Los fluidos electrorreológicos ( ER ) son suspensiones de partículas extremadamente finas no conductoras pero eléctricamente activas (hasta 50 micrómetros de diámetro) en un fluido eléctricamente aislante . La viscosidad aparente de estos fluidos cambia reversiblemente en un orden de hasta 100.000 en respuesta a un campo eléctrico . Por ejemplo, un fluido ER típico puede pasar de la consistencia de un líquido a la de un gel , y viceversa, con tiempos de respuesta del orden de milisegundos . [1] El efecto a veces se denomina efecto Winslow en honor a su descubridor, el inventor estadounidense Willis Winslow, quien obtuvo una patente estadounidense sobre el efecto en 1947 [2] y escribió un artículo publicado en 1949. [3]
El cambio en la viscosidad aparente depende del campo eléctrico aplicado , es decir, el potencial dividido por la distancia entre las placas. El cambio no es un simple cambio en la viscosidad , por lo que estos fluidos ahora se conocen como fluidos ER, en lugar del término antiguo fluidos electroviscosos. El efecto se describe mejor como una tensión de fluencia de corte dependiente del campo eléctrico . Cuando se activa, un fluido ER se comporta como un plástico de Bingham (un tipo de material viscoelástico ), con un punto de fluencia que está determinado por la intensidad del campo eléctrico. Una vez alcanzado el punto de fluencia, el fluido se corta como un fluido , es decir, la tensión de corte incremental es proporcional a la velocidad de corte (en un fluido newtoniano no hay punto de fluencia y la tensión es directamente proporcional al corte). Por lo tanto, la resistencia al movimiento del fluido se puede controlar ajustando el campo eléctrico aplicado.
Los fluidos ER son un tipo de fluido inteligente . Se puede preparar un fluido ER simple mezclando harina de maíz en un aceite vegetal ligero o (mejor) aceite de silicona .
Existen dos teorías principales para explicar este efecto: la teoría de la tensión interfacial o "puente de agua" [4] y la teoría electrostática . La teoría del puente de agua supone un sistema trifásico, las partículas contienen una tercera fase que es otro líquido (p. ej. agua) inmiscible con el líquido de la fase principal (p. ej. aceite). Sin un campo eléctrico aplicado, la tercera fase es fuertemente atraída y retenida dentro de las partículas. Esto significa que el fluido ER es una suspensión de partículas que se comporta como un líquido. Cuando se aplica un campo eléctrico, la tercera fase es impulsada hacia un lado de las partículas por electroósmosis y une las partículas adyacentes para formar cadenas. Esta estructura de cadena significa que el fluido ER se ha convertido en un sólido. La teoría electrostática supone solo un sistema bifásico, con partículas dieléctricas que forman cadenas alineadas con un campo eléctrico de manera análoga a cómo funcionan los fluidos magnetorreológicos (MR). Se ha construido un fluido ER con la fase sólida hecha de un conductor recubierto de un aislante [5] . Este fluido ER claramente no puede funcionar según el modelo de puente de agua. Sin embargo, aunque se demuestra que algunos fluidos ER funcionan por efecto electrostático, no prueba que todos los fluidos ER lo hagan. La ventaja de tener un fluido ER que funciona por efecto electrostático es la eliminación de la corriente de fuga, es decir, potencialmente no hay corriente continua . Por supuesto, como los dispositivos ER se comportan eléctricamente como condensadores , y la principal ventaja del efecto ER es la velocidad de respuesta, es de esperar una corriente alterna .
Las partículas son eléctricamente activas. Pueden ser ferroeléctricas o, como se mencionó anteriormente, estar hechas de un material conductor recubierto con un aislante , o partículas electroosmóticamente activas. En el caso de material ferroeléctrico o conductor, las partículas tendrían una constante dieléctrica alta . Puede haber cierta confusión aquí en cuanto a la constante dieléctrica de un conductor , pero "si un material con una constante dieléctrica alta se coloca en un campo eléctrico, la magnitud de ese campo se reducirá mensurablemente dentro del volumen del dieléctrico" (ver página principal: Constante dieléctrica ), y dado que el campo eléctrico es cero en un conductor ideal, entonces en este contexto la constante dieléctrica de un conductor es infinita.
Otro factor que influye en el efecto ER es la geometría de los electrodos . La introducción de electrodos ranurados paralelos mostró un ligero aumento en el efecto ER, pero los electrodos ranurados perpendiculares [ aclaración necesaria ] duplicaron el efecto ER. [6] Se puede obtener un aumento mucho mayor en el efecto ER recubriendo los electrodos con materiales eléctricamente polarizables. Esto convierte la desventaja habitual de la dielectroforesis en un efecto útil. También tiene el efecto de reducir las corrientes de fuga en el fluido ER. [7]
El fluido electrorreológico gigante (GER) fue descubierto en 2003, [8] y es capaz de mantener mayores límites de fluencia que muchos otros fluidos ER. El fluido GER consiste en nanopartículas recubiertas de urea de oxalato de titanio y bario suspendidas en aceite de silicona . El alto límite de fluencia se debe a la alta constante dieléctrica de las partículas, el pequeño tamaño de las partículas y el recubrimiento de urea . Otra ventaja del GER es que la relación entre la intensidad del campo eléctrico y el límite de fluencia es lineal después de que el campo eléctrico alcanza 1 kV/mm. El GER es un fluido de alto límite de fluencia, pero de baja intensidad de campo eléctrico y baja densidad de corriente en comparación con muchos otros fluidos ER. El procedimiento para la preparación de la suspensión se da en. [8] La principal preocupación es el uso de ácido oxálico para la preparación de las partículas, ya que es un ácido orgánico fuerte .
La aplicación normal de los fluidos ER es en válvulas hidráulicas de acción rápida [9] y embragues , con una separación entre placas del orden de 1 mm y un potencial aplicado del orden de 1 kV. En términos simples, cuando se aplica el campo eléctrico, una válvula hidráulica ER se cierra o las placas de un embrague ER se bloquean juntas, cuando se elimina el campo eléctrico, la válvula hidráulica ER se abre o las placas del embrague se desacoplan. Otras aplicaciones comunes son en frenos ER [10] (piense en un freno como un embrague con un lado fijo) y amortiguadores [11] (que pueden considerarse como sistemas hidráulicos cerrados donde el amortiguador se usa para intentar bombear fluido a través de una válvula).
Estos fluidos tienen muchos usos novedosos, entre ellos, el pulido abrasivo de precisión [12] y los controladores hápticos y las pantallas táctiles [13] .
También se ha propuesto que el fluido ER tenga aplicaciones potenciales en electrónica flexible , con el fluido incorporado en elementos tales como pantallas enrollables y teclados, en los que las cualidades de cambio de viscosidad del fluido permiten que los elementos enrollables se vuelvan rígidos para su uso y flexibles para enrollarse y retraerse para almacenarse cuando no se utilizan. Motorola presentó una solicitud de patente para aplicaciones de dispositivos móviles en 2006. [14]
Un problema importante es que los fluidos ER son suspensiones, por lo que con el tiempo tienden a sedimentarse, por lo que los fluidos ER avanzados abordan este problema por medios como la combinación de las densidades de los componentes sólidos y líquidos, o mediante el uso de nanopartículas, lo que pone a los fluidos ER en línea con el desarrollo de fluidos magnetorreológicos . Otro problema es que el voltaje de ruptura del aire es de ~ 3 kV/mm, que está cerca del campo eléctrico necesario para que funcionen los dispositivos ER.
Una ventaja de un dispositivo ER es que puede controlar una potencia mecánica considerablemente mayor que la potencia eléctrica utilizada para controlar el efecto, es decir, puede actuar como un amplificador de potencia. Pero la principal ventaja es la velocidad de respuesta. Hay pocos efectos capaces de controlar cantidades tan grandes de potencia mecánica o hidráulica con tanta rapidez.
Desafortunadamente, el aumento de la viscosidad aparente que experimentan la mayoría de los fluidos electrorreológicos utilizados en los modos de flujo o cizallamiento es relativamente limitado. El fluido ER cambia de un líquido newtoniano a un "lodo semiduro" parcialmente cristalino. Sin embargo, se puede obtener un cambio de fase de líquido a sólido casi completo cuando el fluido electrorreológico experimenta además una tensión de compresión. [15] Este efecto se ha utilizado para proporcionar pantallas Braille electrorreológicas [16] y embragues muy efectivos. [17]