Магнитореологическая жидкость - Magnetorheological fluid

Схема магнитореологической жидкости, затвердевающей и блокирующей трубу в ответ на внешнее магнитное поле. (Доступна анимированная версия. )

А магнитореологическая жидкость (MR жидкость, или же MRF) является разновидностью умная жидкость в жидкости-носителе, обычно в виде масла. При воздействии магнитное поле, жидкость значительно увеличивает кажущаяся вязкость, чтобы стать вязкоупругий твердый. Важно отметить, что предел текучести жидкости в ее активном («включенном») состоянии можно очень точно контролировать, изменяя напряженность магнитного поля. В результате способность жидкости передавать силу можно контролировать с помощью электромагнит, что приводит к появлению множества возможных приложений на основе управления. Обширные обсуждения физики и приложений МР-жидкостей можно найти в недавней книге.^[1]

MR жидкость отличается от феррожидкость который имеет более мелкие частицы. Частицы жидкости MR в основном находятся на микрометр -масштаб и тоже плотный за Броуновское движение чтобы удерживать их во взвешенном состоянии (в жидкости-носителе более низкой плотности). Частицы феррожидкости в первую очередь наночастицы которые приостановлены броуновским движением и обычно не оседают при нормальных условиях. В результате эти две жидкости имеют очень разные применения.

Как это устроено

Магнитные частицы, которые обычно микрометр или же нанометр масштабные сферы или эллипсоиды подвешены в масле-носителе и случайным образом распределены в суспензии при нормальных условиях, как показано ниже.

Однако при приложении магнитного поля микроскопические частицы (обычно в диапазоне 0,1–10 мкм) выстраиваются вдоль линий магнитный поток,^[2] Смотри ниже.

Материальное поведение

Чтобы понять и спрогнозировать поведение жидкости MR, необходимо смоделировать жидкость математически, что немного усложняется из-за различных свойств материала (например, предел текучести ). Как упоминалось выше, интеллектуальные 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, когда находится в активированном ("включенном") состоянии, вплоть до точки текучести ( напряжение 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 увеличивается плотность магнитного потока не имеют дальнейшего эффекта, так как жидкость тогда магнитно насыщается. Таким образом, поведение MR жидкости можно рассматривать как аналогичное Бингем пластик, материальная модель, которая хорошо исследована.

Однако жидкость MR не совсем соответствует характеристикам пластика Bingham. Например, ниже предела текучести (в активированном или "включенном" состоянии) жидкость ведет себя как вязкоупругий материал, с комплексный модуль это также известно, что зависит от напряженности магнитного поля. Жидкости для МРТ также подвержены истончение сдвига, в результате чего вязкость выше текучести уменьшается с увеличением скорости сдвига. Кроме того, поведение жидкостей MR в выключенном состоянии также неньютоновский и зависит от температуры, однако он отклоняется достаточно мало, чтобы жидкость в конечном итоге можно было рассматривать как пластик Бингема для простого анализа.

Таким образом, наша модель поведения жидкости MR в режиме сдвига становится:

${ displaystyle tau = tau _ {y} (H) + eta { frac {dv} {dz}}, tau> tau _ {y}}$

Где ${ Displaystyle тау}$ = напряжение сдвига; ${ displaystyle tau _ {y}}$ = предел текучести; ${ displaystyle H}$ = Напряженность магнитного поля ${ displaystyle eta}$ = Ньютоновская вязкость; ${ displaystyle { frac {dv} {dz}}}$ - градиент скорости в z-направлении.

Прочность на сдвиг

Низкий прочность на сдвиг был основной причиной ограниченного диапазона приложений. В отсутствие внешнего давления максимальная прочность на сдвиг составляет около 100 кПа. Если жидкость сжимается в направлении магнитного поля и сжимающее напряжение 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]

Осаждение частиц

Феррочастицы со временем осаждаются из суспензии из-за разницы в плотности между частицами и их жидкостью-носителем. Скорость и степень, в которой это происходит, являются одним из основных атрибутов, которые учитываются в промышленности при реализации или проектировании устройства MR. Поверхностно-активные вещества обычно используются для компенсации этого эффекта, но за счет магнитного насыщения жидкости и, следовательно, максимального напряжения текучести, проявляемого в активированном состоянии.

Обычные поверхностно-активные вещества MR жидкости

Жидкости для МРТ часто содержат поверхностно-активные вещества в том числе, но не ограничиваются:^[5]

• олеиновая кислота
• гидроксид тетраметиламмония
• лимонная кислота
• соевый лецитин

Эти поверхностно-активные вещества служат для уменьшения скорости осаждения феррочастиц, высокая скорость которой является неблагоприятной характеристикой жидкостей MR. Идеальная жидкость для МРТ никогда не осядет, но разработка этой идеальной жидкости так же маловероятна, как и разработка вечный двигатель согласно нашему нынешнему пониманию законов физики. Длительное 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 неоседающие наночастицы мешают осаждению более крупных частиц микрометрового размера из-за Броуновское движение. Добавление поверхностно-активного вещества позволяет мицеллы образовываться вокруг феррочастиц. Поверхностно-активное вещество имеет полярный голова и неполярный хвост (или наоборот), один из которых адсорбирует к феррочастице, в то время как неполярный хвост (или полярная головка) торчит в несущую среду, образуя обратный или регулярный мицелла соответственно вокруг частицы. Это увеличивает эффективный диаметр частиц. Стерический отталкивание затем предотвращает сильную агломерацию частиц в их осажденном состоянии, что заставляет повторное смешивание жидкости (редиспергирование частиц) происходить намного быстрее и с меньшими усилиями. Например, магнитореологические демпферы будет повторно смешиваться в течение одного цикла с добавкой поверхностно-активного вещества, но без них практически невозможно сделать повторное смешивание.

Хотя поверхностно-активные вещества полезны для увеличения скорости осаждения в жидкостях MR, они также оказывают вредное влияние на магнитные свойства жидкости (в частности, магнитное насыщение), что обычно является параметром, который пользователи хотят максимизировать, чтобы увеличить максимальный кажущийся предел текучести. Независимо от того, является ли добавка, препятствующая осаждению, на основе наносфер или на основе поверхностно-активного вещества, их добавление снижает плотность упаковки феррочастиц в активированном состоянии, тем самым уменьшая текучую среду в активном состоянии / активированную вязкость, в результате чего получается «более мягкая» активированная жидкость с более низкий максимальный кажущийся предел текучести. В то время как вязкость в открытом состоянии («твердость» активированной жидкости) также является основной проблемой для многих применений жидкостей MR, это основное свойство жидкости для большинства их коммерческих и промышленных применений, и поэтому необходимо найти компромисс, когда учитывая вязкость в рабочем состоянии, максимальное кажущееся напряжение текучести и скорость осаждения жидкости MR.

Режимы работы и приложения

Жидкость MR используется в одном из трех основных режимов работы, это режим потока, режим сдвига и режим сжатия-потока. Эти режимы включают, соответственно, течение жидкости в результате градиента давления между двумя неподвижными пластинами; жидкость между двумя пластинами, движущимися относительно друг друга; и жидкость между двумя пластинами, движущаяся в направлении, перпендикулярном их плоскостям. Во всех случаях магнитное поле перпендикулярно плоскостям пластин, чтобы ограничить поток жидкости в направлении, параллельном пластинам.

Режим потока (он же режим клапана)

Режим сдвига

Режим сжатия-потока

Применения этих различных режимов многочисленны. Режим потока можно использовать в амортизаторах и амортизаторах, используя управляемое движение для проталкивания жидкости через каналы, через которые прикладывается 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, управляющих небольшими перемещениями миллиметрового порядка, но с большими силами. Этот конкретный режим потока пока изучен меньше всего. В целом, между этими тремя режимами работы MR жидкости могут успешно применяться в широком спектре приложений. Однако существуют некоторые ограничения, о которых необходимо упомянуть здесь.

Ограничения

Хотя интеллектуальные жидкости справедливо считаются имеющими множество потенциальных применений, их коммерческая осуществимость ограничена по следующим причинам:

• Высокая плотность из-за наличия утюг, делает их тяжелыми. Однако операционные объемы небольшие, поэтому, хотя это проблема, она не является непреодолимой.
• Качественные жидкости стоят дорого.
• Жидкости могут загустеть после длительного использования и требуют замены.
• Оседание ферро-частиц может быть проблемой для некоторых приложений.
• Не может работать при очень высоких / низких температурах

Как уже упоминалось, коммерческие приложения существуют, но их будет немного, пока эти проблемы (особенно стоимость) не будут преодолены.

Успехи 2000-х

Исследования, опубликованные начиная с конца 2000-х годов, изучают влияние изменения соотношение сторон ферромагнитных частиц показали несколько улучшений по сравнению с обычными жидкостями MR. Жидкости на основе нанопроволок не показывают седиментации после качественного наблюдения в течение трех месяцев. Это наблюдение было приписано более низкой плотности плотной упаковки из-за пониженной симметрии проволок по сравнению со сферами, а также структурно поддерживающей природы решетки нанопроволок, удерживаемой вместе за счет остаточной намагниченности.^[6][7] Кроме того, они показывают другой диапазон загрузки частиц (обычно измеряемый либо в объеме, либо в массовой доле), чем обычные жидкости на основе сфер или эллипсоидов. Обычные промышленные жидкости имеют типичную загрузку от 30 до 90 мас.%, В то время как жидкости на основе нанопроволоки демонстрируют порог перколяции ~ 0,5 мас.% (в зависимости от соотношения сторон).^[8] Они также показывают максимальную загрузку ~ 35 мас.%, Так как частицы с высоким коэффициентом формы демонстрируют больший исключенный объем на одну частицу, а также спутывание между частицами, когда они пытаются вращаться из стороны в сторону, что приводит к ограничению, налагаемому высоким вылетом. -состояние кажущейся вязкости жидкостей. Этот диапазон нагрузок предполагает, что возможен новый набор приложений, которые, возможно, были невозможны с обычными сферическими жидкостями.

Более 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 мас.%, Заменена нанопроволокой. Эти жидкости демонстрируют гораздо более низкую скорость осаждения, чем обычные жидкости, но демонстрируют такой же диапазон нагрузки, что и обычные коммерческие жидкости, что делает их также полезными в существующих приложениях с высокими усилиями, таких как демпфирование. Более того, они также демонстрируют улучшение кажущегося предела текучести на 10% при таком количестве замещения частиц.^[9]

Еще один способ улучшить характеристики магнитореологических жидкостей - приложить к ним давление. В частности, свойства предела текучести могут быть увеличены до десяти раз в режиме сдвига.^[10] и до пяти раз больше в проточном режиме.^[11] Мотивацией такого поведения является увеличение трения ферромагнитных частиц, как описано в полуэмпирической магнито-трибологической модели Zhang et al. Несмотря на то, что приложение давления сильно улучшает поведение магнитореологических жидкостей, особое внимание следует уделять механической стойкости и химической совместимости используемой системы уплотнения.

Приложения

Набор приложений для жидкостей MR обширен, и он расширяется с каждым прогрессом в динамике жидкости.

Машиностроение

Магнитореологические демпферы различных приложений были и продолжают развиваться. Эти амортизаторы в основном используются в тяжелой промышленности с такими приложениями, как амортизация тяжелых двигателей, амортизация сиденья оператора / кабины в строительных транспортных средствах и т. Д.

С 2006 г. материаловеды и инженеры-механики совместно разрабатывают автономные сейсмический демпферы, которые при размещении в любом месте здания будут работать в пределах здания резонансная частота, поглощая вредные ударные волны и колебания внутри конструкции, что дает этим амортизаторам возможность сделать любое здание сейсмоустойчивым или, по крайней мере, сейсмоустойчивым.^[12]

Военные и оборона

Исследовательское бюро армии США в настоящее время финансирует исследования по использованию жидкости MR для улучшения бронежилетов. В 2003 году исследователи заявили, что до того, как сделать эту пулю стойкой, осталось пять-десять лет.^[13] Кроме того, HMMWV и различные другие вездеходы используют динамические амортизаторы MR и / или амортизаторы.

Оптика

Магнитореологическая отделка, метод оптической полировки на основе магнитореологической жидкости, оказался очень точным. Он был использован при строительстве Космический телескоп Хаббла Корректирующая линза.

Автомобильная промышленность

Если амортизаторы транспортного средства приостановка заполнены магнитореологической жидкостью вместо простой нефти или газа, а каналы, которые позволяют демпфирующей жидкости течь между двумя камерами, окружены электромагниты, вязкость жидкости и, следовательно, критическая частота демпфер, может варьироваться в зависимости от предпочтений водителя или веса транспортного средства - или может изменяться динамически для обеспечения контроля устойчивости в самых разных дорожных условиях. По сути, это магнитореологический демпфер. Например, MagneRide активная подвеска Система позволяет регулировать коэффициент демпфирования каждую миллисекунду в зависимости от условий. Дженерал Моторс (в партнерстве с Корпорация Delphi ) разработал эту технологию для автомобильных приложений. Он дебютировал как в Cadillac (дата сборки Seville STS с RPO F55 не ранее 15 января 2002 г.) как «Magneride» (или «MR»), так и в легковых автомобилях Chevrolet (все Корветы производится с 2003 года с кодом опции F55) как часть выбираемой водителем системы "Magnetic Selective Ride Control (MSRC)" в модельном году 2003. Другие производители заплатили за его 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 заблокирует карданный вал в привод.

Порше представила магнитореологические опоры двигателя в Porsche GT3 и GT2 2010 года. При высоких оборотах двигателя магнитореологические опоры двигателя становятся более жесткими, чтобы обеспечить более точное ощущение переключения коробки передач за счет уменьшения относительного движения между силовой передачей и шасси / кузовом.

С сентября 2007 года компания Acura (Honda) начала рекламную кампанию, посвященную использованию технологии MR в легковых автомобилях, изготовленных для 2007 модельного года MDX.

Аэрокосмическая промышленность

Магнитореологические амортизаторы разрабатываются для использования в сиденьях кабины военных и коммерческих вертолетов в качестве устройств безопасности в случае аварии.^[14][15] Они будут использоваться для уменьшения удара, оказываемого на позвоночник пассажира, тем самым снижая вероятность необратимых травм во время аварии.

Протез человека

Магнитореологические демпферы используются в полуактивных протезах ног человека. Как и те, которые используются в военных и коммерческих вертолетах, демпфер в протезе ноги снижает удар, оказываемый, например, на ногу пациента при прыжках. Это приводит к повышенной подвижности и маневренности пациента.

Смотрите также

• Умная жидкость
• Феррожидкость
• Электрореологическая жидкость
• Реология
• Реометрия

Рекомендации

Примечания

Источники

• Р. Тао, редактор (2011). Электро-реологические жидкости и магнитореологические суспензии: Материалы 12-й Международной конференции. World Scientific. ISBN  978-9814340229.
• Чунлинь Мяо и др., "Магнитореологический жидкий шаблон для фундаментальных исследований механико-химических эффектов во время полировки", Proceedings of SPIE, Vol. 6671 стр. 667110 (2007), аннотация и полный текст (pdf)
• Stanway, R - Умные жидкости: текущие и будущие разработки. Материаловедение и технология, 20, стр. 931–939, 2004 г.
• Веселый, М. Р.; Бендер Дж. У. и Карлсон Д. Дж. - Свойства и применение коммерческих магнитореологических жидкостей. 5-й ежегодный международный симпозиум SPIE по интеллектуальным конструкциям и материалам, 1998 г.

внешняя ссылка

• Некоторые статьи MRF в свободном доступе
• Эксперименты с магнитореологическими жидкостями - Инструкции по приготовлению
• Howstuffworks.com жидкий бронежилет
• Умные структуры Howstuffworks.com