Magnetoreoloogiline vedelik

Magnetoreoloogiline vedelik (lühend MR vedelik) on magnetosakeste suspensioon kandevedelikus, mis välise magnetvälja mõjul korrastuvad lineaarseteks agregaatideks, andes nii sellele vedelikule mitmed tahkistele iseloomulikud omadused. Selline välise magnetvälja rakendamine võib hetkeliselt (millisekundi jooksul) suurendada vedeliku näivat viskoossust ja voolepiiri mitme suurusjärgu võrra. Magnetoreoloogiline vedelik erineb ferrovedelikust peamiselt osakeste suuruse poolest, millest esimese puhul jäävad need mikromeetri suurusjärku ja ilma lisanditeta sadestuvad teatud aja möödudes. Ferrovedeliku osakesed on aga peamiselt nanoosakesed, mis on tavatingimustel suspenseeritud Browni liikumise poolt ja ei sadene. Samas ei toimu aga ferrovedelikes niivõrd drastilisi viskoossuse muutuseid magnetvälja rakendamisel. Seega tulenevalt osakeste suurusest erinevad suurel määral nende vedelike füüsikalised omadused ja rakendused. Tavaolukorras, kui magnetoreoloogilise vedelikule välist magnetvälja ei mõju, on magnetilised osakesed ümbritsevas kandevedelikus jaotunud ühtlaselt, kuid ilma läbivalt korrastatud struktuurita. Selles olekus käitub MR vedelik põhimõtteliselt samamoodi kui tavaline Newtoni vedelik. Juhul kui rakendada sellele süsteemile väline magnetväli, joonduvad magnetilised osakesed omavahel mõjuvate dipool-dipool interaktsioonide tõttu piki välise magnetvälja jõujooni, tuues endaga kaasa ka vedeliku voolavuse vähenemise. Siinkohal sõltub aga magnetvälja tugevusest see kuivõrd tugevasti on magnetosakesed nendesse lineaarsetesse ahelatesse paigutunud, mis paneb omakorda paika MR vedeliku voolavuspiiri ja viskoossuse. Lisaks, kuna magnetvälja on lihtne muuta, muutes pooli läbivat voolu, siis see teebki MR vedelike mehaanilised omadused väga hästi kontrollitavateks. MR vedelikud on enamasti kahefaasilised vedelikud, mis on valmistatud suure hulga (kuni 50% ulatuses koguruumalast) tahkete, mikromeetri suurusjärgus läbimõõduga ja tugevasti magneetuvate osakeste dispergeerimisel mittemagnetilises vedelikus. Magnetosakestena võib kasutada nii ferro-, ferri- kui ka paramagnetilisi materjale, kuid eelistatud on nende hulgast pigem pehmed magnetmaterjalid, sest väikese koertsiivsuse tõttu on neid lihtsam magneetida ja demagneetida, võimaldades nii kergesti ümberpööratavate süsteemide loomist. Täpsemalt leiavad enim kasutust just raud ja raua ühendid. Näiteks eriti laialdaselt kasutatakse kõrge puhtusega karbonüülrauda, mis on lisaks pehme magnetmaterjal olemisele ka suure magnetilise läbitavusega. Keskkonnaks olev kandevedelik valitakse tavaliselt soovitavate reoloogiliste omaduste ja temperatuuri stabiilsuse põhjal. Enamasti on selleks mineraal- või silikoonõlid või ka vesi. Kuna mikromeetri suuruste ja ümbritsevast keskkonnast tunduvalt raskemate osakeste puhul ilmneb juba märgataval määral sadestumist, siis see muudab taolised MR vedelikud ajas ebapüsivateks. Sellepärast sisaldavad MR vedelikud veel erinevaid lisandeid, mille eesmärgiks on sadestumise ja iseenesliku aglomeratsiooni takistamine ning ka määrdeomaduste parandamine. Sellisteks sadestumist vähendavateks aineteks on näiteks surfaktandid nagu ksantaan, silikageel ja mitmed karboksüülhapped. Samuti on üheks sadestumise vähendamise võimaluseks väikeses koguses nanoosakeste nagu süsiniknanotorud või pürogeenne räni lisamine lahusesse. Nende ainete osakesed satuvad suuremate magnetosakeste vahelistesse tühimikesse, takistades nii magnetosakeste aglomeratsiooni ja settimist. MR vedelikke saab rakenduste järgi jagada üldiselt kolme erineva töörežiimi vahel, milleks on voolavus-, nihke- ja surverežiim. Nende kirjeldamiseks võib vaadata MR vedelikku kahe paralleelse plaadi vahel, mille tasandiga risti mõjub magnetväli, takistades seeläbi vedeliku liikumist plaatidega paralleelses suunas. Neid režiime eristatakse vastavalt sellele, millisele süsteemi osale ning mis suunas väline jõud mõjub. Tulenevalt konkreetsest režiimist võib leida neile süsteemidele erinevaid rakendusi. Voolavus- ehk ventiilrežiimi kasutatakse eelkõige just lineaarse summuti või hajutina. Nihkerežiim leiab pigem kasutust selle pöörlevas versioonis, mille praktilised näited on hüdraulilised piduri- ja sidurisüsteemid. Surverežiim võimaldab suurte raskuste kandmist väikese liikuvuse juures ja on sobilik seega näiteks hoonete vibratsioonikindlamaks muutmisel. Võimalus lihtsalt ja peaaegu hetkeliselt mõjutada soovitud suunas magnetoreoloogilise vedeliku omadusi teeb MR vedelikud huvipakkuvaks paljudes tehnoloogiavaldkondades. Magnetoreoloogiliste vedelike jaoks kõige laialdasemalt kasutust leidvaks valdkonnaks on erinevate ostsillatsioonide summutamine, mis masinatööstuse koha pealt on tihtipeale tarvilik mootorite vibratsiooni vähendamisel ja operaatori kabiini või istme summutamisel. Sarnaselt on need väga huvipakkuvad autotööstuses, kus lisaks vibratsiooni summutamisele arendatakse MR vedelike abil hetkeliselt ja täpselt reguleeritavat vedrustussüsteemi sõidukitele. Lisaks võimaldavad MR vedelikud luua ka hüdraulilisi piduri- ja sidurisüsteeme, milles puuduvad mehaaniliselt pidevalt liikuvad osad, kuna vajalik efekt saavutatakse vaid magnetvälja suurendamise või vähendamisega. Üheks magnetoreoloogiliste vedelike võimalikuks rakenduseks on nende kasutamine poolaktiivsete seismiliste summutitena, mis on ühenduses hoone kandvate konstruktsioonielementidega. Need võimaldavad erinevalt passiivsetest meetmetest tagada väikese energiakuluga parema vastupidavuse maavärinatele, absorbeerides endasse lööklaineid ja võnkumisi. Lennutööstuses leiavad MR vedelikud rakendust helikopterite kokpittide ja istmete ehituses, et aidata tagada reisijate turvalisust avariiolukordades ja lennuõnnetuste korral. Magnetoreoloogiliste summutite abil on võimalik vähendada õnnetuse korral ülekantavat energiat reisijate kehale ja selgroole ning seeläbi kahandada püsivate vigastuste ja traumade teket. Magnetoreoloogiliste vedelike kasutamine sõidukite vedrustuses pakub ka eraldi huvi soomustehnika arendamisel, arvestades, et vajalik on raskete masinatega liikuda väga ebatasastel maastikel. Lisaks uuritakse MR vedelikke ka kui ühte potentsiaalset komponenti kihilise struktuuriga soomuste ja kuulikindlate vestide arendamisel. Eelkõige pakuvad MR vedelikud siin huvi pärast kokkupuudet tekkinud energia summutamises ja hajutamises. Meditsiinis kasutatakse MR vedelikke põhiliselt jäsemete proteeside loomisel, et selle kasutajal oleks vastavalt oma liikumise aktiivsusele võimalik reguleerida jäseme jäikust. Näiteks jooksmisel ja hüppamisel on vajalik suurem jäikus samas kui rahulikumal liikumisel ja puhkamisel peaks see olema väiksem. Elektroreoloogiline vedelik B. J. Park, F. F. Fang, H. J. Choi, Magnetorheology: materials and application, Soft Matter, 6, 21, (2010) J. Vicente, D. J. Klingenberg, R. Hidalgo-Alvarez, Magnetorheological fluids: a review, Soft Matter 7, 3701, (2011) D. J. Carlson, M. R. Jolly, MR Fluid, foam and elastomer devices, Mechatronics 10 (2000), pp. 555-569 A. Spaggiari, Properties and applications of Magnetorheological fluids, 7, 48. (2013) A. M. Aly, Vibration Control of Buildings Using Magnetorheological Damper: A New Control Algorithm Journal of Engineering, vol. 2013, Article ID 596078, (2013) G. J. Hiemenz, Y.-T. Choi, N. M. Wereley, Semi-Active Control of Vertical Stroking Helicopter Crew Seat for Enhanced Crashworthiness, Journal of Aircraft, Vol. 44, No. 3 (2007), pp. 1031-1034. S. H. Ha, M. Seong, S. Choi, Design and vibration control of military vehicle suspension system using magnetorheological damper and disc spring, Smart Materials and Structures Vol. 22, No. 6, (2013) T. Fras, L. J. Fras, N. Faderl, Rubber and magnetorheological fluid applied as the interlayer in composite armours against high-velocity loadings., Diagnostyka, 18(3), (2017), 63-68 Ubaidillah, J. Sutrisno, A. Purwanto, S. A. Mazlan, Recent Progress on Magnetorheological Solids: Materials, Fabrication, Testing, and Applications Adv. Eng. Mater., 17, 5, (2015)