Inteligentní tekutiny - elektroreologické (ER) a magnetoreologické (MR) suspenze

Ing. Michal SEDLAČÍK

Doctoral thesis

Intelligent Fluids - Electro-Rheological (ER) and Magneto-Rheological (MR) Suspensions

Abstract:

V dnešní době je velké množství moderních technologií úzce spjato s využíváním inteligentních materiálů. Obecně u těchto systémů dochází k požadované změně jedné nebo více vlastností v reakci na vnější stimuly. V poslední době poutá pozornost nejen vědecké, ale i praktické oblasti využití nová skupina inteligentních systémů vykazující neobyčejnou změnu svých reologických vlastností v závislosti na vnějším aplikovaném poli. Hlavními zástupci těchto systémů aktivně měnících své reologické chování v závislosti na působícím poli jsou magnetoreologické (MR) a elektroreologické (ER) tekutiny. Jak již název napovídá, tyto tekutiny vykazují velmi zajímavé reologické chování, které může být kontrolováno účinky buď magnetického anebo elektrického pole. MR nebo ER tekutiny lze charakterizovat jako suspenze nano/mikro částic s magnetickými nebo výhradně dielektrickými vlastnostmi ve vhodné nosné kapalině. Největší výhodou těchto tekutin oproti obvyklým tekutinám je jejich schopnost měnit viskozitu v širokém rozsahu (několik řádů) a to ve zlomcích milisekundy. Ačkoliv první vysvětlení MR a ER chování byla provedena již před 60 lety, reálné aplikace MR a ER tekutin na trhu byly možné až v devadesátých letech díky rozvoji chemie, fyziky, materiálových věd strojního a elektroinženýrství [1, 2]. V dnešní době jsou zejména MR tekutiny s oblibou používány v různých systémech, kde je požadováno proměnné ovládání tlumení/působící síla. Nicméně jejich širšímu využití neustále brání několik překážek jako sedimentace částic v důsledku velkého rozdílu hustot mezi dispergovanými částicemi a nosnou kapalinou v MR tekutinách nebo nízká účinnost ER tekutin. Prvořadá pozornost je tudíž v této práci upřena na návrh nových MR/ER tekutin, u nichž jsou zmíněné nedostatky potlačovány. V závislosti na odlišných požadavcích studovaných typů inteligentních tekutin jsou uplatňovány dva různé přístupy. V první části práce bylo karbonyl železo, jakožto nejpoužívanější dispergovaná složka v MR tekutinách, upraveno pomocí mokrých (potažení polyanilínem) nebo suchých (plasmové opracování) chemických metod za účelem zvýšení kompatibility se silikonovým olejem použitým jako nosná kapalina a tím i zvýšením dlouhodobé stability MR tekutin. Kromě toho byl studován vliv žíhací teploty použité při výrobě částic kobalt feritu na MR chování s cílem připravit nový typ dispergovaných částic s řízenými magnetickými vlastnostmi pro MR tekutiny. V druhé části práce byly vyrobeny duté kulovité aglomeráty oxidu titaničitého s polypyrolem se strukturou jádro-slupka (core-shell) jako novou dispergovanou fází pro ER tekutiny s vylepšenou ER účinností.

Abstract:

Nowadays, a large number of modern technologies employ intelligent materials, which generally change their properties according to the external stimulus applied. Recently, a new class of intelligent systems with extraordinary rheological behaviour in an external field has attracted much interest from both academics and engineers. The main representatives of such rheologicaly-active field-responsive systems are Magneto-Rheological (further only MR) and Electro-Rheological (further only ER) fluids. The rheology of these fluids is very attractive since it can be controlled by the application of a field - either magnetic or electric. Typically, MR or ER fluids comprise suspensions of nano/micrometre-sized magnetic or dielectric particles respectively, dispersed in a suitable carrier liquid. The key feature of these fluids is their capability to alter viscosity by several orders of magnitude in milliseconds. Although MR and ER behaviour was discovered 60 years ago, the first use of MR and ER fluids in real applications happened in the 1990s owing to progress in the Chemistry, Physics, Materials Science, and Mechanical and Electrical Engineering fields [1, 2]. Currently, MR fluids are mainly used in various systems in which variable control of the applied damping/force adjustment is required. Nevertheless, several obstacles - such as particle sedimentation due to density mismatch between the dispersed magnetic particles and the carrier liquid in MR fluids; or the low efficiency of ER fluids, still hinder their wider utilisation. Therefore, the primary focus of this work is to design novel MR/ER fluids which would not suffer from these drawbacks. Taking into account the differing requirements of the intelligent fluids studied resulted in the development of two different approaches. The first part of the presented work deals with Carbonyl Iron, which, being the most commonly-used dispersed phase in MR, was modified via Wet (coating with polyaniline) or Dry (plasma treatment) chemical methods in order to improve its compatibility, with silicone oil used as a carrier liquid and - thus, to enhance the long-term stability of MR fluids. Furthermore, the effect of annealing temperature, used for the synthesis of Cobalt Ferrite particles, on MR behaviour was studied to prepare novel types of dispersed particles for MR fluids, with controlled magnetic properties. The second part of the work concentrates on the fabrication of hollow globular clusters of Titanium Oxide/Polypyrrole particles with a core-shell structure - representing a novel dispersed phase for ER fluids of improved ER efficiency.

Keywords

Magnetoreologie, elektroreologie, karbonyl železo, kobalt ferit, polyanilín, polypyrol, jádro-slupka, plasmové opracování, silikonový olej, sedimentace, ustálené smýkání, oscilační měření

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 5. 2012

Accessible from:: 14. 5. 2012

Thesis defence

• Date of defence: 22. 6. 2012

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds