Chất lưu biến từ mô hình hóa, thiết kế tối ưu và ứng dụng sách chuyên khảo

Thành phần của MRF

MRF (Fluid từ tính) bao gồm ba thành phần chính: các phân tử từ tính, một dung môi phi từ tính và một chất ổn định Các phân tử từ tính thường là các hạt hình cầu có đường kính từ 0.1-10 micromet, chủ yếu là sắt, hợp kim sắt, oxit sắt, nitrit sắt, cacbua sắt, sắt gốc carbonyl, nickel và cobalt Trong đó, sắt gốc carbonyl được ưa chuộng và sử dụng phổ biến nhất Ứng suất chảy cực đại do hiệu ứng lưu biến từ (Magneto-Rheological - MR) chủ yếu phụ thuộc vào độ kháng từ thấp nhất và độ bão hòa từ cao nhất của các phân tử phân cực Do đó, vật liệu từ tính mềm với độ tinh khiết cao như bột sắt gốc carbonyl là thành phần chủ yếu trong hầu hết các MRF hiện nay Ngoài sắt gốc carbonyl, các hợp kim Fe-Co và Fe-Ni cũng được sử dụng cho vật liệu MRF nhờ vào độ bão hòa từ cao của sắt.

Chương ỉ Tống quan 3 đề cập đến các loại ferrite như Mn-Zn ferrite, Ni-Zn ferrite và ceramic ferrite, có độ bão hòa từ thấp, phù hợp cho các ứng dụng với ứng suất chảy thấp Trong MRF, các phân tử từ tính có kích thước nhất định cần có tỷ lệ thể tích tối ưu để đảm bảo độ nhớt không tải (độ nhớt khi không có từ trường áp đặt) vẫn trong phạm vi chấp nhận được Ví dụ, một thành phần chất lưu chứa 50% thể tích bột sắt gốc carbonyl đã được áp dụng trong thiết bị tạo moment xoắn điều khiển bằng cơ điện.

3 Vật liệu có trật tự từ mà trong cấu trúc từ của nó gồm hai phân mạng đối song song nhưng có độ lớn khác nhau.

Dung môi là thành phần chính trong pha liên tục của MRF, thường là các chất lỏng hữu cơ không phân cực như dầu silicone, dầu khoáng và nước Các loại dung môi được sử dụng trong các bằng sáng chế trước đây bao gồm dầu hydrocarbon nhẹ và chất lỏng bôi trơn Tuy nhiên, sự lắng xuống của các phân tử từ tính có thể làm giảm hiệu ứng MR, do trọng lực, từ trường mạnh hoặc sự phân tán không đồng đều của các phân tử Để cải thiện tình trạng này và tăng độ ổn định, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện, bao gồm việc thêm pha nhớt dẻo Năm 2005, Pang và cộng sự đã phát triển MRF composite với các thành phần như bột phân tử sat, gelatine và dung môi, cho thấy hiệu ứng MR được cải thiện.

Chất lưu biến từ là những vật liệu quan trọng trong việc mô hình hóa và thiết kế tối ưu, đặc biệt trong môi trường từ tính thấp Chúng cung cấp độ ổn định tốt hơn so với việc chỉ sử dụng bột sắt gốc carbonyl thuần khiết.

Các hoạt chất bề mặt, hạt nano hoặc phân từ từ tính nano có thể được thêm vào thành phần MRF để giảm sự đóng cặn của các phân tử nặng trong pha lỏng, giúp giảm hiện tượng trượt dính mỏng và trượt dày Hiện tượng trượt dính mỏng cải thiện khả năng đáp ứng của MRF với sự thay đổi ứng suất và biến dạng tác dụng, giảm hao mòn và tiêu thụ năng lượng, trong khi hiện tượng trượt dày giúp tăng cường sự ổn định, tính chống mài mòn và đảm bảo an toàn trong một số ứng dụng nhất định Tuy nhiên, hiện tượng đóng cặn có thể làm giảm hiệu ứng MR do các phân tử phân cực bị lắng xuống và tạo thành một "khối bột" cứng khó kiểm soát.

Các tác nhân chống lắng như khoáng sét tự nhiên (organoclay) được sử dụng để hạn chế sự đóng cặn và kết tụ, gia tăng độ nhớt và ứng suất chảy của các thành phần MRF Khi độ nhớt tương đối thấp, các phân tử phân cực ít bị láng đọng và dễ dàng phân tán trở lại Ngoài ra, lớp phủ polymer cũng có thể được sử dụng để cải thiện tính chất từ của các phân tử, giúp chúng dễ phân tán sau khi hết từ trường Tuy nhiên, việc thêm lớp phủ này có thể làm suy giảm các thuộc tính đặc trưng của MRF như ứng suất trượt và ứng suất chảy Thêm vào đó, các chất phụ gia như chất chống oxy hóa, chất điều chỉnh ma sát, chất chống ăn mòn, chất tăng cường độ nhớt và phụ gia áp lực lớn có thể được bổ sung để cải thiện độ bền chống oxy hóa và khả năng chịu mài mòn của MRF.

Đặc tính từ tĩnh của MRF là yếu tố quan trọng trong việc mô hình hóa các thiết bị ứng dụng dựa trên MRF, thường được xác định qua mối quan hệ giữa mật độ từ thông và cường độ từ trường (B - H) cũng như moment từ và cường độ từ trường (M - H) Những đặc tính này giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất và ứng dụng của thiết bị MRF trong thực tế.

Dưới tác động của dòng điện áp, ứng xử của các vật liệu từ tính lỏng (MRF) có thể được dự đoán Hình 1.1 minh họa biến dạng đồng dạng của chuỗi phân tử hình cầu, cho thấy sự phụ thuộc của chúng vào từ trường Mô hình chuẩn được áp dụng để dự đoán hành vi của các phân tử phân cực trong MRF.

Mô hình mạng lập phương cho các chuỗi phân tử vô hạn được tổ chức theo một đường thẳng tương ứng với phương của từ trường, như thể hiện trong Hình 1.1 Các chuỗi này được coi là biến dạng với khoảng cách đồng đều giữa các phân tử lân cận và gia tốc ở cùng tốc độ biến dạng.

Mô hình này đơn giản vì các chuỗi tạo thành khối cầu tập kết cô đặc ở dạng hình trụ Dưới ứng suất trượt, các khối này biến dạng và có thể bị phá vỡ Mặc dù các phân tử có thể phát triển thành các cấu trúc phức tạp trong nhiều điều kiện khác nhau, mô hình tiêu chuẩn vẫn có thể dự đoán hiệu quả ứng suất chảy.

Để đánh giá đặc tính tập kết của MRF, cần thiết lập phương trình chuyển động của từng phân tử dưới tác dụng của từ trường Cụ thể, khi xem xét một khối cầu độc lập không nhiễm từ trong một từ trường đồng nhất, tensor lực từ Fị tác động lên phân tử từ j được xác định thông qua sự xấp xỉ lưỡng cực điểm cho tương tác cặp.

4 ^A o m2 "4 - 5(mằr f -7 + 2 (mằr ) m “4 ìj ij ij

Trong đó, độ từ thẩm riêng của các phân tử được ký hiệu là ịip, độ từ thẩm của chân không là ẤO, Tij là khoảng cách từ phân tử j đến i, và m là moment lưỡng cực từ của các phân tử Khi từ trường rất nhỏ, các yếu tố này có vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất từ của vật liệu.

Mô hình hóa và thiết kế tối ưu cho 6 chái lưu biến từ được thể hiện qua phương trình m = 4^/y/z0/?a3H, trong đó H đại diện cho từ trường đồng nhất, a là đường kính của các phân tử, và hệ số được tính toán theo các tham số liên quan.

Trong trường hợp có từ trường lớn, moment từ có thể được coi là các lưỡng cực điểm độc lập khi từ tính của các phân tử đạt trạng thái bão hòa Độ từ thẩm riêng của dung môi là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu này.

1.4 Đặc tính lim biến của MRF

MRF (Magnetorheological Fluid) được coi là một hệ thống hai pha, bao gồm pha rắn và pha lỏng Khi chưa được kích hoạt, các phân tử MRF chuyển động tự do trong pha lỏng, thể hiện tính chất của chất lưu Newton bình thường Khi ở trong từ trường, các phân tử liên kết với nhau, tạo thành chuỗi song song với đường sức từ, khiến MRF chuyển từ pha lỏng sang pha rắn Sự tương tác này ngăn cản ứng suất trượt mà không phá vỡ, đồng thời tăng độ nhớt của chất lưu Ứng xử của MRF được chia thành hai miền: trước và sau khi chảy, phụ thuộc vào ứng suất thấp hoặc cao hơn giá trị ứng suất chảy tới hạn Ứng xử sau khi chảy là phi Newton, với độ nhớt biểu kiến tăng khi ứng suất chảy tăng theo cường độ từ trường ngoài.