Elektro- en magnetorheologische vloeistoffen

Uit Technotheek
Ga naar: navigatie, zoeken
Elektro- en magnetorheologische vloeistoffen
250px
Eigenschappen
Categorie: Materialen
Handelsnamen: ER- en MR vloeistoffen
Originele auteur: Nick op den Akker en Y.T.G. Crijns
Jaar: 2009
Originele auteur: Tom Simons en Lotte Koggel
Jaar: 2011
Wikipedia link: Magnetorheological fluid
Wikipedia link: Electrorheological fluid
Wikipedia link: Ferrofluid

Inhoud

Beschrijving

monsters van ER vloeistof
ER vloeistoffen veranderen hun fysische eigenschappen in de aanwezigheid van een elektrisch veld. MR vloeistoffen veranderen hun fysische eigenschappen in de aanwezigheid van een magnetisch veld.

Zowel een ER als een MR vloeistof bestaat uit een suspensie van 20 á 40 % zeer kleine deeltjes (diameter van enkele μm) in een draagvloeistof. Ferrofluids hebben deeltjes met een diameter van enkele nm. Door dit verschil in deeltjesgrootte hebben ze echter verschillende eigenschappen en dus ook toepassingen. Bij ER vloeistoffen gaat het dan over geleidende deeltjes in een elektrisch geïsoleerde vloeistof, terwijl het bij MR vloeistoffen gaat over paramagnetische deeltjes in een olie. Meestal zijn er ook additieven toegevoegd om sedimentatie of klontering tegen te gaan.

De viscositeit van deze vloeistoffen veranderen met een factor van 100 000 in reactie op een elektrisch veld of magnetisch binnen enkele milliseconden. Viscositeit neemt wel anisotroop, loodrecht op de veldlijnen toe. De viscositeit veranderd weer naar de oorspronkelijke waarde als het veld verdwijnt.

Gedrag van ER/MR vloeistoffen

Onder invloed van een veld, gaan de kleine deeltje in rechte lijnen liggen, en vormen ze ketens en kolommen. Hierdoor wordt de viscositeit enorm verhoogd, totdat de vloeistof een vaste stof is geworden.
De deeltjes zullen na verloop van tijd sedimenteren, waarna de vloeistof onbruikbaar is geworden.
Bij ferrofluid, daarentegen, neemt de viscositeit niet toe onder invloed van een magnetisch, dan wel elektrisch veld. Ook zijn de deeltjes zo klein dat ze niet zullen bezinken. Zowel MR- als ferrofluid hebben de eigenschap dat de aantrekking tot een magnetisch veld afneemt naarmate de temperatuur toeneemt.

Gedrag van ER/MR vloeistoffen

Eigenschappen

De eigenschappen van ER en MR vloeistoffen kunnen met behulp van rheologie worden beschreven.

  • Viscositeit: Zonder elektrisch veld gedraagt een ER vloeistof als een Newtonian vloeistof. Dit betekend dat de viscositeit niet afhankelijk is van de shear rate( snelheid/uur). Als er een elektrisch veld aan word toegevoegd neemt de viscositeit daarentegen snel toe en zal het niet meer vloeien tot dat de shear stess (kracht per opp) een bepaalde waarde overschrijd (yield stress), het materiaal zal dan breken
  • Yield stress: is de maximale koppel wat het materiaal kan verdragen.
  • No-field viscosity: de viscositeit die de vloeistof heeft als er geen elektrisch veld op werkt. Dit is een belangrijke waarde bij veel toepassingen, omdat dit bepaald wat de minimale koppel is dat het apparaat kan produceren onder de gegeven condities.

Criteria voor een ER/MR vloeistof als bruikbaar engineering materiaal:

  • Hoog kookpunt
  • Laag vriespunt
  • Niet schuren of beschadigen van het engineering materiaal
  • Blijven werken bij een lange opslagtijd
  • Minimale ontmenging geven
  • Niet giftig
  • Veilige voor mensen

Je kunt ER/MR vloeistoffen niet vergelijken op basis van een enkele parameter. De beste ER/MR vloeistoffen zijn de vloeistoffen die de beste combinatie hebben van wenselijke eigenschappen.

Leveringsvormen

Bij Lord.com, de website van een Amerikaans bedrijf, is een demo kit te bestellen van het materiaal. Deze geeft een toepassingsvorm van het materiaal weer. Het materiaal is zelf vloeibaar en per liter te koop.

Be- en verwerkingstechnieken

Het materiaal wordt vervaardigt uit een mengsel van (meestal) olie en een elektro- of magneto reactief materiaal. Het wordt veelal verwerkt als dempings/stollingsvloeistof voor verscheidene toepassingen.

Toepassingen

Hydraulische kleppen en koppelingen

ER koppeling
De normale toepassing van ER/MR vloeistoffen is in snel werkende hydraulische kleppen en koppelingen waarbij de platen zijn gescheiden door een opening van 1 mm en de toegepaste potentiaal in een orde van 1 kV. Als het elektrisch/magnetisch veld wordt toegepast is de ER/MR hydraulische klep gesloten (platen van een ER/MR koppeling met elkaar vergrendeld ), als het veld wordt verwijderd is de klep open of de koppeling platen ontkoppeld

Remmen en schokdempers

ER schokdempers voor voertuigen
Andere veel voorkomende toepassingen zijn ER/MR remmen (een rem als een koppeling met een vaste kant) en schokdempers (kan gezien worden als een gesloten hydraulische systeem waar de schok wordt gebruikt om een vloeistof door een klep te pompen). Door de verandering in viscositeit kan de weerstand van de schokdempers veranderd worden. Dit wordt in het klein gebruikt in auto’s, maar ook in bruggen en gebouwen.

Er kan onderscheidt gemaakt worden tussen 3 soorten dempers namelijk; passieve, semiactieve en actieve dempers. De passieve demper verzorgt een constante demping die vooraf wordt bepaald. De semiactieve demper kan zich aanpassen doormiddel van een input signaal. Een toepassing hiervan is bijvoorbeeld anti resonantie demping van grote gebouwen in gebieden waar vaak aardbevingen voorkomen. Actieve dempers kunnen zelf bewegen en dus ook duwen. Daardoor zijn ze in staat nog meer trilling te dempen. Een nadeel is echter dat ze veel meer energie gebruiken en bij een defect gaan ze zich gedragen als een passieve demper. In dit laatste geval kan dit tot een grotere instabiliteit leiden.

Afsluiting en smering cilindrische delen

Afsluiting en smering cilindrische delen

Een permanente magneet in een cilindrisch deel sluit alleen niet goed af. Door een magnetorheologische vloeistof aan de magneet te doen, wordt de cilinder afgesloten en wordt het geheel ook gesmeerd door de olie in de vloeistof.

Koeling in luidsprekers

Hiervoor worden alleen ferrofluids gebruikt, omdat daarvan de viscositeit niet verandert. Doordat de magnetische aantrekkingskracht van de ferrofluid minder wordt naarmate de temperatuur hoger wordt, ontstaat er een stroming in de vloeistof waardoor er beter gekoeld wordt.
Magneto3.png
Koeling (Het zwarte vlak is het te koelen magnetische deel in de luidspreker, links is de open lucht waar de warmte naartoe afgevoerd wordt).

Haptisch interface

ER medisch haptisch interface
Een andere toepassing is als haptische interface. Deze tastzin interface laat de gebruiker als het ware voelen wat de software doorgeeft, vaak gekoppeld aan een visueel element. Het wordt toegepast bij het ontmantellen van bommen, militaire operaties en medische technologie (opereren op afstand). In dit laatste geval laat de interface de gebruiker ‘voelen’ wat de sensor bij de patiënt waarneemt. Ook in de entertainment industrie lijken er toepassingsmogelijkheden (4D gaming etc.).

Protheses

Sinds kort worden MR vloeistoffen ook toegepast in de prothesemarkt. Zo bestaat er bijvoorbeeld de Rheo-knie. Een knieprothese werkt met kleine ventielen, waarmee de beweging van een knie wordt nagebootst. Door het plaatsen van een MR vloeistoffen in dit systeem is de beweging hiervan een stuk natuurlijker geworden. Een ventiel kan hiermee namelijk in een duizendste seconde worden geopend of gesloten. Het werkt erg nauwkeurig en de kracht hangt niet af van de snelheid waarmee de persoon wilt lopen.

Toepassingen in de toekomst

Er zijn veel nieuwe toepassingen voor deze vloeistoffen. Zo zijn er plannen voor het gebruik van ER vloeistoffen in het Amerikaanse leger. Ze zijn van plan kogelvrije vesten te creëren. Door kleren te weken in ER vloeistoffen, wordt het mogelijk om zeer lichte normale kleren t laten veranderen in een harde bescherming (binnen enkele milliseconden).

Ook zijn ER vloeistoffen voorgesteld voor toepassingen in flexibele elektronica, zoals oprolbare schermen en toetsenborden, waarbij de viscositeit eigenschappen van de vloeistoffen ervoor zorgen dat de elementen stijf zijn tijdens het gebruik, en weer ingerold worden als het niet wordt gebruikt. Sinds 2006 heeft Motorola heeft een octrooi voor de toepassingen hiervan in mobiele elektronica.

Voordelen

Het grootste voordeel is de snelheid van de respons, er zijn maar een paar andere technieken die in staat zijn om zulke grote hoeveelheden van mechanische en hydraulische kracht zo snel te controleren. Magnetorheologische en elektorheologische vloeistoffen hebben goede smeringseigenschappen. Voor de werking van en elektorheologische vloeistoffen zijn slechts twee kleine elektroden nodig. Voor ferrofluids geldt dat er slim gebruik gemaakt kan worden van het verschil in magnetische aantrekkingskracht bij verschillende temperaturen. Een ander voordeel is dat een ER/MR -apparaat aanzienlijk meer mechanische vermogen kan opwekken dan de elektrische energie dat gebruikt word om het effect op te wekken. D.w.z. dat het kan fungeren als een versterker.

Nadelen

Een van de grootste problemen is dat ER/MR vloeistoffen suspensies zijn, dus na een tijdje hebben ze de neiging te ontmengen. Geavanceerde ER/MR vloeistoffen hebben dit probleem aangepakt met verschillende methoden. Zoals het afstemmen van de dichtheden van de vaste en vloeibare componenten, of met behulp van nanodeeltjes. Een ander probleem is dat de doorslagspanning van lucht ~3 kV/mm is (bij deze spanning wordt de lucht geleidend), die in de buurt van het elektrisch veld nodig is om ER- apparaten te bedienen. Ferrofluids en magnetorheologische en elektorheologische vloeistoffen zijn erg duur (ongeveer $750 per liter).De magneten om de viscositeit van de vloeistof te veranderen nemen veel ruimte in. Bij elektorheologische vloeistoffen verandert de viscositeit veel minder sterk dan bij magnetorheologische vloeistoffen.

Milieuaspecten

Het materiaal is een mengsel van olie en een magneto of elektro reagerend materiaal. De schadelijkheid voor het milieu in het geval van een lek is mede afhankelijk van het soort olie, en het soort reactie materiaal dat gebruikt is. Vooral omdat het materiaal gemakkelijk te gebruiken is in andere toepassingen (bijvoorbeeld door het over te gieten in een andere houder) en de levensduur aanzienlijk is, belast dit materiaal het milieu niet erg zwaar. Omdat de additieven die gebruikt worden in de vloeistoffen geheim zijn, is het moeilijk in te schatten wat de gevolgen voor het milieu zijn.

Leveranciers en kenniscentra

In Nederland is geen bedrijf dat dit materiaal verwerkt in haar producten. Er zijn een aantal bedrijven in het buitenland die dit materiaal wel gebruiken, waaronder Audi en Lord. Ferrotec is een leverancier van ferrofluid en toepassingen daarvan. Het bedrijf Lord (www.lord.com) levert het materiaal als proefopstelling of in hun producten. De onderstaande webpagina linkt naar de website van Lord waar het demo model te koop is.

http://www.lord.com/Home/MagnetoRheologicalMRFluid/tabid/3317/Default.aspx

Bronnen

Internetsites


Filmpjes

Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen