From inner structural arrangements in elastic materials to tailored overall behavior

Abstract

Magnetic gels and elastomers are fascinating composite materials, consisting of a soft, usually polymeric, elastic matrix with embedded magnetic or magnetizable inclusions. Under applications of external magnetic fields, these materials mainly change their overall shape (magnetostriction) as well as their rheological behavior (magnetorheological effect). In this dissertation, we investigate how both of these effects, primarily the magnetostriction, depends on the arrangement of the magnetizable inclusions within the elastic matrix material. We observe an explicit dependence. Additionally, we perform an optimization for maximized effects by combining analytical theory with numerical evaluations and optimization routines. The goal of our theoretical description is to demonstrate the full potential of these materials.

Magnetische Gele und Elastomere sind faszinierende Kompositmaterialien, bestehend aus einer weichen, typischerweise polymerartigen, elastischen Matrix mit eingebetteten magnetischen oder magnetisierbaren Einschlüssen. Bei der Anwendung externer Magnetfelder ändern diese Materialien ihre Form (Magnetostriktion) sowie ihre rheologischen Eigenschaften (magnetorheologischer Effekt). In dieser Dissertation wird untersucht, wie diese beiden Effekte, insbesondere die Magnetostriktion, von der Anordnung der magnetisierbaren Einschlüsse im elastischen Material abhängt. Wir beobachten dabei einen deutlichen Einfluss. Weiterhin führen wir eine Optimierung der Partikelanordnung zur Maximierung der Effekte durch, indem wir analytische Theorie mit numerischen Auswertungen und Optimierungsroutinen kombinieren. Ziel unserer theoretischen Beschreibung ist es, das volle Potenzial dieser Materialklasse auszuschöpfen.