자성입자-고분자 복합재료로 구성된 나선형 자기스프링의 자기장 인가 스프링 상수 변화 연구

Abstract

탄성 재료로 만들어진 일반적인 기계 진동 시스템은 주어진 시스템의 복원력과 감쇠력 사이의 균형에 의에 제어되는 독특한 진동 성향을 나타낸다. 따라서 기계 진동 시스템의 동적 특성은 질량, 스프링 상수 및 감쇄 상수와 같은 재료 및 환경 변수에 의해 결정된다. 본 연구에서는 자성 물질과 탄성 재료를 복합한 새로운 개념의 기계진동시스템 요소를 제안한다. 이 시스템에서 자기력은 기계 진동 시스템의 거동을 결정하는 또다른 핵심 변수로 작용한다. 이전의 퍼멀로이(Py)로 스프링 pitch 사이의 자기력을 simulation 했던 연구에서는 기계적 힘에 비하여 자기력이 매우 약하여 외부자기장으로 스핀을 정렬시키는 것만으로는 충분한 힘을 만들기 힘들었다. 그러나 본연구에서는 자기 이방성을 이용하여 자기력을 증가시켰고 이를 통해 스프링의 기계적 특성을 제어하여 보았다. 일반적인 자기 이방성을 가진 자석은 자성 물질 분말을 압축한 세라믹 물질이므로 탄성 거동을 하지 않아 탄성 물질에 자성 물질을 이식하는 방법으로 연구를 수행하였다. 수십 나노 크기의 산화철(〖Fe〗_3 O_4, magnetite) 입자와 Elastomer를 혼합한 magnetic composite를 3D 프린터로 제작한 스프링 몰드에 주입하고 스프링을 제작하였다. 공정 중에 외부 자기장을 스프링 축에 수직한 방향으로 인가하여 자성 입자의 사슬이 형성되도록 하여 스프링의 자화 용이축이 스프링의 축에 수직한 방향으로 생성되도록 하였다. 이렇게 만들어진 스프링이 자기장이 인가된 상태에서 압축 또는 인장 한다면 자성 입자 사슬은 Zeeman energy에 의해서 외부 자기장과 정렬하려는 돌림힘을 받게 되고 이는 외부적으로 스프링의 거동을 조절할 수 있는 힘으로 작용한다. 이는 스프링의 강성에 영향을 주게 되어 결과적으로 외부자기장으로 스프링의 강성을 제어할 수 있게 된다.

A typical mechanical vibration system made of an elastic material exhibits a unique vibrational tendency that is controlled by the balance between the restoring force and the damping force of a given system. Therefore, the dynamic properties of mechanical vibration systems are determined by material and environmental variables such as mass, spring constant and damping constant. In this study, we propose a new conceptual mechanical vibration system-element that combines magnetic and elastic materials. In this system, the magnetic force acts as another key variable that determines the behavior of the mechanical vibration system. The magnetic anisotropy was used to control the mechanical properties of the spring. Since a magnet is a ceramic material compressed with magnetic material powder, it does not behave elastically, so the study was conducted by implanting a magnetic material into an elastic material. A magnetic composite mixed with iron oxide nanoparticles and elastomers was injected into a spring mold made with a 3D printer to produce a spring. During the process, an external magnetic field(50mT) was applied in a direction perpendicular to the axis of the spring to form a chain of magnetic particles, thereby making the easy axis of magnetization. If the spring is compressed or stretched while a magnetic field is applied, a torque is generated to align the magnetic particle chain with the axis by the Zeeman energy, which acts as a force that can externally control the behavior of the spring. This affects the stiffness of the spring, and as a result, it is possible to control the stiffness of the spring with an external magnetic field.