fluido magnetorreológico

Un fluido magnetorreológico ( fluido MR o MRF ) es un tipo de fluido inteligente que, al ser sometido a un campo magnético , aumenta considerablemente su viscosidad aparente , hasta el punto de convertirse en un sólido viscoelástico . ^{[ 1 ]} Es importante destacar que la tensión de fluencia del fluido en su estado activo ("encendido") puede controlarse con gran precisión variando la intensidad del campo magnético. Esto permite controlar la capacidad del fluido para transmitir fuerza mediante un electroimán , lo que da lugar a numerosas aplicaciones de control.

El fluido magnetorreológico (MR) se diferencia del ferrofluido , que tiene partículas más pequeñas. Las partículas del fluido MR son principalmente de tamaño micrométrico y su densidad es demasiado alta para que el movimiento browniano las mantenga suspendidas (en el fluido portador de menor densidad). Las partículas del ferrofluido son principalmente nanopartículas que se mantienen suspendidas por el movimiento browniano y, por lo general, no se sedimentan en condiciones normales. En consecuencia, estos dos fluidos tienen aplicaciones muy diferentes.

Estudios publicados a partir de finales de la década de 2000 que exploran el efecto de variar la relación de aspecto de las partículas ferromagnéticas han mostrado 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 compacto debido a la menor simetría de los cables en comparación con las esferas, así como a la naturaleza estructuralmente de soporte de una red de nanocables mantenida unida por magnetización remanente. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Además, muestran un rango de carga de partículas diferente (típicamente medido en fracción de volumen o 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). ^{[ 4 ]} También muestran una carga máxima de ~35 % en peso, ya que las partículas de alta relación de aspecto presentan un mayor volumen excluido por partícula, así como enredos entre partículas al intentar rotar sobre sí mismas, lo que resulta en un límite impuesto por la alta viscosidad aparente de los fluidos en estado de reposo. Este rango de cargas sugiere que es posible un nuevo conjunto de aplicaciones que tal vez no hubieran 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 estas, típicamente entre el 2 y el 8 % en peso, se reemplaza por nanocables. Estos fluidos presentan una tasa de sedimentación mucho menor que los fluidos convencionales, pero exhiben un rango de carga similar al de los fluidos comerciales convencionales, lo que los hace útiles también en aplicaciones de alta fuerza existentes, como la amortiguación. Además, también muestran una mejora en la tensión de fluencia aparente del 10 % en función de esas cantidades de sustitución de partículas. ^{[ 5 ]}

Otra forma de mejorar el rendimiento de los fluidos magnetorreológicos es aplicarles presión. En particular, las propiedades en términos de límite elástico pueden incrementarse hasta diez veces en modo de cizallamiento ^{[ 6 ]} y hasta cinco veces en modo de flujo ^{[ 7 ]} . Este comportamiento se debe al aumento de la fricción de las partículas ferromagnéticas, tal como lo describe el modelo magnetotribológico semiempírico de Zhang et al. Si bien la aplicación de presión mejora notablemente el comportamiento de los fluidos magnetorreológicos, es fundamental prestar especial atención a la resistencia mecánica y la compatibilidad química del sistema de sellado utilizado.

Las partículas magnéticas, que suelen ser esferas o elipsoides a escala micrométrica o nanométrica , están suspendidas en el aceite portador y se distribuyen aleatoriamente en suspensión en circunstancias normales.

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 , ^{[ 8 ]} ver más abajo.

Para comprender y predecir el comportamiento del fluido MR, es necesario modelarlo matemáticamente, una tarea que se complica ligeramente por la variabilidad de sus propiedades (como el límite elástico ). Como se mencionó anteriormente, los fluidos inteligentes presentan una baja viscosidad en ausencia de un campo magnético aplicado, pero se vuelven cuasi-sólidos al aplicar dicho campo. En el caso de los fluidos MR (y ER ), el fluido adquiere propiedades comparables a las de un sólido cuando se encuentra en estado activado ("encendido"), hasta alcanzar un límite elástico (el esfuerzo cortante por encima del cual se produce el corte). Este límite elástico (comúnmente denominado límite elástico aparente) depende del campo magnético aplicado al fluido, pero alcanza un punto máximo a partir del cual los aumentos en la densidad de flujo magnético no tienen ningún efecto, ya que el fluido se encuentra entonces magnéticamente saturado. Por lo tanto, el comportamiento de un fluido MR puede considerarse similar al de un plástico de Bingham , un modelo de material ampliamente estudiado.

Sin embargo, el fluido MR no sigue exactamente las características de un plástico de Bingham. Por ejemplo, por debajo del límite elástico (en estado activado o "encendido"), el fluido se comporta como un material viscoelástico , con un módulo complejo que también depende de la intensidad del campo magnético. Se sabe además que los fluidos MR son susceptibles a la disminución de la viscosidad por cizallamiento , donde la viscosidad por encima del límite elástico disminuye al aumentar la velocidad de cizallamiento. Además, el comportamiento de los fluidos MR en estado "apagado" también es no newtoniano y depende de la temperatura; sin embargo, la desviación es lo suficientemente pequeña como para que, en un análisis sencillo, el fluido pueda considerarse un plástico de Bingham.

Por lo tanto, nuestro modelo de comportamiento del fluido MR en el modo de corte se convierte en:

${\displaystyle \tau =\tau _{y}(H)+\eta {\frac {dv}{dz}},\tau >\tau _{y}}$

Dónde${\displaystyle \tau }$= esfuerzo cortante;${\displaystyle \tau _{y}}$= límite elástico;${\displaystyle H}$= Intensidad del campo magnético${\displaystyle \eta }$= viscosidad newtoniana;${\displaystyle {\frac {dv}{dz}}}$es el gradiente de velocidad en la dirección z.

La baja resistencia al corte ha sido la principal razón de su limitado rango de aplicaciones. En ausencia de presión externa, la resistencia máxima al corte 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. ^{[ 9 ]} Si las partículas magnéticas estándar se reemplazan por partículas magnéticas alargadas, la resistencia al corte también mejora. ^{[ 10 ]}

Las ferropartículas se sedimentan de la suspensión con el tiempo debido a la diferencia de densidad inherente entre las partículas y el fluido portador. La velocidad y la magnitud de este proceso son atributos fundamentales que se consideran en la industria al diseñar o implementar un dispositivo de magnetorresistencia (MR). Generalmente se utilizan surfactantes para contrarrestar este efecto, pero esto conlleva una disminución de la saturación magnética del fluido y, por consiguiente, de la tensión de fluencia máxima que presenta en su estado activado.

Los tensioactivos utilizados incluyen: ^{[ 11 ]}

• ácido oleico
• hidróxido de tetrametilamonio
• ácido cítrico
• lecitina de soja

Estos surfactantes sirven para disminuir la velocidad de sedimentación de las ferropartículas, cuya alta velocidad es una característica desfavorable de los fluidos MR. El fluido MR ideal nunca se sedimentaría, pero desarrollar este fluido ideal es tan improbable como desarrollar una máquina de movimiento perpetuo según nuestra comprensión actual de las leyes de la física. La sedimentación prolongada asistida por surfactantes se logra típicamente de dos maneras: mediante la adición de surfactantes y mediante la adición de nanopartículas ferromagnéticas esféricas. La adición de nanopartículas hace que las partículas más grandes permanezcan suspendidas por más tiempo, ya que las nanopartículas que no se sedimentan interfieren con la sedimentación de las partículas más grandes a escala micrométrica debido al movimiento browniano . La adición de un surfactante permite la formación de micelas alrededor de las ferropartículas. Un surfactante posee 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 la cabeza polar) se proyecta hacia 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 impide la aglomeración excesiva de las partículas en su estado sedimentado, lo que facilita y agiliza la remezcla del fluido (redispersión de partículas). Por ejemplo, los amortiguadores magnetorreológicos se remezclan en un ciclo con un aditivo surfactante, pero son prácticamente imposibles de remezclar sin él.

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), un parámetro que los usuarios suelen buscar maximizar para aumentar la tensión de fluencia aparente máxima. Ya sea que el aditivo antisedimentación se base en nanoesferas o surfactantes, su adición disminuye la densidad de empaquetamiento de las ferropartículas en su estado activado, reduciendo así la viscosidad del fluido en estado activado, lo que resulta en un fluido activado más "blando" con una tensión de fluencia aparente máxima menor. Si bien la viscosidad en estado activado (la "dureza" del fluido activado) también es una preocupación primordial para muchas aplicaciones de fluidos MR, es una propiedad fundamental del fluido para la mayoría de sus aplicaciones comerciales e industriales y, por lo tanto, se debe encontrar un equilibrio al considerar la viscosidad en estado activado, la tensión de fluencia aparente máxima y la velocidad de sedimentación de un fluido MR.

Un fluido magnetorreológico se utiliza en tres modos de operación principales: flujo, cizallamiento y flujo por compresión. Estos modos implican, respectivamente, el flujo del fluido como resultado del gradiente de presión entre dos placas estacionarias; el flujo del fluido entre dos placas que se mueven una respecto a la otra; y el flujo del fluido entre dos placas en la dirección perpendicular a sus planos. En todos los casos, el campo magnético es perpendicular a los planos de las placas, de modo que restringe el flujo del fluido en la dirección paralela a las placas.

Las aplicaciones de estos distintos modos son numerosas. El modo de flujo se puede utilizar en amortiguadores, aprovechando el movimiento a controlar para forzar el paso del fluido a través de canales sometidos a un campo magnético. El modo de cizallamiento resulta especialmente útil en embragues y frenos, donde se requiere controlar el movimiento rotacional. Por otro lado, el modo de flujo por compresión es el más adecuado para aplicaciones que controlan movimientos pequeños, del orden de milímetros, pero que implican grandes fuerzas. Este modo de flujo en particular es el que menos se ha investigado hasta la fecha.

El abanico de aplicaciones para los fluidos magnetorreológicos es enorme y se amplía con cada avance en la dinámica del fluido.

• Ferrofluido : líquido que es atraído por los polos de un imán. 
• Fluido electrorreológico – Tipo de suspensión química 
• Reología – Estudio del flujo de la materia, principalmente en estado fluido. 
• Reometría : técnicas experimentales utilizadas para estudiar el flujo de fluidos (reología). 

• Algunos artículos de MRF de acceso libre
• Experimentación con fluidos magnetorreológicos : instrucciones de preparación
• Howstuffworks.com armadura corporal líquida
• Estructuras inteligentes de Howstuffworks.com