschuk, Epichlorhydrin-Copolymere, Ethylen-Propylen-Copolymere (EP(D)M), schwefelvernetzt oder peroxidvernetzt, Polyether-Urethan-Kautschuk, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, Fluor-Kautschuk, Silikonkautschuke, wie Fluorsilikon-Kautschuk (FVMQ) oder vinyl-haltiges Dimethylpolysiloxan, sowie hydrierter Nitril-Kautschuk, Butyl-Kautschuk, Halobutyl-Kautschuk, Polyoctenamer, Polypentenamer, Nitril-Kautschuk, Naturkautschuk, Thioplaste, Polyfluorphospha-zene, Polynorbornen, Styrol-Butadien-Kautschuk, carboxygruppen-haltiger Nitril-Kautschuk oder Gemische aus einem oder mehreren dieser Kautschuke.

Weitere bevorzugt eingesetzte Ausgangsstoffe zur Herstellung der erfindungsgemäß eingesetzten porösen Polymere sind thermoplastische Elastomere, wie thermoplastische Polyester (TPE-E), thermoplastische Polyamide (TPE-A), unvernetzte thermoplastische Polyolefine (TPE-O), teilvernetzte thermoplastische Polyolefine (TPE-V), thermoplastische Styrolpolymere (TPE-S) und insbesondere thermoplastische Polyurethane (TPE-U).

Die porösen Polymere können beliebige Zelltypen und Zellgrößen aufweisen. Es können offenzellige oder geschlossenzellige Schäume eingesetzt werden, also Schäume, bei denen zumindest ein Teil der einzelnen Poren miteinander in Kontakt steht oder bei denen alle Poren voneinander isoliert in der Polymermatrix vorliegen. Typische Porengrößen bewegen sich im Bereich von 10 μm bis 3 mm.

Die erfindungsgemäß eingesetzten porösen Polymere können durch chemische und/oder physikalische Schaumbildungsverfahren in an sich bekannter Weise hergestellt werden.

Zur Herstellung der Formkörper aus porösen Polymeren können Polymere, insbesondere Kautschuke oder thermoplastische Elastomere in unterschiedlichen Ausprägungen eingesetzt werden, beispielsweise als Granulat oder in anderer zerkleinerter Form. Diese werden üblicherweise zusammen mit Treibmitteln, ferromagnetischen Materialien und gegebenenfalls weiteren Zusatzstoffen, wie Vernetzern, Vernetzungshilfsmitteln sowie anderen an sich üblichen Zusätzen, wie Weichmachern, Füllstoffen, Formtrennmitteln und/oder Pigmenten, miteinander vermischt und durch Erhitzen aufgeschäumt.

Die Verarbeitung kann in beliebigen Aggregaten erfolgen. Beispiele dafür sind Kneter, Walzwerke oder Extruder. Die Verarbeitung kann trocken oder naß erfolgen.

Das Aufschäumen kann bereits in den Mischaggregaten erfolgen oder in einem nachgeschalteten Schritt, beispielsweise durch Erhitzen eines Walzfelles in einer beheizbaren Presse unter gleichzeitigem Reduzieren des Pressdruckes oder in einer Spritzgussvorrichtung.

Elastomerschäume werden üblicherweise unter Verwendung von Vernetzungsmitteln verarbeitet. Dafür können alle gängigen Typen eingesetzt werden.

Typische und gleichzeitig bevorzugte Vernetzungsmittel sind Schwefel, Fettsäuren, wie Laurinsäure oder Stearinsäure, vernetzende Harze, wie Polymethylolphenol-harze, oder Verbindungen, die auch als Vernetzungsbeschleuniger wirken. Dazu zählen beispielsweise Thiurame, Guanidine, Thiazole, Xanthogenate, Dithiocarbamate, Thiazysulfenamide, Dithiophosphate, Peroxide, Bisphenol-Triazinbeschleuniger oder Chinondioxime.

Als Vernetzungshilfsmittel können alle gängigen Typen eingesetzt werden. Bevorzugt werden Metalloxide, insbesondere Magnesium- oder Zinkoxid.

Als ferromagnetische Materialien können alle Materialien verwendet werden, die einen ferromagnetischen Effekt besitzen. Vorzugsweise handelt es sich dabei um ferromagnetische Materialien, die außerdem noch einen magnetostriktiven Effekt aufweisen, bei denen sich also unter Einfluss eines Magnetfeldes mindestens eine Dimension verändert.

Die erfindungsgemäß eingesetzten ferromagnetischen Materialien können vom hartmagnetischen oder vorzugsweise vom weichmagnetischen Typ sein, also nach dem Abschalten des Magnetfeldes zumindest eine Restmagnetisierung behalten oder vorzugsweise die Magnetisierung verlieren.

Die ferromagnetischen Materialien werden in feinteiliger Form dem porösen Polymer zugesetzt. Der Anteil der ferromagnetischen Teilchen im Formkörper b) beträgt typischerweise 10 bis 70 Vol. %, bezogen auf das Volumen des Formkörpers. Die Teilchen können beliebige Gestalt aufweisen, beispielsweise rund, ellipsoid, irregulär oder in Form von Fasern. Der mittlere Durchmesser dieser Teilchen (D₅₀ Wert) kann in weiten Bereichen schwanken. Typische Teilchendurchmesser bewegen sich im Bereich von 0,1 μm bis 1 mm, bevorzugt im Bereich von 10 bis 300 μm.

Neben dem Einsatz korpuskularer oder faserförmiger Teilchen können auch Konglomerate solcher Teilchen Verwendung finden. Die Konglomerate können unterschiedliche Gestalt annehmen. Dabei kann es sich um netzartige Strukturen, z.B. um Perkolationsnetzwerke aus Fasern handeln.

Bevorzugt eingesetzte ferromagnetische Materialien enthalten Cobalt und/oder Nickel und/oder insbesondere Eisen.

Besonders bevorzugt wird Cobalt-, Nickel- oder insbesondere Eisenpulver verwendet.

Bei den ebenfalls bevorzugt eingesetzten ferromagnetischen und magnetostriktiven Materialien handelt es sich beispielsweise um Metallgemische oder Metall-legierungen, die aus den EP-A-361,969, WO-A-00/33,324, US-A-6,273,965 und US-A-5,223,046 bekannt sind.

Bevorzugt eingesetzte ferromagnetische Materialien enthalten Eisen und/oder Cobalt und/oder Nickel sowie Mangan, Kupfer, Seltenerdmetalle oder Kombinationen von einem oder mehreren dieser Metalle.

Besonders bevorzugt eingesetzte magnetostriktive Materialien sind ferromagnetische Legierungen und enthalten Eisen und Seltenerdmetalle, insbesondere ferromagnetische Legierungen, die Terbium, Dysprosium und Eisen enthalten.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen eines Gegenstandes umfassend die Maßnahmen:

i) Ermitteln des Schwingungsspektrums des Gegenstandes durch mindestens einen Sensor,
ii) Erzeugen eines zeitlich sich ändernden magnetischen Feldes, dessen zeitlicher Verlauf geeignet ist zumindest einen Teil des Schwingungs-spektrums des Gegenstandes durch Interferenz zu kompensieren,
iii) Einwirken des magnetischen Feldes auf mindestens ein oben definiertes Formteil b) und Erzeugen einer zeitlichen Änderung der Dimensionen dieses Formteils, und
iv) Einwirken des Formteils b) auf den Gegenstand, so daß dadurch dessen Schwingungen wenigstens teilweise kompensiert werden.

Neben diesem Verfahren zur aktiven Schwingungsdämpfung betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur passiven Schwingungsdämpfung.

Dabei handelt es sich um ein Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen eines Gegenstandes umfassend die Maßnahmen:

v) Erzeugen eines magnetischen Feldes vorbestimmter Größe in einer oben definierten Vorrichtung a), das
vi) auf mindestens ein oben definiertes Formteil b) einwirkt und dadurch die Dämpfungseigenschaften dieses Formteils in vorbestimmter Weise beeinflusst.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren betrifft die Ermittlung der Änderung der Dimensionen eines Gegenstandes. Dieses umfaßt die Maßnahmen:

vii) Einwirken des Gegenstands auf ein oben definiertes Formteil b), so daß sich bei Änderungen der Dimension des Gegenstands mindestens eine Dimension des Formteils b) verändert, und
viii) Ermitteln der Stärke des durch die Dimensionsänderung des Formteils b) erzeugten Magnetfeldes durch Induktion eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter, der sich in der Nähe des Formteils b) befindet.

Noch ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren betrifft die gezielten Veränderung der Position eines Gegenstandes. Dieses umfaßt die Maßnahmen:

ix) Erzeugen eines magnetischen Feldes vorbestimmter Größe in einer der oben definierten Vorrichtung a), das
x) auf mindestens ein oben definiertes Formteil b) einwirkt und dadurch die Dimensionen des Formteils in vorbestimmter Weise beeinflußt, und
xi) Einwirken des Formteils b) auf den Gegenstand, so daß dieser dadurch in vorbestimmter Weise bewegt wird.

Die Erfindung betrifft auch die Verwendung von porösen Polymeren enthaltend ferromagnetische Teilchen als Aktuator, sowie die Verwendung von porösen Polymeren enthaltend ferromagnetische Teilchen als Dämpfungselement für Schwingungen, sowie die Verwendung von porösen Polymeren enthaltend ferromagnetische Teilchen als Sensor für mechanische Änderungen von Gegenständen, insbesondere als Schwingungssensor.

Claims

Magnetostriktives Element umfassend a) mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und, b) mindestens ein Formteil aus porösem Polymer enthaltend ferromagnetische Teilchen.
Magnetostriktives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil aus porösem Polymer in Form eines Zylinders ausgestaltet ist, um das die Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in Form einer Spule aus elektrisch leitfähigem Material gewickelt ist.
Magnetostriktives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Polymer ein Elastomerschaum ist.
Magnetostriktives Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomerschaum sich ableitet von Acrylat-Kautschuk, Polyester-Urethan-Kautschuk, bromiertem Butyl-Kautschuk, Polybutadien, chloriertem Butyl-Kautschuk, chloriertem Polyethylen, Epichlorhydrin-Homopolymer, Polychloropren, sulfuriertem Polyethylen, Ethylen-Acrylat-Kautschuk, Ethylen-Vinylactetat-Kautschuk, Epichlorhydrin-Copolymeren, Ethylen-Propylen-Copolymeren (EP(D)M), schwefelvernetzt oder peroxidvernetzt, Polyether-Urethan-Kautschuk, Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, Fluor-Kautschuk (FKM), Silikonkautschuken, insbesondere Fluorsilikon-Kautschuken, vinyl-haltigem Dimethylpolysiloxan, sowie hydriertem Nitril-Kautschuk, Butyl-Kautschuk, Halobutyl-Kautschuk, Polyoctenamer, Polypentenamer, Nitril-Kautschuk, Naturkautschuk, Thioplasten, Polyfluorphosphazenen, Polynorbornenen, Styrol-Butadien-Kautschuken, carboxygruppen-haltigen Nitril-Kautschuken oder Gemischen aus einem oder mehreren dieser Kautschuke.
Magnetostriktives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Polymer sich ableitet von thermoplastischen Elastomeren, vorzugsweise von thermoplastischen Polyestern (TPE-E), thermoplastischen Polyamiden (TPE-A), unvernetzten thermoplastischen Polyolefinen (TPE-O), teilvernetzten thermoplastischen Polyolefinen (TPE-V), thermoplastischen Styrolpolymeren (TPE-S) und insbesondere von thermoplastischen Polyurethanen (TPE-U).
Magnetostriktives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Teilchen Eisen, Cobalt und/oder Nickel enthalten, und insbesondere ein weichmagnetisches Material sind.
Magnetostriktives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Teilchen Cobalt-, Nickel- oder insbesondere Eisenpulver sind.
Magnetostriktives Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material neben Eisen und/oder Cobalt und/oder Nickel zusätzlich Mangan, Kupfer, Seltenerdmetalle oder Kombinationen von einem oder mehreren dieser Metalle enthält.
Magnetostriktives Element nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material Legierungen enthaltend Eisen und Seltenerdmetalle, insbesondere Legierungen enthaltend Terbium, Dysprosium und Eisen, aufweist.
Magnetostriktives Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Teilchen einen mittleren Durchmesser (D₅₀) von 0,1 μm bis 1 mm besitzen.
Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen eines Gegenstandes umfassend die Maßnahmen: i) Ermitteln des Schwingungsspektrums des Gegenstandes durch mindestens einen Sensor, ii) Erzeugen eines zeitlich sich ändernden magnetischen Feldes, dessen zeitlicher Verlauf geeignet ist, zumindest einen Teil des Schwingungsspektrums des Gegenstandes durch Interferenz zu kompensieren, iii) Einwirken des magnetischen Feldes auf mindestens ein Formteil b) nach Anspruch 1 und Erzeugen einer zeitlichen Änderung der Dimensionen dieses Formteils, und iv) Einwirken des Formteils b) auf den Gegenstand, so daß dadurch dessen Schwingungen wenigstens teilweise kompensiert werden.
Verfahren zum Dämpfen von Schwingungen eines Gegenstandes umfassend die Maßnahmen: xii) Erzeugen eines magnetischen Feldes vorbestimmter Größe in einer Vorrichtung a) nach Anspruch 1, das xiii) auf mindestens ein Formteil b) nach Anspruch 1 einwirkt und dadurch die Dämpfungseigenschaften dieses Formteils in vorbestimmter Weise beeinflusst.
Verfahren zur Ermittlung der Änderung der Dimensionen eines Gegenstandes umfassend die Maßnahmen: xiv) Einwirken des Gegenstands auf ein Formteil b) nach Anspruch 1, so daß sich bei Änderungen der Dimension des Gegenstands mindestens eine Dimension des Formteils b) verändert, und xv) Ermitteln der Stärke des durch die Dimensionsänderung des Formteils b) erzeugten Magnetfeldes durch Induktion eines elektrischen Stroms in einem elektrischen Leiter, der sich in der Nähe des Formteils b) befindet.
Verfahren zur gezielten Veränderung der Position eines Gegenstandes umfassend die Maßnahmen: xvi) Erzeugen eines magnetischen Feldes vorbestimmter Größe in einer Vorrichtung a) nach Anspruch 1, das xvii) auf mindestens ein Formteil b) nach Anspruch 1, einwirkt und dadurch die Dimensionen des Formteils in vorbestimmter Weise beeinflußt, und xviii) Einwirken des Formteils b) auf den Gegenstand, so daß dieser dadurch in vorbestimmter Weise bewegt wird.
Verwendung von porösen Polymeren enthaltend ferromagnetische Teilchen als Aktuator.
Verwendung von porösen Polymeren enthaltend ferromagnetische Teilchen als Dämpfungselement.
Verwendung von porösen Polymeren enthaltend ferromagnetische Teilchen als Sensor für mechanische Änderungen von Gegenständen, insbesondere als Schwingungssensor.