Un fluido magnetorreológico ( fluido MR o MRF ) es un tipo de fluido inteligente en un fluido portador, generalmente un tipo de aceite. Cuando se somete a un campo magnético , el fluido aumenta mucho su viscosidad aparente , hasta el punto de convertirse en un sólido viscoelástico . [1] Es importante destacar que el límite elástico del fluido cuando está en su estado activo ("encendido") se puede controlar con mucha precisión variando la intensidad del campo magnético. El resultado es que la capacidad del fluido para transmitir fuerza se puede controlar con un electroimán , lo que da lugar a muchas posibles aplicaciones basadas en el control.
El fluido MR es diferente de un ferrofluido que tiene partículas más pequeñas. Las partículas del fluido MR están principalmente en la escala micrométrica y son demasiado densas para que el movimiento browniano las mantenga suspendidas (en el fluido portador de menor densidad). Las partículas de ferrofluido son principalmente nanopartículas que quedan suspendidas por el movimiento browniano y, por lo general, no se asientan en condiciones normales. Como resultado, estos dos fluidos tienen aplicaciones muy diferentes.
Las partículas magnéticas, que normalmente son esferas o elipsoides de escala micrométrica o nanométrica , se suspenden dentro del aceite portador y se distribuyen aleatoriamente en suspensión en circunstancias normales, como se muestra a continuación.
Sin embargo, cuando se aplica un campo magnético, las partículas microscópicas (generalmente en el rango de 0,1 a 10 μm) se alinean a lo largo de las líneas de flujo magnético , [2] ver más abajo.
Para comprender y predecir el comportamiento del fluido MR es necesario modelarlo matemáticamente, una tarea ligeramente complicada por las diferentes propiedades del material (como el límite elástico ). Como se mencionó anteriormente, los fluidos inteligentes son tales que tienen una baja viscosidad en ausencia de un campo magnético aplicado, pero se vuelven casi sólidos con la aplicación de dicho campo. En el caso de los fluidos MR (y ER ), el fluido en realidad asume propiedades comparables a las de un sólido cuando está en el estado activado ("encendido"), hasta un punto de fluencia (el esfuerzo cortante por encima del cual se produce el corte). Este límite elástico (comúnmente conocido como límite elástico aparente) depende del campo magnético aplicado al fluido, pero alcanzará un punto máximo después del cual los aumentos en la densidad del flujo magnético no tendrán ningún efecto adicional, ya que el fluido se satura magnéticamente. Por tanto, el comportamiento de un fluido MR puede considerarse similar al de un plástico de Bingham , un modelo de material que ha sido bien investigado.
Sin embargo, el fluido MR no sigue exactamente las características de un plástico Bingham. Por ejemplo, por debajo del límite elástico (en el estado activado o "encendido"), el fluido se comporta como un material viscoelástico , con un módulo complejo que también se sabe que depende de la intensidad del campo magnético. También se sabe que los fluidos MR están sujetos a adelgazamiento por cizallamiento , por lo que la viscosidad por encima del rendimiento disminuye al aumentar la velocidad de cizallamiento. Además, el comportamiento de los fluidos MR cuando están en el estado "apagado" tampoco es newtoniano y depende de la temperatura; sin embargo, se desvía lo suficiente como para que el fluido se considere en última instancia como un plástico de Bingham para un análisis simple.
Así, nuestro modelo de comportamiento del fluido MR en el modo de corte se convierte en:
Donde = esfuerzo cortante; = límite elástico; = Intensidad del campo magnético = Viscosidad newtoniana; es el gradiente de velocidad en la dirección z.
La baja resistencia al corte ha sido la razón principal de la gama limitada de aplicaciones. En ausencia de presión externa, la resistencia máxima al corte es de aproximadamente 100 kPa. Si el fluido se comprime en la dirección del campo magnético y la tensión de compresión es de 2 MPa, la resistencia al corte aumenta a 1100 kPa. [3] Si las partículas magnéticas estándar se reemplazan por partículas magnéticas alargadas, la resistencia al corte también mejora. [4]
Las ferropartículas se sedimentan de la suspensión con el tiempo debido a la diferencia de densidad inherente entre las partículas y su fluido portador. La velocidad y el grado en que esto ocurre es uno de los principales atributos considerados en la industria al implementar o diseñar un dispositivo de RM. Los tensioactivos se utilizan normalmente para compensar este efecto, pero a costa de la saturación magnética del fluido y, por lo tanto, del límite elástico máximo exhibido en su estado activado.
Los fluidos de RM a menudo contienen tensioactivos que incluyen, entre otros: [5]
Estos tensioactivos sirven para disminuir la tasa de sedimentación de ferropartículas, cuya tasa alta es una característica desfavorable de los fluidos MR. El fluido MR ideal nunca se asentaría, pero desarrollar este fluido ideal es tan altamente improbable como desarrollar una máquina de movimiento perpetuo según nuestra comprensión actual de las leyes de la física. La sedimentación prolongada asistida por tensioactivos normalmente se logra de dos maneras: mediante la adición de tensioactivos y mediante la adición de nanopartículas ferromagnéticas esféricas. La adición de nanopartículas da como resultado que las partículas más grandes permanezcan suspendidas por más tiempo, ya que las nanopartículas que no se sedimentan interfieren con la sedimentación de las partículas más grandes a escala micrométrica debido al movimiento browniano . La adición de un tensioactivo permite que se formen micelas alrededor de las ferropartículas. Un surfactante tiene una cabeza polar y una cola apolar (o viceversa), una de las cuales se adsorbe en una ferropartícula, mientras que la cola apolar (o cabeza polar) sobresale del medio portador, formando una micela inversa o regular . respectivamente, alrededor de la partícula. Esto aumenta el diámetro efectivo de las partículas. La repulsión estérica evita entonces una fuerte aglomeración de las partículas en su estado sedimentado, lo que hace que la remezcla de fluidos (redispersión de partículas) se produzca mucho más rápido y con menos esfuerzo. Por ejemplo, los amortiguadores magnetorreológicos se remezclarán en un ciclo con un aditivo tensioactivo, pero es casi imposible remezclarlos sin ellos.
Si bien los tensioactivos son útiles para prolongar la velocidad de sedimentación en los fluidos MR, también resultan perjudiciales para las propiedades magnéticas del fluido (específicamente, la saturación magnética), que comúnmente es un parámetro que los usuarios desean maximizar para aumentar el límite elástico aparente máximo. Ya sea que el aditivo antisedimentación esté basado en nanoesferas o en un surfactante, su adición disminuye la densidad de empaquetamiento de las ferropartículas mientras están en su estado activado, disminuyendo así la viscosidad en estado/activado del fluido, lo que da como resultado un fluido activado "más suave" con un límite elástico máximo aparente más bajo. Si bien la viscosidad en estado (la "dureza" del fluido activado) también es una preocupación principal para muchas aplicaciones de fluidos MR, es una propiedad primaria del fluido para la mayoría de sus aplicaciones comerciales e industriales y, por lo tanto, se debe alcanzar un compromiso cuando considerando la viscosidad en estado, el límite elástico aparente máximo y la velocidad de sedimentación de un fluido MR.
Un fluido MR se utiliza en uno de los tres modos principales de operación, que son el modo de flujo, el modo de corte y el modo de flujo comprimido. Estos modos implican, respectivamente, que el fluido fluya como resultado del gradiente de presión entre dos placas estacionarias; fluido entre dos placas que se mueven entre sí; y fluido entre dos placas que se mueven en dirección perpendicular a sus planos. En todos los casos, el campo magnético es perpendicular a los planos de las placas, de modo que restringe el fluido en la dirección paralela a las placas.
Las aplicaciones de estos distintos modos son numerosas. El modo de flujo se puede utilizar en amortiguadores y amortiguadores, utilizando el movimiento a controlar para forzar el fluido a través de canales, a través de los cuales se aplica un campo magnético. El modo de corte es particularmente útil en embragues y frenos, en lugares donde se debe controlar el movimiento de rotación. El modo de flujo comprimido, por otro lado, es más adecuado para aplicaciones que controlan movimientos pequeños, del orden de milímetros, pero que implican grandes fuerzas. Este modo de flujo en particular ha sido el que menos se ha investigado hasta ahora. En general, entre estos tres modos de operación, los fluidos MR se pueden aplicar con éxito a una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, existen algunas limitaciones que es necesario mencionar aquí.
Aunque se considera, con razón, que los fluidos inteligentes tienen muchas aplicaciones potenciales, su viabilidad comercial está limitada por las siguientes razones:
Las aplicaciones comerciales existen, como se mencionó, pero seguirán siendo pocas hasta que se superen estos problemas (particularmente el costo).
Los estudios publicados a finales de la década de 2000 que exploran el efecto de variar la relación de aspecto de las partículas ferromagnéticas han mostrado varias mejoras con respecto a los fluidos MR convencionales. Los fluidos basados en nanocables no muestran sedimentación después de una observación cualitativa durante un período de tres meses. Esta observación se ha atribuido a una menor densidad de empaquetamiento debido a la disminución de la simetría de los cables en comparación con las esferas, así como a la naturaleza de soporte estructural de una red de nanocables mantenida unida por la magnetización remanente. [6] [7] Además, muestran un rango diferente de carga de partículas (normalmente medidas en volumen o fracción de peso) que los fluidos convencionales basados en esferas o elipsoides. Los fluidos comerciales convencionales exhiben una carga típica de 30 a 90 % en peso, mientras que los fluidos basados en nanocables muestran un umbral de percolación de ~0,5 % en peso (dependiendo de la relación de aspecto). [8] También muestran una carga máxima de ~35% en peso, ya que las partículas con una relación de aspecto alta exhiben un mayor volumen por partícula excluida, así como enredos entre partículas cuando intentan rotar de un extremo a otro, lo que resulta en un límite impuesto. por la alta viscosidad aparente fuera de estado de los fluidos. Este rango de cargas sugiere que es posible un nuevo conjunto de aplicaciones que quizás no hubieran sido posibles con los fluidos convencionales basados en esferas.
Los estudios más recientes se han centrado en fluidos magnetorreológicos dimórficos, que son fluidos convencionales basados en esferas en los que una fracción de las esferas, normalmente del 2 al 8% en peso, se reemplazan con nanocables. Estos fluidos exhiben una tasa de sedimentación mucho más baja que los fluidos convencionales, pero exhiben un rango de carga similar al de los fluidos comerciales convencionales, lo que los hace también útiles en aplicaciones existentes de alta fuerza, como la amortiguación. Además, también exhiben una mejora en el límite elástico aparente del 10% en esas cantidades de sustitución de partículas. [9]
Otra forma de aumentar el rendimiento de los fluidos magnetorreológicos es aplicarles presión. En particular, las propiedades en términos de límite elástico se pueden aumentar hasta diez veces en modo de corte [10] y hasta cinco veces en modo de flujo. [11] La motivación de este comportamiento es el aumento de la fricción de las partículas ferromagnéticas, como lo describe el modelo magneto-tribológico semiempírico de Zhang et al. Aunque la aplicación de presión mejora considerablemente el comportamiento de los fluidos magnetorreológicos, se debe prestar especial atención en términos de resistencia mecánica y compatibilidad química del sistema de sellado utilizado.
El conjunto de aplicaciones para fluidos MR es amplio y se expande con cada avance en la dinámica del fluido.
Se han desarrollado y se siguen desarrollando amortiguadores magnetorreológicos de diversas aplicaciones. Estos amortiguadores se utilizan principalmente en la industria pesada con aplicaciones como amortiguación de motores pesados, amortiguación de asientos/cabinas del operador en vehículos de construcción y más.
A partir de 2006, científicos de materiales e ingenieros mecánicos están colaborando para desarrollar amortiguadores sísmicos independientes que, cuando se colocan en cualquier lugar dentro de un edificio, operarán dentro de la frecuencia de resonancia del edificio, absorbiendo ondas de choque y oscilaciones perjudiciales dentro de la estructura, dando a estos amortiguadores la capacidad. hacer cualquier edificio a prueba de terremotos, o al menos resistente a los terremotos. [12]
La tecnología de MR fluids se puede aplicar entre equipos auxiliares de alta gama que tienen accesorios flexibles en el mecanizado CNC. Puede sujetar superficies irregulares y productos de difícil agarre. [13]
La Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. está financiando actualmente investigaciones sobre el uso de fluido MR para mejorar la armadura corporal. En 2003, los investigadores afirmaron que faltaban entre cinco y diez años para lograr que el fluido fuera resistente a las balas. [14] Además, los HMMWV y varios otros vehículos todo terreno emplean amortiguadores y/o amortiguadores dinámicos MR.
El acabado magnetorreológico , un método de pulido óptico basado en fluidos magnetorreológicos, ha demostrado ser muy preciso. Se utilizó en la construcción de la lente correctiva del Telescopio Espacial Hubble .
Si los amortiguadores de la suspensión de un vehículo están llenos de fluido magnetorreológico en lugar de aceite o gas simple, y los canales que permiten que el fluido amortiguador fluya entre las dos cámaras están rodeados de electroimanes , la viscosidad del fluido y, por tanto, el valor crítico La frecuencia del amortiguador puede variarse según las preferencias del conductor o el peso que transporta el vehículo, o puede variarse dinámicamente para proporcionar control de estabilidad en condiciones de carretera muy diferentes. En realidad, se trata de un amortiguador magnetorreológico . Por ejemplo, el sistema de suspensión activa MagneRide permite ajustar el factor de amortiguación una vez cada milisegundo en respuesta a las condiciones. General Motors (en asociación con Delphi Corporation ) ha desarrollado esta tecnología para aplicaciones automotrices. Hizo su debut tanto en Cadillac (fecha de construcción del Sevilla STS el 15/1/2002 o después con RPO F55) como vehículos de pasajeros "Magneride" (o "MR") como Chevrolet (todos los Corvettes fabricados desde 2003 con el código de opción F55) como parte del sistema "Magnetic Selective Ride Control (MSRC)" seleccionable por el conductor en el año modelo 2003. Otros fabricantes han pagado por su uso en sus propios vehículos, por ejemplo, Audi y Ferrari ofrecen MagneRide en varios modelos.
General Motors y otras empresas automotrices están buscando desarrollar un sistema de embrague basado en fluido magnetorreológico para sistemas de tracción en las cuatro ruedas con botón pulsador. Este sistema de embrague utilizaría electroimanes para solidificar el fluido que bloquearía el eje de transmisión en el tren de transmisión .
Porsche ha introducido soportes de motor magnetorreológicos en los Porsche GT3 y GT2 2010. A altas revoluciones del motor, los soportes magnetorreológicos del motor se vuelven más rígidos para proporcionar una sensación más precisa en la palanca de cambios al reducir el movimiento relativo entre el tren de potencia y el chasis/carrocería.
En septiembre de 2007, Acura (Honda) comenzó una campaña publicitaria destacando su uso de tecnología MR en vehículos de pasajeros fabricados para el año modelo MDX 2007.
Se están desarrollando amortiguadores magnetorreológicos para su uso en asientos de cabina de helicópteros militares y comerciales, como dispositivos de seguridad en caso de accidente. [15] [16] Se utilizarían para disminuir el impacto administrado a la columna vertebral de un pasajero, disminuyendo así la tasa de lesiones permanentes durante un accidente.
Los amortiguadores magnetorreológicos se utilizan en prótesis de piernas humanas semiactivas. Al igual que los utilizados en helicópteros militares y comerciales, un amortiguador en la pierna protésica reduce el impacto que recibe la pierna del paciente al saltar, por ejemplo. Esto da como resultado una mayor movilidad y agilidad para el paciente.
La empresa XeelTech y CK Materials Lab en Corea utilizan fluido magnetorreológico para generar la retroalimentación háptica de sus interruptores giratorios HAPTICORE . Los actuadores MR se utilizan principalmente como dispositivos de entrada con retroalimentación háptica adaptativa para permitir nuevas posibilidades en el diseño de la interfaz de usuario . La tecnología HAPTICORE funciona como un freno MR en miniatura. Al cambiar el campo magnético creado por un pequeño electroimán dentro del botón giratorio, la fricción entre la carcasa exterior y el estator se modifica de tal manera que el usuario percibe el efecto de frenado como retroalimentación háptica.
Al modificar el estado reológico del fluido casi en tiempo real, se pueden simular una variedad de patrones hápticos de perillas giratorias mecánicas y interruptores de levas , como tics, rejillas y barreras o límites. Además, también es posible generar nuevas formas de retroalimentación háptica, como modos de retroalimentación háptica que se adaptan a la velocidad y que dependen de la dirección. Esta tecnología se utiliza, por ejemplo, en HMI de equipos industriales, electrodomésticos o periféricos de ordenador . [17]
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