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 en gran medida su viscosidad aparente , hasta el punto de convertirse en un sólido viscoelástico . [1] Es importante destacar que la tensión de fluencia 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 sus 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 se encuentran 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 del ferrofluido son principalmente nanopartículas que se suspenden mediante 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 , están suspendidas 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 propiedades variables del material (como el límite elástico ). Como se mencionó anteriormente, los fluidos inteligentes son tales que tienen una viscosidad baja en ausencia de un campo magnético aplicado, pero se vuelven cuasi sólidos con la aplicación de dicho campo. En el caso de los fluidos MR (y ER ), el fluido realmente asume propiedades comparables a un sólido cuando está en el estado activado ("encendido"), hasta un punto de fluencia (el esfuerzo cortante por encima del cual se produce el cizallamiento). 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 de flujo magnético no tienen más efecto, ya que el fluido está entonces saturado magnéticamente. El comportamiento de un fluido MR puede considerarse similar a 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 de 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 la reducción por cizallamiento , por lo que la viscosidad por encima del límite elástico disminuye con el aumento de la velocidad de cizallamiento. Además, el comportamiento de los fluidos MR cuando están en el estado "apagado" también es no newtoniano y depende de la temperatura, sin embargo, se desvía lo suficiente como para que el fluido sea considerado en última instancia como un plástico de Bingham para un análisis simple.
De esta forma nuestro modelo del comportamiento del fluido MR en el modo de corte se convierte en:
Donde = esfuerzo cortante; = esfuerzo de fluencia; = 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 al corte máxima 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 atributos principales que se tienen en cuenta en la industria al implementar o diseñar un dispositivo de RM. Los surfactantes se utilizan normalmente para compensar este efecto, pero a costa de la saturación magnética del fluido y, por lo tanto, de la tensión de fluencia máxima que se muestra en su estado activado.
Los fluidos de RM a menudo contienen surfactantes que incluyen, entre otros: [5]
Estos surfactantes sirven para disminuir la tasa de sedimentación de las ferropartículas, cuya alta tasa es una característica desfavorable de los fluidos MR. El fluido MR ideal nunca sedimentaría, pero desarrollar este fluido ideal es tan altamente improbable como desarrollar una máquina de movimiento perpetuo según nuestro conocimiento actual de las leyes de la física. La sedimentación prolongada asistida por surfactantes se logra típicamente de una de dos maneras: mediante la adición de surfactantes y mediante la adición de nanopartículas ferromagnéticas esféricas. La adición de las nanopartículas da como resultado que las partículas más grandes permanezcan suspendidas durante más tiempo ya que las nanopartículas que no sedimentan interfieren con la sedimentación de las partículas más grandes a escala micrométrica debido al movimiento browniano . La adición de un surfactante permite que se formen micelas alrededor de las ferropartículas. Un surfactante tiene una cabeza polar y una cola no polar (o viceversa), una de las cuales se adsorbe a una ferropartícula, mientras que la cola no polar (o cabeza polar) sobresale en el medio portador, formando una micela inversa o regular , respectivamente, alrededor de la partícula. Esto aumenta el diámetro efectivo de la partícula. La repulsión estérica evita entonces la aglomeración pesada de las partículas en su estado sedimentado, lo que hace que la remezcla de fluidos (redispersión de partículas) ocurra mucho más rápido y con menos esfuerzo. Por ejemplo, los amortiguadores magnetorreológicos se remezclarán dentro de un ciclo con un aditivo surfactante, pero son casi imposibles de remezclar sin ellos.
Si bien los surfactantes son útiles para prolongar la velocidad de sedimentación en fluidos MR, también resultan perjudiciales para las propiedades magnéticas del fluido (específicamente, la saturación magnética), que es comúnmente un parámetro que los usuarios desean maximizar para aumentar la tensión de fluencia aparente máxima. Ya sea que el aditivo antisedimentación esté basado en nanoesferas o en surfactante, su adición disminuye la densidad de empaquetamiento de las ferropartículas mientras están en su estado activado, disminuyendo así la viscosidad en estado activo/activada de los fluidos, lo que da como resultado un fluido activado "más blando" con una tensión de fluencia aparente máxima más baja. Si bien la viscosidad en estado activo (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 al considerar la viscosidad en estado activo, la tensión de fluencia aparente máxima y la velocidad de sedimentación de un fluido MR.
Un fluido MR se utiliza en uno de los tres modos de funcionamiento principales, que son el modo de flujo, el modo de corte y el modo de flujo por compresión. Estos modos implican, respectivamente, el flujo de fluido como resultado del gradiente de presión entre dos placas estacionarias; el fluido entre dos placas que se mueven una con respecto a la otra; y el fluido entre dos placas que se mueven en la dirección perpendicular a sus planos. En todos los casos, el campo magnético es perpendicular a los planos de las placas, de modo de restringir el fluido en la dirección paralela a las placas.
Las aplicaciones de estos diversos modos son numerosas. El modo de flujo se puede utilizar en amortiguadores y amortiguadores, utilizando el movimiento que se desea 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 de compresión, por otro lado, es más adecuado para aplicaciones que controlan movimientos pequeños, de orden milimétrico, pero que involucran grandes fuerzas. Este modo de flujo en particular ha sido objeto de menos investigación 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 es limitada por las siguientes razones:
Existen aplicaciones comerciales, como se mencionó, pero seguirán siendo pocas hasta que se superen estos problemas (en particular 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 demostrado 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 estructuralmente de soporte de una red de nanocables unida por magnetización remanente. [6] [7] Además, muestran un rango diferente de carga de partículas (normalmente medida 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 presentan un mayor volumen excluido por partícula, así como enredos entre partículas a medida que intentan rotar de un extremo a otro, lo que da como resultado 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 podrían no haber sido posibles con los fluidos convencionales basados en esferas.
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 entre el 2 y el 8 % en peso, se sustituyen por nanocables. Estos fluidos presentan una tasa de sedimentación mucho menor que los fluidos convencionales, pero presentan un rango de carga similar al de los fluidos comerciales convencionales, lo que los hace también útiles en aplicaciones de alta fuerza existentes, como la amortiguación. Además, también presentan una mejora en la tensión de fluencia 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 resistencia a la fluencia 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 se describe en el modelo magneto-tribológico semiempírico de Zhang et al. Aunque la aplicación de una 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 de los fluidos MR es amplio y se expande con cada avance en la dinámica del fluido.
Se han desarrollado y siguen desarrollándose amortiguadores magnetorreológicos para diversas aplicaciones. Estos amortiguadores se utilizan principalmente en la industria pesada, con aplicaciones como la amortiguación de motores pesados, la amortiguación de asientos y cabinas de operadores en vehículos de construcción, etc.
A partir de 2006, los científicos de materiales y los ingenieros mecánicos están colaborando para desarrollar amortiguadores sísmicos independientes que, cuando se colocan en cualquier lugar dentro de un edificio, funcionarán dentro de la frecuencia de resonancia del edificio, absorbiendo ondas de choque perjudiciales y oscilaciones dentro de la estructura, dando a estos amortiguadores la capacidad de hacer que cualquier edificio sea a prueba de terremotos, o al menos resistente a los terremotos. [12]
La tecnología de fluidos MR se puede aplicar en equipos auxiliares de alta gama que tienen accesorios flexibles en el mecanizado CNC. Puede sujetar superficies irregulares y productos difíciles de agarrar. [13]
La Oficina de Investigación del Ejército de los EE. UU. está financiando actualmente una investigación sobre el uso de fluido MR para mejorar el blindaje corporal. En 2003, los investigadores afirmaron que faltaban entre cinco y diez años para que el fluido fuera resistente a las balas. [14] Además, los HMMWV y 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 correctora del telescopio espacial Hubble .
Si los amortiguadores de la suspensión de un vehículo están llenos de fluido magnetorreológico en lugar de aceite o gas, y los canales que permiten que el fluido de amortiguación fluya entre las dos cámaras están rodeados de electroimanes , la viscosidad del fluido y, por lo tanto, la frecuencia crítica del amortiguador , se pueden variar según la preferencia del conductor o el peso que transporta el vehículo, o se puede variar dinámicamente para proporcionar control de estabilidad en condiciones de carretera muy diferentes. Esto es, en efecto, un amortiguador magnetorreológico . Por ejemplo, el sistema de suspensión activa MagneRide permite que el factor de amortiguación se ajuste 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 fabricación del Seville STS a partir del 15/01/2002 con RPO F55) como "Magneride" (o "MR") y vehículos de pasajeros 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 el 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 de 2010. A altas revoluciones del motor, los soportes de motor magnetorreológicos se vuelven más rígidos para proporcionar una sensación más precisa en la palanca de cambios al reducir el movimiento relativo entre el tren motriz y el chasis/la carrocería.
A partir de septiembre de 2007, Acura (Honda) inició una campaña publicitaria que destaca el uso de la tecnología MR en vehículos de pasajeros fabricados para el modelo MDX 2007.
Se están desarrollando amortiguadores magnetorreológicos para su uso en asientos de cabinas de helicópteros militares y comerciales, como dispositivos de seguridad en caso de accidente. [15] [16] Se utilizarían para disminuir el impacto que recibe la columna vertebral de un pasajero, disminuyendo así la tasa de lesiones permanentes durante un accidente.
Los amortiguadores magnetorreológicos se utilizan en prótesis de pierna semiactivas para humanos. Al igual que los que se utilizan en helicópteros militares y comerciales, un amortiguador en la prótesis de pierna 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 en tiempo casi real, se pueden simular una variedad de patrones hápticos de perillas giratorias mecánicas y de interruptores de leva, como marcas, rejillas y barreras o límites. Además, también es posible generar nuevas formas de retroalimentación háptica, como modos de retroalimentación háptica adaptables a la velocidad y dependientes de la dirección. Esta tecnología se utiliza, por ejemplo, en HMI de equipos industriales, electrodomésticos o periféricos de computadora . [17]
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