MATERIAŁY MAGNETOREOLOGICZNE
(MAGNETORHEOLOGICAL FLUIDS MRFS)

Materiały magnetoreologiczne należą do grupy materiałów inteligentnych zmieniających gęstość.

Materiały magnetoreologiczne

Materiały magnetoreologiczne (MR) są cieczami, które mogą gwałtownie zmienić swoje własności lepkosprężyste. Ciecze te mogą zmieniać swoją konsystencję z gęstego płynu (o konsystencji np. oleju samochodowego) do prawie ciała stałego - osiągnięty końcowy stan materiału zależy od tego jak silne pole magnetyczne zostanie zastosowane. Proces ten trwa zaledwie kilka (1-10 ms) milisekund  i jest wywołany obecnością pola magnetycznego. Efekt ten może być odwrócony równie szybko jak został wywołany. Ciecz magnetoreologiczna zmienia swoją lepkość pod wpływem działania pola magnetycznego; jest układem dyspersyjnym złożonym z nośnika w postaci oleju mineralnego lub syntetycznego, w którym rozproszona jest zawiesina ferromagnetyczna. Przy działaniu pola magnetycznego na ciecze magnetoreologiczne może zmienić się również ich temperatura i odczyn pH.

Zdjęcie cząstek substancji ferromagnetycznej (cząstki karbonylu żelaza) rozproszone w oleju naturalnym, po zadziałaniu pola magnetycznego (zdjęcie wykonane skaningowym mikroskopem elektronowym)	Oddziaływanie pola magnetycznego na ciecz MR

Rodzaj cieczy MR określają następujące parametry: rodzaj i lepkość oleju, stanowiącego fazę dyspersyjną oraz koncentracja i magnetyczne właściwości fazy zdyspergowanej. Wymienione wyżej parametry cieczy MR decydują o jej podstawowej charakterystyce reologicznej, którą wyznacza zależność naprężeń od prędkości odkształcania postaciowego przy różnych natężeniach pola magnetycznego.

Dopuszczalne naprężenia dla współczesnych cieczy magnetoreologicznych przewyższają 80 kPa; jest to wykorzystywane w przypadku stosowania cieczy MR w dużych instalacjach. Ciecze MR nie tracą swych własności w zakresie temperatur od -40 do 150 stopni Celsjusza (występują jedynie delikatne zmiany dotyczące charakterystyki naprężenia dopuszczalnego).

Prawe wszystkie ciecze magnetoreologiczne wykazują również, w mniejszym lub większym stopniu zjawisko elektroreologiczne. Jest to rezultatem obecności w cieczy reologicznej pewnej ilości wody oraz występowania mobilnych jonów na pokrytej tlenkami powierzchni cząstek. Obecnie nie ma uniwersalnej metedoy opisującej zjawiska w cieczach MR. Istnieje jednak powszechny pogląd, że zmiana we własnościach mechanicznych jest wywołana ukierunkowaniem cząstek ferromagnetycznych i tworzeniem przez nie zawiesiny podobnej do włókienek. Siłą napędową tego procesu jest obniżenie lokalnej energii potencjalnej układu. Ukierunkowanie struktury mieszaniny w polu magnetycznym wywołuje wzrost lepkości i wytrzymałości i na ścinanie.

Ciecze MR wykazują pewną przewagę w stosunku do cieczy elektroreologicznych. Między innymi są one mniej czułe na obecność zanieczyszczeń. W związku z tym mogą one być stosowane w urządzeniach pracujących w bardzo zanieczyszczonym środowisku niż elementy wykorzystujące ciecze elektroreologiczne.

Szczególne cechy cieczy magnetoreologicznych stwarzają możliwości ich aplikacji w sterowanych urządzeniach rozpraszających energię, a w szczególności w sterowanych hydraulicznych tłumikach drgań pojazdów.

Najczęściej ciecze MR stosuje się w:

- systemach zawieszenia w samochodach (tłumiki drgań)

- systemach ochrony pasażerów w samochodach (airbag, zderzaki, hamulce)

- układach pneumatycznych do kontroli szybkości i pozycji

- układach tłumienia drgań i kontroli sztywności w siedzeniach samochodów ciężarowych i autobusach

- układach zmniejszających skutki trzęsień ziemi i silnego wiatru

- protezach kończyn dla zwiększenia kontroli ruchu, szybkich reakcji i uzależnienia siły od szybkości ruchu

-pralkach do tłumienia tarcia i drgań oraz zmniejszania hałasu

Przykładowe rodzaje cieczy magnetoreologicznych opracowanych przez firmę Lord Corporation:

- na bazie oleju mineralnego (na przykładzie cieczy MRF-132AD)

Wykres zależności wartości naprężenia  w zależności od indukcji magnetyczne

Typowe własności magnetyczne cieczy MR-132AD

- na bazie wody (na przykładzie cieczy MRF-241ES)

Wykres zależności wartości naprężenia  w zależności od indukcji magnetycznej

Typowe własności magnetyczne cieczy MRF-241ES

- na bazie silikonu (na przykładzie cieczy MRF-336AG)

Wykres zależności wartości naprężenia  w zależności od indukcji magnetycznej

Typowe własności magnetyczne cieczy MRF-336AG

Przykładowe urządzenia wykorzystujące właściwości cieczy magnetoreologicznych (na podstawie materiałów firmy Lord Corporation):

- tłumik magnetoreologiczny RD-1005-3
RD-1005-3 jest to kompaktowy tłumik magnetoreologiczny o unikalnych, łatwych do sterowania właściowściach dyssypacyjnych oraz krótkim czasie reakcji na sygnał sterujący (10 milisekund). Zmiana natężenia pola magentycznego w cewce indukcyjnej, znajdującej się na tłoczysku tłumika, pozwala na bardzo precyzyjne i szybkie sterowanie charakterystyką tłumika MR. Do zalet tłumik należa: prosta konstrukcja, cichość działaniu, dokładność i precyzja sterowania. Tłumik ten jest idealny do zastosowań w układach zawieszeń.

- hamulec magnetoreologiczny MRB-2107-3
MRB-2107-3 Rheonetic to zawrtej budowy hamulce proporcjonalne, ktore wymagają znacznie mniejszych energii zasilania podczas pracy niż inne hamulce dziłające w oparciu o zmiany natężenia pola elektrycznego lub magnetycznego. Prostota budowy oraz łatwa kontrola właściwości sprawia, że urządzenia te nadają się do zastosowania w szerokim zakresie problemów m.in. precyzyjnej kontroli naprężeń, kontroli aktywatorów pneumatycznych.

Rysunek techniczny hamulca MR

- kontroler/zasilacz do urządzeń MR RD-3002-1 (tzw. Wonder Box )
MR RC-3002-1 jest to uniwersalne urządzenie kontrolne przeznaczone do współdziałania z hamulcem oraz tłumikiem MR. Pozwala na kontrolę właściwości, które oferując urządzenia bazujące na wykorzystaniu cieczy magnetoreologicznych. Urządzenie posiada pętle kontroli natężenia prądu dzięki czemu możliwa jest kompensacja zmiany obciążenia elektrycznego, aż do ograniczeń wynikających z zastosowanego źródła zasilania. Dodatkowo urządzenie MR RC-3002-1może być wykorzystywany jako interfejs dla kart PCL lub komputera sterującego urządzeniami MR. Ręczna kontrola właściwości współpracujących urządzeń MR jest możliwa dzięki potencjometrowi kontrolującemu natężenia zadawanego prądu.

- w ostatnich latach coraz większą wagę przywiązuje się do zapewnienia należytego poziomu bezpieczeństwa kierowców samochodów ciężarowych i autobusów. System zawieszenia fotela kierowcy Motion Master Ride Management System redukuje drgania przenoszone na fotel kierowcy. Nadmierne drgania mogą być przyczną uszkodzeń ciała kierowcy lub nawet utraty kontroli nad pojazdem.
Siedzenie wyposażone w Motion Master Ride Management System jest jedynym produktem który oferuje kierowcy obok bezpieczeństwa także korzyści zdrowotne. W odróżnieniu od systemów amortyzacji pneumatycznej system Motion Master pozwala na płynny dobór tłumienia w zależności od wagi kierowcy oraz zmiennych w czasie drgań wymuszonych nierównościami drogi. Prowadzi to do zredukowania zmęczenia oraz zmniejszenia ryzyka uszkodzenia ciała kierowcy.

Własności cieczy magetoreologicznych są również wykorzystywane w technologii magnetoreologicznego polerowania precyzyjnego. Powierzchnie optyczne (sferyczne lub płaskie) są polerowane cieczą MR, której gęstość jest zmieniana w czasie rzeczywistym, w zależności od aktualnej potrzeby. Całość jest kontrolowana przez komputer.

Schemat działania mechanizmu polerowania magnetoreologicznego

Skutki polerowania magnetoreologicznego