Лекция Магнетореологични материали. Свойства и приложения

Съвременните суспензии се отличават с по-голяма трайност и по-голяма ефективност. Те се състоят от три компонента: частици, които могат да се намагнетизират, носеща течност и добавки.

• 
  Частичките най-често са от карбонилово желязо, което има голямата максимална намагнитеност (около 2.1 Т), малка остатъчна намагнитеност и е достъпен материал. Използват се също Fe-Co сплави (намагнитеност на насищане около 2.4 Т), никел-цинкови ферити, манган-цинкови ферити и др. Реологичните свойства на суспензиите и тяхната чувствителност към магнитното поле се определя от размера на частичките и от обемната им концентрация. Оптималната обемна концентрация е около 30-50%. Оптималният размер на частиците е около
  

• 
  Носещата течност влияе на стабилноста на суспензията. Изискванията към нея са да е температурно устойчива (висока температура на кипене), да не е химически активна, да не е токсична и да е с ниско налягане на парите за постигане на добро капсулиране. Диелектричните свойства на вискоеластичната носеща течност не влияят на МР ефект, за разлика от ЕР ефект, затова изборът е много по-широк: силикон, полимерни гелове в разтворител, минерални или смазочни масла, полярни органични течности, вода и др. Най-разпространени носещи течности са силиконово масло и хидрокарбоново масло.
  
• 
  Добавките са колоидни частици, йонни и нейонни сърфактанти. Сърфактантите образуват покритие върху частичките, което ги предпазва от изтриване (абразия), а също подобрява стабилноста на суспензията. Колоидните частици подобряват стабилноста понеже Брауновото движение ги поддържа равномерно разпределени, а те стабилизират по-големите магнитни частици. Неблагоприятното влияние на добавките се изразява в намаляване намагнитеноста на насищане на частичките и оттам намаляване на МР ефект. Типични добавки са олеинова киселина, тетраметиламониев хидроксид, лимонова киселина и др.
  

Фиг.1 Микроструктура на агрегирани частички и нейното съпротивление срещу

напречни сили (квазитвърдо състояние)
Вископластичният модел на Бингам описва реологията на много МР материали. Той се дефинира от следната формула:

(1)

За разлика от Нютоновата течност, която се дефинира от вискозитета η реологичната течност се дефинира от два параметъра-критична сила τ_у и пластичен вискозитет μ_р. Моделът на Бингам е сравнен грaфично с Нютоновия закон на фиг.2

фиг.2 Модели на Бингам за вископластично тяло и на Нютон за идеална течност

Фиг.3 (а) Ефективният вискозитет като функция на скороста на напречна

деформация (b) Напречната сила като функция на напречната скорост и

магнитното поле.

На фиг.3 са представени вискозитета и напречната сила от напречната скорост, която може да се представи по следния начин:

(3)

Вижда се, че ефективният вискозитет е много голям докато не се достигне определена скорост на напречна деформация т.е. МР флуид се държи като твърдо тяло докато не се достигне критичната напречна сила τ_у. След като надвиши тази стойност флуидът става подвижен, а ефективният вискозитета намалява до стойноста на пластичния вискозитет. Наклонът на правата на фиг.3(b) задаваща зависимоста на напречната сила от скороста на напречна деформация се задава от ефективната вискозност.

С нарастване на магнитното поле нараства и критичната напречна сила. За слаби магнитни полета критичната сила е пропорционална на μ₀ΦН²₀ докато при по-силни полета се проявяват магнитни нелинейни механизми и е получена следната аналитична зависимост:

(4)
Тази зависимост за степента 3/2 от магнитното поле се потвърждава от експерименталните данни на фиг. 5.

Освен динамична критична сила, дефинирана при безкрайно малка скорост на деформация имаме и статична критична сила, която се дефинира като минималната сила, при която материалът протича. Динамичнта критична сила е свързана с разкъсване на микроструктурата на частиците докато статичната сила се свързва с триенето между частиците и на частиците със стените.

Моделът на Бингам дава добро линейно приближение на МР свойства на течностите при сравнително слаби магнитни полета. При по-силни полета се проявяват нелинейности, които се отчитат по-добре от модела на Хершел-Балкли, който се описва от следната нелинейна формула:

(5)

фиг. 4 Модел на Хершел-Балкли

Вижда се че при този модел напречната сила нараства по-бавно при големи напречни скорости.

Фиг.5 Зависимост на критичната сила от магнитното поле.

На фиг.6 са показани експериментални точки на зависимоста τ(γ`, В). Вижда се че при слаби магнитни полета МР течност има пластично поведение, което се описва добре от прави на Бингам с постоянна вискозност равна на вискозноста на Нютонова течност при нулево магнитно поле. При по-силни магнитни полета се наблюдава нелинейна зависимост, която се описва сравнително добре от модела на Хершел-Балкли, и при която критичната напречна сила нараства с нарастване на магнитното поле.

Фиг.6 Напречната сила като функция на скороста на напречна деформация

На фиг.7 е показано как се изменя ефективният еластичен модул от приложеното магнитно поле.

Фиг. 7 Ефективен еластичен модул на МР материал като функция от външното

магнитно поле

МР материали са ценни поради това че силно променят свойствата си при прилагане на магнитно поле (фиг.7). Типичните МР материали достигат критични сили от 50-100кРа при магнитно поле около 150-250 ка/m (1a/m=4π 10^-3 оерстеда). При магнитни полета около 300 ка/m обикновено настъпва насищане поради достигане наситената намагнитеност на частичките. МР материали могат да работят стабилно в температурен диапазон -40 до 150 ⁰С. При изключване на външното магнитно поле материалът се връща бързо (няколко милисекунди) в изходното течно състояние. МР ефект е резултат на взаимодействие и агрегация на частици подложени на магнитно поле. Микроструктурата на агрегиралите частици играе основна роля за определяне на макроскопичните свойства на МР течности. Формирането на микроструктурите и времето за това формиране са важни както за разбиране на явлението така и за неговите приложения. За времето на формиране на една колона от частици в линейно приближение е получен израза:

където η_f е вискозитета на флуида, Φ е обемната концентрация на частиците, β е относителната проницаемост на частиците и флуида. Когато интензитета на полето Н расте, времето за образуване на микроструктурата намалява.

Основните предимства на МР пред ЕР материали са следните:

• 
  Не се влияят силно от наличието на замърсители
  
• 
  Не се влияят от химичните реакции на повърхноста на частичките предизвикани от добавките (сърфактанти)
  
• 
  Нуждаят се от по-малко захранващо напрежение. Мощност около 50-100 вата (ток 1-2 ампера и напрежения около 15-50 волта).
  
• 
  Стабилни са в широк температурен диапазон.
  

Магнитореологичните еластомери са твърдотелен аналог на МР течности.

фиг.8 МР еластомер

Тук магнитните частици са диспергирани в еластомер с механични свойства подобни на гума. Докато МР течности са устойчиви на критична напречна сила, която зависи от магнитното поле, МР еластомери имат напречни и надлъжни еластични модули, близки до нула при липса на магнитно поле (материалът е мек), и бързо нарастващи при нарастване на приложеното поле (материалът се втвърдява).

При вискоеластичните материали деформацията закъснява по фаза спрямо приложената сила. Затова се дефинират вискоеластични модули, които зависят от фазовата разлика δ между сила σ и деформация ε както следва:

За твърдите тела няма фазово отместване между сила и деформация т.е. δ=0. Виско-еластичните модули нарастват с около 20-50% като имаме зависимост от честотата и от обемната концентрация на частички както е показано на фиг.9.

МР еластомери се получават когато частичките се диспергират равномерно докато матрицата е в течно състояние. При втвърдяване на матрицата се прилага магнитно поле, което подрежда частичките в ориентирани микроструктури. След това частичките взаимодействат по-силно според приложеното външно магнино поле като променят еластичните свойства на еластомера. Предимствата на МР еластомери са че няма изтичане на материал, няма седиментация т.е. имат по-голяма трайност, а също имат по-голяма издръжливост на подкритични напречни сили. В приложенията на МР еластомери може да се използва тяхната плавна и управляема промяна на твърдоста. Установено е също, че се променя собствената резанансна честота на еластомера при промяна на магнитното поле, което е свързано с промяна на твърдоста (еластичните модули).

Фиг.9 Относителна промяна на виско-еластичните модули от честотата и при

различна концентрация Ф на частиците
Основни режими на действие и приложения на МР материали

Съществуват три основни режима на действие на МР течности:

• 
  Напречен режим. В този режим едната плоча се движи паралелно на другата както е показано на фиг.11. Намира приложения за конструиране на спирачки и фрикционни трансмисии, а също когато трябва да се контролира въртеливо движение.
  

Фиг.11 Напречен режим

• 
  Режим на притиснатия поток. В този режим едната плоча се движи в посока на силовите линии към другата плоча както е показано на фиг.12. Намира приложение при контрола на малки премествания (няколко милиметра), но под действие на големи сили. Този режим е най-малко изследван.
  

Фиг. 12 Режим на притиснатия поток

Приложенията на МР материали се базират на голямата промяна на вискозитета при прилагане на магнитно поле. Ще изброим някои внедрени приложения, които са достъпни на пазара :

• 
  Линейни поглътители на вибрации, действащи в реално време при тежки камиони.
  
• 
  Линейни и ротационни спирачки, които правят възможно точното поддържане на положение и скорост в някои пневматични актуатори.
  
• 
  Настройващи се поглътители на удари при състезателни и обикновенни автомобили.
  
• 
  Евтини поглътители на вибрации в перални машини.
  
• 
  Огромни поглътители на сеизмични вибрации при някои постройки и при висящи мостове.
  
• 
  Военните разработват защитни жилетки срещу куршуми на базата на МР течности.
  
• 
  Прецизно шлифоване в оптиката с помощта на МР течности. Лещите на телескопа Хабъл са били коригирани в открит космос с помощта на такава технология.
  
• 
  В медицината за направа на изкуствени стави, за отстраняване на емболия на кръвоносните съдове, за направа на терапевтични уреди при рехабилитация на мускули
  

1. 
   Голяма плътност на течноста поради присъствието на желязо в частиците и оттам значителна тежест. Това се компенсира с малкия работен обем.
   
2. 
   Качествените МР течности са скъпи.
   
3. 
   Изхабяват се при дълга употреба (вискозитета намалява при включено състояние), поради което се нуждаят от смяна.
   

Превключвателите служат за контрол на поток и плавно управление както на налягането така и на скороста на потока. Известна е следната проста зависимост за индуцираният от МР течност градиент на налягането в потока:

(8)

коефициент.

Фиг.13 Две конфигурации на МР превключвател: осов поток и радиален поток

Те са основно два вида конструкции: Електродите са успоредни дискове (два или повече) или концентрични цилиндри. Предимството им е че може плавно да се регулират оборотите на приемащия вал при фрикционните предавки както и плавното спиране, без блокиране на колелата, при МР спирачки.

Фиг.14 Ротационна спирачка