Магнитореологическая жидкость ( MR-жидкость или MRF ) — это тип умной жидкости в жидкости-носителе, обычно в виде масла. Под воздействием магнитного поля жидкость значительно увеличивает свою кажущуюся вязкость до такой степени, что становится вязкоупругим твердым телом. [1] Важно отметить, что предел текучести жидкости в ее активном («включенном») состоянии можно очень точно контролировать, изменяя интенсивность магнитного поля. В результате способность жидкости передавать силу можно контролировать с помощью электромагнита , что порождает множество возможных применений, основанных на управлении.
MR-жидкость отличается от феррожидкости , которая имеет более мелкие частицы. Частицы МР-жидкости в основном имеют размер микрометра и слишком плотны , чтобы броуновское движение могло удерживать их во взвешенном состоянии (в несущей жидкости с более низкой плотностью). Частицы феррожидкости представляют собой в основном наночастицы , которые подвешены за счет броуновского движения и обычно не оседают при нормальных условиях. В результате эти две жидкости имеют совершенно разные применения.
Магнитные частицы, которые обычно представляют собой сферы или эллипсоиды микрометрового или нанометрового размера, суспендированы внутри масла-носителя и при нормальных обстоятельствах распределяются в суспензии случайным образом, как показано ниже.
Однако при приложении магнитного поля микроскопические частицы (обычно в диапазоне 0,1–10 мкм) выстраиваются вдоль линий магнитного потока [2], см . ниже.
Чтобы понять и спрогнозировать поведение жидкости MR, необходимо математически смоделировать жидкость — задача, немного усложняющаяся из-за изменяющихся свойств материала (таких как предел текучести ). Как упоминалось выше, умные жидкости таковы, что они имеют низкую вязкость в отсутствие приложенного магнитного поля, но становятся квазитвердыми при приложении такого поля. В случае жидкостей MR (и ER ) жидкость фактически приобретает свойства, сравнимые с твердым телом в активированном («включенном») состоянии, вплоть до точки текучести ( напряжения сдвига , выше которого происходит сдвиг). Этот предел текучести (обычно называемый кажущимся пределом текучести) зависит от магнитного поля, приложенного к жидкости, но достигает максимальной точки, после которой увеличение плотности магнитного потока не имеет дальнейшего эффекта, поскольку тогда жидкость становится магнитно-насыщенной. Таким образом, поведение MR-жидкости можно считать аналогичным поведению пластика Бингама , модели материала, которая была хорошо исследована.
Однако жидкость MR не совсем соответствует характеристикам пластика Бингама. Например, ниже предела текучести (в активированном или «включенном» состоянии) жидкость ведет себя как вязкоупругий материал со сложным модулем , который, как известно, также зависит от напряженности магнитного поля. Также известно, что жидкости MR подвержены разжижению при сдвиге , при этом вязкость выше предела текучести снижается с увеличением скорости сдвига. Более того, поведение MR-жидкостей в «выключенном» состоянии также неньютоновское и зависит от температуры, однако оно отклоняется достаточно мало, чтобы жидкость в конечном итоге можно было рассматривать как пластик Бингама для простого анализа.
Таким образом, наша модель поведения МР-жидкости в режиме сдвига выглядит следующим образом:
Где = напряжение сдвига; = предел текучести; = Напряженность магнитного поля = Ньютоновская вязкость; — градиент скорости в направлении z.
Низкая прочность на сдвиг была основной причиной ограниченного спектра применения. В отсутствие внешнего давления максимальная прочность на сдвиг составляет около 100 кПа. Если жидкость сжимается в направлении магнитного поля и напряжение сжатия составляет 2 МПа, прочность на сдвиг повышается до 1100 кПа. [3] Если стандартные магнитные частицы заменить удлиненными магнитными частицами, прочность на сдвиг также улучшится. [4]
Феррочастицы со временем оседают из суспензии из-за разницы плотностей между частицами и их жидкостью-носителем. Скорость и степень, в которой это происходит, являются одним из основных параметров, которые учитываются в промышленности при внедрении или проектировании МР-устройства. Для компенсации этого эффекта обычно используются поверхностно-активные вещества , но за счет магнитного насыщения жидкости и, следовательно, максимального предела текучести, проявляемого в ее активированном состоянии.
Жидкости MR часто содержат поверхностно-активные вещества , включая, помимо прочего: [5]
Эти поверхностно-активные вещества снижают скорость осаждения феррочастиц, высокая скорость которой является неблагоприятной характеристикой жидкостей MR. Идеальная МР-жидкость никогда не установится, но разработка этой идеальной жидкости столь же маловероятна, как и разработка вечного двигателя в соответствии с нашим нынешним пониманием законов физики. Пролонгированное осаждение с помощью поверхностно-активных веществ обычно достигается одним из двух способов: добавлением поверхностно-активных веществ и добавлением сферических ферромагнитных наночастиц. Добавление наночастиц приводит к тому, что более крупные частицы остаются во взвешенном состоянии дольше, поскольку неосаждающиеся наночастицы мешают осаждению более крупных частиц микрометрового масштаба из-за броуновского движения . Добавление поверхностно-активного вещества позволяет образовывать мицеллы вокруг феррочастиц. ПАВ имеет полярную головку и неполярный хвост (или наоборот), один из которых адсорбируется на феррочастице, а неполярный хвост (или полярная головка) торчит в несущую среду, образуя обратную или правильную мицеллу . соответственно, вокруг частицы. Это увеличивает эффективный диаметр частиц. Затем стерическое отталкивание предотвращает сильную агломерацию частиц в их осажденном состоянии, в результате чего повторное смешивание жидкости (повторное диспергирование частиц) происходит гораздо быстрее и с меньшими усилиями. Например, магнитореологические демпферы перемешиваются в течение одного цикла с добавкой поверхностно-активного вещества, но без них перемешать практически невозможно.
Хотя поверхностно-активные вещества полезны для увеличения скорости осаждения жидкостей MR, они также оказывают вредное воздействие на магнитные свойства жидкости (в частности, магнитное насыщение), которое обычно является параметром, который пользователи хотят максимизировать, чтобы увеличить максимальный кажущийся предел текучести. Независимо от того, является ли противоосаждающая добавка наносферой или поверхностно-активным веществом, ее добавление снижает плотность упаковки феррочастиц в активированном состоянии, тем самым уменьшая вязкость жидкости в включенном/активированном состоянии, что приводит к получению «более мягкой» активированной жидкости с более низкий максимальный кажущийся предел текучести. Хотя вязкость в рабочем состоянии («твердость» активированной жидкости) также является первостепенной проблемой для многих применений жидкостей MR, она является основным свойством жидкости для большинства коммерческих и промышленных применений, и поэтому при выборе необходимо найти компромисс. с учетом вязкости в открытом состоянии, максимального кажущегося напряжения текучести и скорости осаждения жидкости MR.
Жидкость MR используется в одном из трех основных режимов работы: режиме потока, режиме сдвига и режиме сжатия-потока. Эти режимы связаны соответственно с течением жидкости в результате градиента давления между двумя неподвижными пластинами; жидкость между двумя пластинами, движущимися относительно друг друга; и жидкость между двумя пластинами, движущимися в направлении, перпендикулярном их плоскостям. Во всех случаях магнитное поле перпендикулярно плоскостям пластин, чтобы ограничить движение жидкости в направлении, параллельном пластинам.
Применения этих различных режимов многочисленны. Режим потока можно использовать в демпферах и амортизаторах, используя управляемое движение, чтобы проталкивать жидкость через каналы, через которые приложено магнитное поле. Режим сдвига особенно полезен в сцеплениях и тормозах – в местах, где необходимо контролировать вращательное движение. С другой стороны, режим сжатия-потока наиболее подходит для приложений, контролирующих небольшие движения порядка миллиметра, но с участием больших сил. Этот конкретный режим потока до сих пор исследован меньше всего. В целом, между этими тремя режимами работы жидкости MR могут успешно применяться в широком спектре применений. Однако существуют некоторые ограничения, о которых здесь необходимо упомянуть.
Хотя интеллектуальные жидкости справедливо считаются имеющими множество потенциальных применений, их коммерческая осуществимость ограничена по следующим причинам:
Как уже упоминалось, коммерческие приложения существуют, но их будет по-прежнему мало, пока эти проблемы (особенно стоимость) не будут преодолены.
Исследования, опубликованные в конце 2000-х годов и изучающие эффект изменения соотношения сторон ферромагнитных частиц, показали несколько улучшений по сравнению с обычными MR-жидкостями. Жидкости на основе нанопроволок не обнаруживают седиментации после качественного наблюдения в течение трех месяцев. Это наблюдение было объяснено более низкой плотностью плотной упаковки из-за пониженной симметрии проволок по сравнению со сферами, а также структурно поддерживающей природой решетки нанопроволок, удерживаемой вместе остаточной намагниченностью. [6] [7] Кроме того, они демонстрируют другой диапазон загрузки частиц (обычно измеряемый либо в объемной, либо в весовой доле), чем обычные жидкости на основе сферы или эллипсоида. Обычные коммерческие жидкости имеют типичную загрузку от 30 до 90% масс., в то время как жидкости на основе нанопроволок имеют порог перколяции ~0,5% масс. (в зависимости от соотношения сторон). [8] Они также демонстрируют максимальную загрузку ~35% по весу, поскольку частицы с высоким аспектным соотношением демонстрируют больший исключенный объем на одну частицу, а также запутывание между частицами, когда они пытаются вращаться друг над другом, что приводит к наложению ограничения. высокой кажущейся вязкостью жидкостей в выключенном состоянии. Этот диапазон нагрузок предполагает возможность нового набора применений, которые, возможно, были невозможны с обычными жидкостями на основе сфер.
Новые исследования были сосредоточены на диморфных магнитореологических жидкостях, которые представляют собой обычные жидкости на основе сфер, в которых часть сфер, обычно от 2 до 8% по весу, заменена нанопроволоками. Эти жидкости демонстрируют гораздо более низкую скорость седиментации, чем обычные жидкости, но при этом демонстрируют такой же диапазон нагрузки, что и обычные коммерческие жидкости, что делает их также полезными в существующих приложениях с высокими силами, таких как демпфирование. Более того, они также демонстрируют улучшение кажущегося предела текучести на 10% при таком количестве замещения частиц. [9]
Еще одним способом повышения производительности магнитореологических жидкостей является приложение к ним давления. В частности, свойства по пределу текучести могут быть увеличены до десяти раз в режиме сдвига [10] и до пяти раз в режиме течения. [11] Мотивацией такого поведения является увеличение трения ферромагнитных частиц, как описано в полуэмпирической магнитотрибологической модели Чжана и др. Несмотря на то, что применение давления значительно улучшает поведение магнитореологических жидкостей, особое внимание необходимо уделять механической стойкости и химической совместимости используемой системы уплотнений.
Область применения МР-жидкостей обширна и расширяется с каждым развитием динамики жидкости.
Разрабатывались и продолжают разрабатываться магнитореологические демпферы различного применения. Эти демпферы в основном используются в тяжелой промышленности, например, для демпфирования тяжелых двигателей, демпфирования сиденья/кабины оператора в строительных машинах и т. д.
С 2006 года ученые-материаловеды и инженеры-механики сотрудничают в разработке автономных сейсмических демпферов, которые, будучи размещены в любом месте внутри здания, будут работать в пределах резонансной частоты здания , поглощая вредные ударные волны и колебания внутри конструкции, давая этим демпферам способность сделать любое здание сейсмостойким или хотя бы сейсмостойким. [12]
Технология жидкостей MR может применяться в высокотехнологичном вспомогательном оборудовании, имеющем гибкие крепления при обработке на станках с ЧПУ. Он может удерживать неровные поверхности и труднодоступные продукты. [13]
Исследовательский офис армии США в настоящее время финансирует исследования по использованию MR-жидкости для улучшения бронежилета. В 2003 году исследователи заявили, что до того, как сделать жидкостную пулю устойчивой, осталось от пяти до десяти лет. [14] Кроме того, в HMMWV и различных других вездеходах используются динамические амортизаторы и/или амортизаторы MR.
Магнитореологическая обработка , метод оптической полировки на основе магнитореологической жидкости, доказал свою высокую точность. Он использовался при создании корректирующей линзы космического телескопа Хаббл .
Если амортизаторы подвески автомобиля заполнены магнитореологической жидкостью вместо обычного масла или газа, а каналы, позволяющие демпфирующей жидкости течь между двумя камерами, окружены электромагнитами , вязкость жидкости и, следовательно, критическая частота демпфера может варьироваться в зависимости от предпочтений водителя или веса транспортного средства или может изменяться динамически, чтобы обеспечить контроль устойчивости в самых разных дорожных условиях. По сути, это магнитореологический демпфер . Например, система активной подвески MagneRide позволяет регулировать коэффициент демпфирования каждую миллисекунду в зависимости от условий. General Motors (в партнерстве с Delphi Corporation ) разработала эту технологию для автомобильной промышленности. Он дебютировал как в Cadillac (дата сборки Seville STS 15 января 2002 г. или после этой даты с RPO F55), так и в качестве «Magneride» (или «MR») и в легковых автомобилях Chevrolet (все Corvette , выпущенные с 2003 года, с кодом опции F55). как часть выбираемой водителем системы «Magnetic Selective Ride Control (MSRC)» в 2003 модельном году. Другие производители заплатили за ее использование в своих автомобилях, например, Audi и Ferrari предлагают MagneRide на различных моделях.
General Motors и другие автомобильные компании стремятся разработать систему сцепления на основе магнитореологической жидкости для кнопочных систем полного привода. Эта система сцепления будет использовать электромагниты для затвердевания жидкости, которая зафиксирует карданный вал в трансмиссии .
Компания Porsche представила магнитореологические опоры двигателя на Porsche GT3 и GT2 2010 года. На высоких оборотах двигателя магнитореологические опоры двигателя становятся жестче, обеспечивая более точное ощущение переключения передач за счет уменьшения относительного движения между силовой передачей и шасси/кузовом.
В сентябре 2007 года Acura (Honda) начала рекламную кампанию, подчеркивающую использование технологии MR в легковых автомобилях, выпущенных для модели MDX 2007 года.
Магнитореологические демпферы разрабатываются для использования в сиденьях кабин военных и коммерческих вертолетов в качестве устройств безопасности в случае крушения. [15] [16] Они будут использоваться для уменьшения ударной нагрузки на позвоночник пассажира, тем самым снижая уровень необратимых травм во время аварии.
Магнитореологические демпферы используются в полуактивных протезах ног человека. Подобно тем, которые используются в военных и коммерческих вертолетах, демпфер в протезной ноге уменьшает ударную нагрузку, воздействующую на ногу пациента, например, при прыжке. Это приводит к увеличению подвижности и маневренности пациента.
Компания XeelTech и лаборатория CK Materials Lab в Корее используют магнитореологическую жидкость для создания тактильной обратной связи своих поворотных переключателей HAPTICORE . Актуаторы MR в основном используются в качестве устройств ввода с адаптивной тактильной обратной связью, что открывает новые возможности в разработке пользовательского интерфейса . Технология HAPTICORE действует как миниатюрный тормоз MR. Изменяя магнитное поле, создаваемое небольшим электромагнитом внутри поворотной ручки, трение между внешней оболочкой и статором изменяется таким образом, что пользователь воспринимает эффект торможения как тактильную обратную связь.
Изменяя реологическое состояние жидкости почти в реальном времени, можно моделировать различные тактильные схемы механических поворотных ручек и кулачковых переключателей, такие как тики, сетки, барьеры или ограничения. Кроме того, также возможно генерировать новые формы тактильной обратной связи, такие как режимы тактильной обратной связи, адаптирующиеся к скорости и направлению. Эта технология используется, например, в HMI промышленного оборудования, бытовой техники или компьютерной периферии . [17]
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)