Materiały typu SMART - ciecze magnetoreologiczne :: Artykuły / Polski Serwis Naukowy

Polecamy również:

Status CUDA Research Center dla Politechniki Gdańskiej

Tablica wyników w zakresie innowacji - unijna innowacyjność ma się dobrze, ale nie doskonale

Wydajność materiałowa - dostarczanie usług materiałowych przy mniejszej produkcji materiałów, Londyn, Wlk. Brytania

"Granice w materiałach elektronicznych: efekty korelacji i zjawiska memrystorowe", Aachen, Niemcy

Pola magnetyczne i oscylacje pomagają mrówkom w nawigacji

Materiał, który zatrzyma nawet nanocząsteczki

Pod koniec XX w. na rynku zaczęły pojawiać się materiały o inteligentnych właściwościach, zaliczane obecnie do grupy tzw. materiałów SMART (smart (ang.) - sprytny). Nie istnieje jednoznaczna definicja tych substancji, ale przyjęło się, że posiadają one cechy m.in. sensorów i aktuatorów. Dla naszych potrzeb, wystarczy, że zdefiniujemy materiały SMART jako substancje reagujące na pojawienie się (lub zanik) pewnego zjawiska fizycznego, w wyniku którego powstaje inna cecha fizyczna (elektryczna, magnetyczna, mechaniczna, optyczna itd.). Tutaj zaprezentuję ciecze magnetoreologiczne, czyli ciecze reagujące na pole magnetyczne.

Materiały magnetoreologiczne - wstęp

Zanim na rynku pojawiły się sterowalne ciecze reologiczne, materiały reagujące na pole magnetyczne lub elektryczne występowały jedynie w postaci ciał stałych. Znane są liczne zastosowania magnesów trwałych (kompasy, silniki, prądnice, mierniki elektryczne) i elektromagnesów (przenoszenie złomu, Maglev - magnes levitation - kolej magnetyczna). W układach mechanicznych obok magnesów i elektromagnesów występują również sterowalne ciecze reologiczne, które są chyba najbardziej elastycznym elementem konstrukcyjnym. Zaliczane są do nich [1]:

ciecze elektroreologiczne (ERF),
ciecze magnetyczne:
- ciecze nanomagnetoreologiczne (ferrociecze FF),
- ciecze mikromagnetoreologiczne (magnetoreologiczne MRF).

Tutaj skupimy się głównie na cieczach magnetoreologicznych, gdyż posiadają one wiele zalet w stosunku do fluidów elektroreologicznych (brak równie dużych oddziaływań międzycząsteczkowych) oraz wiele zastosowań technicznych, które znalazły już swoje rozwiązania. Najpierw jednak zacznę od ich niebłahego opisu fizycznego.

Podstawy fizyczne i eksperymentalne efektu magnetoreologicznego

Aby móc dobrze opisać ciecze magnetyczne, nie sposób nie wspomnieć o reologii, czyli nauki o płynięciu i plastycznej deformacji ciał. Każde ciało rzeczywiste wykazuje właściwości reologiczne, lecz ujawnia je w różnym stopniu w zależności od konkretnych warunków (co stanowi treść drugiego aksjomatu reologii). Oznacza to, że ciało rzeczywiste jest (niekoniecznie liniową) kombinacją trzech wyidealizowanych ciał reologicznych:
 Ciało doskonale sprężyste Hooke'a jest bardzo dobrze znanym modelem, przypisywanym najczęściej ciałom stałym. Zakłada on, że odkształcenia są wprost proporcjonalne do naprężeń i nie zależą od czasu. Obowiązuje dla naprężeń mniejszych od granicy plastyczności.
 Ciało doskonale plastyczne St. Venanta również jest najczęściej domeną ciał stałych. W ciele doskonale plastycznym, odkształcenia występują dopiero od pewnej granicznej wartości $\fs2 \tau_0$ i są nieodwracalne oraz niezależne od czasu. Po przekroczeniu $\fs2 \tau_0$ naprężenia w ciele nie zmieniają się i wynoszą tyle, co wspomniana granica.
 Płyn doskonale lepki Newtona jest przypisywany głównie cieczom. W tym modelu naprężenia są wprost proporcjonalne do szybkości odkształceń zależnych od czasu, a współczynnik proporcjonalności - lepkość dynamiczna - jest stała.

$\begin{array}{|c|c|} \hline \mbox{Modele doskolnaych cial reologicznych} & \mbox{Opis matematyczny} \\ \hline \mbox{cialo doskonale sprezyste Hooke'a} & \tau=G\gamma \\ \hline \mbox{cialo doskonale plastyczne St. Venanta} & \tau=\tau_0 \\ \hline \mbox{plyn doskonale lepki Newtona} & \tau=\mu \dot{\gamma} \\ \hline \end{array}$

gdzie:
$\fs2 \tau$ - naprężenie ścinające (styczne),
$\fs2 G$ - moduł sprężystości postaciowej (moduł Kirchhoffa)
$\fs2 \gamma$ - kąt odkształcenia postaciowego,
$\fs2 \tau_0$ - naprężenie uplastyczniające,
$\fs2 \mu$ - lepkość dynamiczna,
$\fs2 \dot{\gamma}$ - szybkość ścinania.

Model budowy MRF, teoria tworzenia łańcuchów i model Binghama

Ciecz magnetoreologiczna składa się z [1]: cieczy nośnej, cząsteczek ferromagnetycznych oraz powłoki powierzchniowej.
 Ciecz nośna jest płynem z natury niemagnetycznym i elektrycznie obojętnym, którym jest na ogół olej mineralny lub syntetyczny.
 Cząsteczki ferromagnetyczne są oczywiście materiałem magnetycznym, zawieszonym koloidalnie w cieczy nośnej, w zawartości procentowej 20-80%.
 Powłoka ochronna jest środkiem powierzchniowo aktywnym, zapobiegającym skupianiu się cząsteczek wskutek oddziaływań magnetycznych i van der Waalsa.

Pomimo wieloletnich badań zjawiska fizyko-chemiczne towarzyszące efektowi magnetoreologicznemu nie są do końca znane. Dlatego przy jego opisie korzysta się z modeli opisujących w przybliżeniu zachowanie się cieczy MR.

Jedną z teorii, której zakres stosowalności ogranicza się tylko do niewielkich naprężeń, jest proces powstawania łańcuchów. Polega on na tym, że w obecności pola magnetycznego cząsteczki (będące mikromagnesami) ustawiają się zgodnie z liniami sił pola. W następnym etapie zachodzi ich aglomeracja i tworzenie łańcuchów. Cały ten proces trwa kilka milisekund i jest w pełni odwracalny, tzn. po ustąpieniu pola ciecz uzyskuje swoją pierwotną postać.

Jak pokazują badania, ciecz magnetoreologiczną (podobnie jak inne ciecze reologiczne sterowalne) można traktować jako nieniutonowską reostabilną ciecz posiadającą granicę płynięcia [1]. Tego rodzaju fluidy można opisać modelem Binghama

$\tau=\left\{\begin{array}{ll} G\gamma & \text{dla }\tau < \tau_0 \\ \tau_0 & \text{dla } \tau=\tau_0\\ \tau_0+\mu\dot{\gamma} & \text{dla } \tau > \tau_0,\end{array}\right.$

w którym naprężenie graniczne jest funkcją indukcji magnetycznej występującej w cieczy: $\fs2 \tau_0=\tau_{0B}(B)$ . W obszarze małych wymuszeń pola zewnętrznego indukcja magnetyczna jest wprost proporcjonalna do natężenia pola $\fs2 H$ (prostoliniowy obszar pętli histerezy), zatem naprężenie graniczne może być funkcją $\fs2 H$ , co może zwalniać z pomiarów $\fs2 B$ wewnątrz materiału.

Zastosowania cieczy magnetoreologicznych

Ciecze magnetoreologiczne są stosowane do budowy różnego rodzaju układów tłumiących oraz innych zespołów wymagających szybkiej sterowalności:

tłumienie drgań w systemach zawieszenia samochodów,
tłumienie drgań i redukcja hałasu w pralkach,
kontrola ruchu w protezach kończyn.

Bibliografia
[1] Ławniczak A., Milecki A., Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Poznań 1999.

komentuj publikację

Czy wiesz że...?

wersja BETA

Mieszalność cieczy jest zjawiskiem, które dotyczy cieczy o zbliżonych właściwościach (znana reguła "podobne w podobnym"), np. ciecze polarne mieszają się z innymi cieczami polarnymi, ciecze niepolarne mieszają się dobrze z innymi cieczami niepolarnymi (zobacz np. napięcie powierzchniowe). pełny tekst

Mieszalność cieczy jest zjawiskiem, które dotyczy cieczy o zbliżonych właściwościach (znana reguła "podobne w podobnym"), np. ciecze polarne mieszają się z innymi cieczami polarnymi, ciecze niepolarne mieszają się dobrze z innymi cieczami niepolarnymi (zobacz np. napięcie powierzchniowe, heteroazeotrop, heterozeotrop). pełny tekst

Ciecz przegrzana ciało istniejące w stanie ciekłym powyżej temperatury wrzenia. Zazwyczaj ciecze wrą w jednej, określonej temperaturze przy stałym ciśnieniu. Proces wrzenia wymaga jednak odpowiednich warunków m.in. możliwości ulatniania się powstającego z cieczy gazu, ponadto nie występuje jednocześnie w całej objętości cieczy i wymaga zainicjowania oraz czasu. pełny tekst

Surfaktanty (ang. Surface active agent) inaczej substancje powierzchniowo czynne, to każde związki chemiczne, które posiadają zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego cieczy, ułatwiając tym samym zdolność zwilżania powierzchni ciał stałych przez te ciecze, a także umożliwiające zmieszanie dwóch cieczy, które naturalnie tworzą dwie niemieszalne fazy (np: woda i olej). pełny tekst

Moduł "Czy wiesz że...?" (wersja testowa, beta): definicje/pojęcia wygenerowane w obrębie tego modułu pochodzą z Wikipedii i udostępniane są na licencji Creative Commons: uznanie autorstwa, na tych samych warunkach, z możliwością obowiązywania dodatkowych ograniczeń. Dostęp do pełnej wersji każdego hasła (oraz dokładnch informacji na temat licencji, autora oraz edycji) możliwy jest po kliknięciu w odnośnik opisany jako "pełny tekst".