Magnetoreologická tekutina - Magnetorheological fluid

Schéma magnetoreologické tekutiny tuhnoucí a blokující potrubí v reakci na vnější magnetické pole. (K dispozici je animovaná verze. )

Magnetoreologická kapalina ( MR kapaliny , nebo MRF ) je druh inteligentní tekutiny v nosné kapalině, obvykle druh oleje. Když je kapalina vystavena magnetickému poli , značně zvyšuje svoji zdánlivou viskozitu až do bodu, kdy se z ní stane viskoelastická pevná látka. Důležité je, že mez kluzu tekutiny, když je v aktivním („zapnutém“) stavu, lze velmi přesně řídit změnou intenzity magnetického pole. Výsledkem je, že schopnost kapaliny přenášet sílu lze řídit elektromagnetem , což vede k mnoha možným aplikacím založeným na řízení. Rozsáhlé diskuse o fyzice a aplikacích MR tekutin lze najít v nedávné knize.

MR tekutina se liší od ferrofluidu, který má menší částice. Částice MR tekutiny jsou primárně na mikrometrickém měřítku a jsou příliš husté na to, aby je udržoval Brownův pohyb v suspenzi (v nosné tekutině s nižší hustotou). Ferrofluidní částice jsou primárně nanočástice, které jsou suspendovány Brownovým pohybem a za normálních podmínek se obecně neusazují. Ve výsledku mají tyto dvě kapaliny velmi odlišné aplikace.

Jak to funguje

Magnetické částice, které jsou obvykle kuličkami nebo elipsoidy v měřítku mikrometru nebo nanometru , jsou suspendovány v nosném oleji a distribuovány náhodně v suspenzi za normálních okolností, jak je uvedeno níže.

Chytrá tekutina vypnutá state.jpg

Při použití magnetického pole se však mikroskopické částice (obvykle v rozmezí 0,1–10 µm) zarovnají podél čar magnetického toku , viz níže.

Inteligentní tekutina na state.jpg

Chování materiálu

Abychom pochopili a předpověděli chování MR tekutiny, je nutné ji matematicky modelovat, což je úkol mírně komplikovaný proměnlivými vlastnostmi materiálu (jako je mez kluzu ). Jak již bylo zmíněno výše, inteligentní tekutiny jsou takové, že mají nízkou viskozitu v nepřítomnosti aplikovaného magnetického pole, ale při použití takového pole se stávají kvazi-pevnými. V případě MR tekutin (a ER ) tekutina ve skutečnosti předpokládá vlastnosti srovnatelné s pevnou látkou, když je v aktivovaném („zapnutém“) stavu, a to až do bodu výtěžku ( smykové napětí, nad nímž dochází k smykovému namáhání ). Toto mez kluzu (běžně označované jako zdánlivé mez kluzu) závisí na magnetickém poli aplikovaném na tekutinu, ale dosáhne maximálního bodu, po kterém zvýšení hustoty magnetického toku nemá žádný další účinek, protože tekutina je poté magneticky nasycena. Chování MR tekutiny lze tedy považovat za podobné jako u Binghamova plastického materiálu, což je materiální model, který byl dobře prozkoumán.

MR tekutina však přesně neplní vlastnosti binghamského plastu. Například pod mezí meze kluzu (v aktivovaném nebo „zapnutém“ stavu) se tekutina chová jako viskoelastický materiál se složitým modulem , o kterém je také známo, že je závislý na intenzitě magnetického pole. Je také známo, že MR tekutiny podléhají smykovému ředění , přičemž viskozita nad výtěžkem klesá se zvýšenou smykovou rychlostí. Kromě toho je chování MR tekutin ve stavu „vypnuto“ také nenewtonské a teplotně závislé, avšak odchyluje se dostatečně málo na to, aby byla tekutina pro jednoduchou analýzu nakonec považována za Binghamův plast.

Náš model chování tekutin MR ve smykovém režimu se tak stává:

Kde = smykové napětí; = mez kluzu; = Intenzita magnetického pole = Newtonova viskozita; je gradient rychlosti ve směru z.

Pevnost ve smyku

Nízká pevnost ve smyku byla hlavním důvodem omezeného rozsahu použití. Při absenci vnějšího tlaku je maximální pevnost ve smyku asi 100 kPa. Pokud je kapalina stlačena ve směru magnetického pole a tlakové napětí je 2 MPa, smyková pevnost se zvýší na 1100 kPa. Pokud jsou standardní magnetické částice nahrazeny podlouhlými magnetickými částicemi, dojde také ke zlepšení smykové pevnosti.

Sedimentace částic

Feročástice se v průběhu času usazují ze suspenze v důsledku inherentního rozdílu hustoty mezi částicemi a jejich nosnou tekutinou. Rychlost a míra, do jaké k tomu dochází, je jedním z primárních atributů, které se v průmyslu berou v úvahu při implementaci nebo navrhování zařízení MR. Povrchově aktivní látky se obvykle používají k vyrovnání tohoto účinku, ale za cenu magnetické saturace kapaliny, a tedy maximálního meze výtěžku v aktivovaném stavu.

Běžné MR tekuté povrchově aktivní látky

Kapaliny MR často obsahují povrchově aktivní látky , mimo jiné včetně:

Tyto povrchově aktivní látky slouží ke snížení rychlosti usazování feročástic, z nichž vysoká rychlost je nepříznivou charakteristikou MR tekutin. Ideální tekutina MR by se nikdy neusadila, ale vývoj této ideální tekutiny je stejně nepravděpodobný jako vývoj stroje s permanentním pohybem podle našeho současného chápání zákonů fyziky. Dlouhodobého usazování s povrchově aktivní látkou se obvykle dosahuje jedním ze dvou způsobů: přidáním povrchově aktivních látek a přidáním sférických feromagnetických nanočástic. Přidání nanočástic vede k tomu, že větší částice zůstávají déle suspendovány, protože neusazující se nanočástice interferují s usazováním větších mikrometrických částic v důsledku Brownova pohybu . Přídavek povrchově aktivní látky umožňuje micely tvoří kolem ferroparticles. Povrchově aktivní látka má polární hlavu a nepolární ocas (nebo naopak), z nichž jeden adsorbuje na feročástice, zatímco nepolární ocas (nebo polární hlava) vyčnívá do nosného média a tvoří inverzní nebo pravidelnou micelu , respektive kolem částice. To zvyšuje efektivní průměr částic. Sterické odpuzování pak brání těžké aglomeraci částic v jejich ustáleném stavu, díky čemuž je remixování tekutin (redisperze částic) mnohem rychlejší as menším úsilím. Například magnetoreologické tlumiče budou během jednoho cyklu smíchány s přísadou povrchově aktivní látky, ale bez nich je téměř nemožné je znovu smíchat.

I když jsou povrchově aktivní látky užitečné při prodlužování rychlosti usazování v MR tekutinách, prokazují také poškození magnetických vlastností kapaliny (konkrétně magnetické saturace), což je obvykle parametr, který si uživatelé přejí maximalizovat, aby zvýšili maximální zdánlivé napěťové napětí. Ať už je přísada proti usazování na bázi nanosféry nebo na bázi povrchově aktivní látky, jejich přidání snižuje hustotu náplně feročástic v aktivovaném stavu, čímž se snižuje tekutina v zapnutém stavu / aktivovaná viskozita, což vede k „měkčí“ aktivované tekutině s nižší maximální zdánlivé meze kluzu. Zatímco viskozita v zapnutém stavu („tvrdost“ aktivované kapaliny) je také primárním zájmem mnoha aplikací MR kapalin, je vlastností primární kapaliny pro většinu jejich komerčních a průmyslových aplikací, a proto musí být splněn kompromis, když vzhledem k viskozitě v zapnutém stavu, maximálnímu zdánlivému výtěžku a rychlosti usazování kapaliny MR.

Provozní režimy a aplikace

Tekutina MR se používá v jednom ze tří hlavních provozních režimů, kterými jsou režim proudění, režim smyku a režim stlačování. Tyto režimy zahrnují příslušně tekutinu tekoucí v důsledku tlakového gradientu mezi dvěma stacionárními deskami; tekutina mezi dvěma deskami pohybujícími se vůči sobě navzájem; a tekutina mezi dvěma deskami pohybujícími se ve směru kolmém k jejich rovinám. Ve všech případech je magnetické pole kolmé na roviny desek, aby se omezila tekutina ve směru rovnoběžném s deskami.

Průtokový režim (aka ventilový režim)

Mr fluid flowmode.jpg

Režim smyku

Pan fluid shearmode.jpg

Režim squeeze-flow

Mr fluid squeezeflowmode.jpg

Aplikace těchto různých režimů jsou četné. Režim proudění lze použít v tlumičích a tlumičích nárazů pomocí pohybu, který má být řízen, k protlačení kapaliny kanály, přes které je aplikováno magnetické pole. Režim smyku je obzvláště užitečný ve spojkách a brzdách - v místech, kde musí být řízen rotační pohyb. Režim squeeze-flow je naopak nejvhodnější pro aplikace, které ovládají malé pohyby v řádu milimetrů, ale zahrnují velké síly. Tento konkrétní režim proudění zaznamenal zatím nejméně vyšetřování. Celkově lze mezi těmito třemi provozními režimy MR tekutiny úspěšně aplikovat na širokou škálu aplikací. Existují však některá omezení, která je zde třeba zmínit.

Omezení

Ačkoli se na inteligentní tekutiny právem pohlíží jako na mnoho potenciálních aplikací, v komerční proveditelnosti jsou omezené z následujících důvodů:

  • Vysoká hustota způsobená přítomností železa je činí těžkými. Provozní objemy jsou však malé, takže i když je to problém, není to nepřekonatelné.
  • Vysoce kvalitní kapaliny jsou drahé.
  • Kapaliny po delším používání podléhají zahušťování a je třeba je vyměnit.
  • Usazování feročástic může být pro některé aplikace problémem.
  • Nelze pracovat při extrémně vysokých / nízkých teplotách

Jak již bylo zmíněno, existují komerční aplikace, ale bude jich jen několik, dokud nebudou tyto problémy (zejména náklady) překonány.

Pokroky v roce 2000

Studie publikované od konce dvacátých let, které zkoumají účinek měnícího se poměru stran feromagnetických částic, ukázaly několik vylepšení oproti konvenčním MR tekutinám. Kapaliny na bázi nanodrátů nevykazují sedimentaci po kvalitativním pozorování po dobu tří měsíců. Toto pozorování bylo přičítáno nižší hustotě těsného obalu v důsledku snížené symetrie drátů ve srovnání s koulemi, jakož i strukturně podpůrné povaze mřížky nanodrátů držené pohromadě zbytkovou magnetizací. Dále ukazují odlišný rozsah náplně částic (obvykle měřený buď v objemovém nebo hmotnostním zlomku) než konvenční kapaliny na bázi koulí nebo elipsoidů. Konvenční komerční kapaliny vykazují typickou náplň 30 až 90% hmotn., Zatímco kapaliny na bázi nanodrátů vykazují prahovou hodnotu perkolace ~ 0,5% hmotn. (V závislosti na poměru stran). Ukazují také maximální zatížení ~ 35% hmotn., Protože částice s vysokým poměrem stran vykazují větší objem vyloučený z částice a také zamotání mezi částicemi, když se pokoušejí otáčet od konce k konci, což má za následek limit stanovený vysokou hodnotou -state zdánlivá viskozita tekutin. Tento rozsah zatížení naznačuje, že je možná nová sada aplikací, které u běžných kapalin na bázi koulí nemusí být možné.

Novější studie se zaměřily na dimorfní magnetoreologické tekutiny, které jsou konvenčními tekutinami na bázi koulí, ve kterých je část koulí, obvykle 2 až 8% hmotnostních, nahrazena nanodráty. Tyto kapaliny vykazují mnohem nižší rychlost sedimentace než běžné kapaliny, přesto vykazují podobný rozsah náplně jako konvenční komerční kapaliny, což je činí užitečnými také ve stávajících aplikacích s vysokou silou, jako je tlumení. Kromě toho také vykazují zlepšení ve zdánlivém meze výtěžku o 10% u těchto množství substituce částic.

Dalším způsobem, jak zvýšit výkon magnetoreologických tekutin, je vyvíjet na ně tlak. Zejména lze vlastnosti ve smyslu meze kluzu zvýšit až desetkrát ve smykovém režimu a až pětkrát v průtokovém režimu. Motivací tohoto chování je zvýšení tření feromagnetických částic, jak je popsáno v semiempirickém magneto-tribologickém modelu Zhang et al. Přestože použití tlaku výrazně zlepšuje chování magnetoreologických tekutin, je třeba věnovat zvláštní pozornost mechanické odolnosti a chemické kompatibilitě použitého těsnícího systému.

Aplikace

Sada aplikací pro MR tekutiny je obrovská a rozšiřuje se s každým pokrokem v dynamice tekutiny.

Strojírenství

Magnetoreologické tlumiče různých aplikací byly a jsou vyvíjeny. Tyto tlumiče se používají hlavně v těžkém průmyslu s aplikacemi, jako je tlumení těžkých motorů, tlumení sedadel / kabiny řidiče u stavebních vozidel a další.

Od roku 2006 vědci v oblasti materiálů a strojní inženýři spolupracují na vývoji samostatných seizmických tlumičů, které, pokud jsou umístěny kdekoli v budově, budou pracovat v rezonanční frekvenci budovy , absorbující škodlivé rázové vlny a oscilace ve struktuře, což těmto tlumičům dává schopnost aby byla jakákoli budova odolná proti zemětřesení nebo alespoň proti zemětřesení.

Armáda a obrana

Americký armádní výzkumný úřad v současné době financuje výzkum použití MR tekutiny ke zlepšení brnění. V roce 2003 uvedli vědci, že jim zbývá pět až deset let, než učiní tekutou kulku odolnou. Kromě toho HMMWV a různá další terénní vozidla používají dynamické tlumiče a tlumiče MR.

Optika

Ukázalo se , že magnetoreologická povrchová úprava , metoda magnetoreologického leštění na bázi kapaliny, je vysoce přesná. To bylo použito při konstrukci korekční čočky Hubblova kosmického dalekohledu .

Automobilový průmysl

V případě, že tlumiče na vozidlo v suspenzi jsou naplněny magnetorheologickou kapalinou namísto prostého oleje nebo plynu, a kanálů, které umožňují, aby tlumicí kapalina proudit mezi oběma komorami je obklopen s elektromagnety , viskozita kapaliny, a tím i kritické frekvence tlumiče se může měnit v závislosti na preferencích řidiče nebo hmotnosti přenášené vozidlem - nebo se může dynamicky měnit, aby byla zajištěna kontrola stability v naprosto odlišných podmínkách na silnici. Toto je ve skutečnosti magnetoreologický tlumič . Například systém aktivního odpružení MagneRide umožňuje upravit faktor tlumení jednou za milisekundu v reakci na podmínky. Společnost General Motors (ve spolupráci se společností Delphi Corporation ) vyvinula tuto technologii pro automobilové aplikace. Debutovalo v obou modelech Cadillac (datum výroby Seville STS 15. 1. 2002 nebo později s RPO F55) jako „Magneride“ (nebo „MR“) a Chevrolet osobních vozidel (všechny korvety od roku 2003 s volitelným kódem F55) jako součást řidičem volitelného systému „Magnetic Selective Ride Control (MSRC)“ v modelovém roce 2003. Ostatní výrobci zaplatili za jeho použití ve vlastních vozidlech, například Audi a Ferrari nabízejí MagneRide na různých modelech.

Společnost General Motors a další automobilové společnosti usilují o vývoj magnetoreologického kapalinového spojkového systému pro systémy pohonu všech kol s tlačítky. Tento spojkový systém by používal elektromagnety k tuhnutí kapaliny, která by blokovala hnací hřídel do hnacího ústrojí .

Společnost Porsche představila v letech 2010 Porsche GT3 a GT2 magnetoreologické uložení motoru. Při vysokých otáčkách motoru jsou magnetoreologické úchyty motoru tužší, aby poskytovaly přesnější pocit při řazení převodovky snížením relativního pohybu mezi hnacím ústrojím a podvozkem / karoserií.

V září 2007 zahájila společnost Acura (Honda) reklamní kampaň zdůrazňující její použití technologie MR v osobních vozidlech vyráběných pro modelový rok 2007 MDX.

Letectví a kosmonautika

Magnetoreologické tlumiče jsou vyvíjeny pro použití na sedadlech kokpitu vojenských a komerčních vrtulníků jako bezpečnostní zařízení pro případ havárie. Byly by použity ke snížení šoku způsobeného páteři spolujezdce, čímž by se snížila míra trvalého zranění během nárazu.

Lidská protéza

V poloaktivních lidských protetických nohách se používají magnetoreologické tlumiče . Podobně jako u vojenských a komerčních vrtulníků, tlumič v protetické noze snižuje šok způsobený například nohou pacienta při skákání. To má za následek zvýšenou mobilitu a obratnost pacienta.

Viz také

Reference

Poznámky

  1. ^ Magnetorheology: Advances and Applications (2014), NM Wereley, Ed., Royal Society of Chemistry, RSC Smart Materials, Cambridge, UK. DOI: 10.1039 / 9781849737548.
  2. ^ Unuh, Mohd Hishamuddin; Muhamad, Pauziah (2020). „Stručný přehled metody přípravy a výzev magnetoreologických tekutin“ . Journal of Advanced Research in Material Science . Nakladatelství Akademia Baru. 74 (1): 1–18. doi : 10,37934 / zbraně.74.1.118 . ISSN   2289-7992 .
  3. ^ „Mechanické vlastnosti magnetoreologických tekutin v režimu stlačení-smyku“ Wang, Hong-yun; Zheng, Hui-qiang; Li, Yong-xian; Lu, Shuang
  4. ^ „Fyzikální vlastnosti podlouhlých magnetických částic“, autor: Fernando Vereda, Juan de Vicente, Roque Hidalgo-Álvarez
  5. ^ Unuh, Mohd Hishamuddin; Muhamad, Pauziah; Waziralilah, Nur Fathiah; Amran, Mohamad Hafiz (2019). „Charakterizace inteligentní kapaliny vozidla pomocí plynové chromatografie-hmotnostní spektrometrie (GCMS)“ (PDF) . Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences . Penerbit Akademia Baru. 55 (2): 240–248. ISSN   2289-7879 .
  6. ^ „Magnetoreologie železných mikrodrát o průměru submikronu rozptýlených v silikonovém oleji.“ RC Bell, JO Karli, AN Vavereck, DT Zimmerman. Inteligentní materiály a struktury, 17 (2008) 015028.
  7. ^ „Vliv tvaru částic na vlastnosti magnetoreologických tekutin.“ RC Bell, ED Miller, JO Karli, AN Vavereck, DT Zimmerman. Journal of Modern Physics B. Sv. 21, No. 28 & 29 (2007) 5018-5025.
  8. ^ „Elastický perkolační přechod v magnetoreologických tekutinách na bázi nanodrátů.“ DT Zimmerman, RC Bell, JO Karli, JA Filer, NM Wereley, Applied Physics Letters, 95 (2009) 014102.
  9. ^ „Dimorfní magnetoreologické tekutiny: využití částečné náhrady mikrosfér mikrodráty.“ GT Ngatu, NM Wereley, JO Karli, RC Bell. Inteligentní materiály a struktury, 17 (2008) 045022.
  10. ^ „Studie mechanismu účinku zesílení v magnetoreologických tekutinách“ XZ Zhang, XL Gong, PQ Zhang a QM Wang, J. Appl. Phys. 96, 2359 (2004).
  11. ^ A. Spaggiari, E. Dragoni „Vliv tlaku na tokové vlastnosti magnetoreologických tekutin“ J. Fluids Eng. Svazek 134, vydání 9, 091103 (2012).
  12. ^ HowStuffWorks „Jak fungují inteligentní struktury“
  13. ^ Okamžité brnění: Vědecká videa - Vědecké zprávy - ScienCentral
  14. ^ GJ Hiemenz, Y.-T. Choi a NM Wereley (2007). „Poloaktivní ovládání sedadla posádky vrtulníku se svislým zdvihem pro lepší odolnost proti nárazu.“ AIAA Journal of Aircraft, 44 (3): 1031-1034 DOI: 10.2514 / 1.26492
  15. ^ NM Wereley, HJ Singh a Y.-T. Choi (2014). „Adaptivní magnetoreologické zdroje absorbující energii pro zmírnění otřesů.“ Magnetorheology: Advances and Applications, NM Wereley, Ed., Royal Society of Chemistry, RSC Smart Materials, Cambridge, UK. Kapitola 12, str. 278-287, DOI: 10.1039 / 9781849737548-00278.

Zdroje

externí odkazy