CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH vực NGHIÊN cứu 1.1 Giới thiệu lưu chất MRF Lưu chất từ biến (MRF) là một loại lưu chất có khả năng thay đổi tính chất lưu biến của nó khi bị tác động bởi một trường từ. MRF bao gồm các hạt đường kính nhỏ được phân tán trong một chất lỏng mang tính dẫn điện. Khi một trường từ được áp dụng cho MRF, các hạt sẽ được tổ chức lại và hình thành một cấu trúc thứ tự, dẫn đến sự tăng đáng kể độ nhớt của lưu chất. Quá trình này được gọi là "cứng hóa từ tính" (magnetic stiffening), khi đó MRF trở thành một chất lỏng có độ nhớt cao hoặc dạng sệt [ 1 ].
Lưu chất từ biến (MRF) được phát minh vào những năm 1940 (bởi Rabinow J) và được phát triển đáng kể trong những năm 1980 và 1990 [1]. Trong những năm đầu tiên, MRF được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng quân sự, bao gồm các hệ thống giảm chấn rung động cho các phưong tiện quân sự và các thiết bị giảm chấn cho vũ khí và phưong tiện tàng hình. Sau đó, MRF được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật. Các nhà khoa học đã phát triển các loại MRF mói có tính chất lưu biến khác nhau, điều khiển bằng cách sử dụng từ trường, ánh sáng hoặc nhiệt độ.
Các loại MRF này có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, bao gồm các hệ thống giảm chấn rung động cho ô tô, các thiết bị giảm chấn rung động trong công nghiệp và các thiết bị y tế, các hệ thống treo cho trực thăng và các ứng dụng trong robot học và tự động hóa. Hiện nay, MRF được coi là một trong những loại vật liệu thông minh (smart materials) tiên tiến nhất và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.2 Đặc điểm của MRF 1.1 Thành phần cấu tạo nên chất lưu biến từ (MRF) MRF gồm 2 thành phần chính: hạt từ tính (1), chất lỏng nền (2) ngoài ra còn các chất phụ gia là được thêm vào giúp làm giảm khả năng lắng động của các hạt sắt từ tính trong chất lưu biến từ (MRF), được thể hiện bởi Hình 1.1 Thành phần cấu tạo nên chất lưu biến từ (MRF) ỉ. ỉ Các hạt từ tính củ a MRF: Các hạt từ tính trong MRF được làm bằng các hợp chất từ tính như magnetit (Fe3O4) hoặc ferrite (BaFel2O19) [2,3]- Các hạt này có đường kính từ khoảng 1 đến 100 micromet. Các hạt từ tính trong MRF đóng vai trò quan trọng trong quá trình cứng hóa từ tính.
Khi một trường từ được áp dụng lên MRF, các hạt từ tính trong lưu chất sẽ được tổ chức lại và hình thành một cấu trúc thứ tự, dẫn đến sự tăng đắng kể độ nhớt của lưu chất. Độ nhớt của MRF có thể tăng lên đến hàng trăm lần so với trạng thái ban đầu, tùy thuộc vào loại hạt từ tính, kích thước và nồng độ của chúng. Lưu ý rằng các hạt từ tính trong MRF cũng có thể bị mất tính từ tính nếu chúng bị nhiễm từ trường quá mạnh hoặc vượt qua ngưỡng chịu tải của chúng. Điều này dẫn đến sự suy giảm tính ổn định và tuổi thọ của MRF.
Do đó, việc chọn loại hạt từ tính phù hợp và quản lý chúng một cách cẩn thận trong quá trình sản xuất và sử dụng là rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của MRF.2 chất lỏng nền: Magnetic Rheological Fluids (MRF) có thể chứa nhiều loại chất lỏng nền khác nhau, bao gồm diester, polyoxyalkylen, silicon fluorua, dầu silicon, dầu khoáng, dầu 5 paraffin, chất lỏng thủy lực, halogen, nước và dầu hydrocarbon tổng hợp [3]. Trong các nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các hạt từ tính phân tán trong chất lỏng, như chất làm lạnh, dầu hydrocarbon như chất béo và mỡ bán rắn, cũng như dầu silicon, chất lỏng clo và fluorua [3], Sự lắng đọng của các hạt từ tính đã dẫn đến mất điểm ổn định trong ứng xử của MRF. Để giảm hiện tượng lắng đọng này, đã xuất hiện các sản phẩm MRF mới dựa trên pha nhớt liên tục, giúp cải thiện tính ổn định của chất này. MRF hỗn hợp đã được giới thiệu bỏi Pan và đồng nghiệp [4], bằng cách kết hợp gelatin, các hạt sắt và chất lỏng nền.
Họ đã chứng minh rằng phản ứng MRF trong hỗn hợp này có hiệu suất cao hon so với việc sử dụng chỉ bột cacbonil sắt nguyên chất. Do chất lỏng cơ bản trong MRF thường dẫn điện, nó có khả năng tương tác với từ trường để kích thích các hạt từ tính bên trong chất lỏng. Một số loại chất lỏng nền thông dụng trong MRF bao gồm [5]: • Glycerol: Là một chất lỏng đặc biệt, có độ nhớt cao và không độc hại, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y tế và thực phẩm. Glycerol cũng là một chất lỏng dẫn điện tốt, làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến cho MRF.
• Silicone oil: Là một chất lỏng không màu, không mùi, không độc hại và có khả năng chống oxy hóa và chống ăn mòn. Silicone oil có độ nhớt thấp hơn glycerol, tạo ra một loại MRF có độ nhớt thấp hơn. • Dodecane: Là một chất lỏng hữu cơ, không màu, không mùi, không độc hại và có độ bền nhiệt cao. Dodecane có độ nhớt thấp hơn so với glycerol và được sử dụng trong các ứng dụng cần độ nhớt thấp.
Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, các chất lỏng nền khác nhau có thể được sử dụng. Việc chọn chất lỏng phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa tính chất lưu biến của MRF và đáp ứng yêu cầu của từng ứng dụng. Khi các hạt từ tính trong MRF lắng đọng, tính chất lưu biến của MRF sẽ bị suy giảm đáng kể và ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Đe giảm sự lắng đọng, các nghiên cứu đã tìm cách thiết kế các MRF mới với tính ổn định cao hơn.
Hơn nữa, đã có sự ra đời của MRF hỗn hợp do nhóm nghiên cứu 6 của Pan và đồng nghiệp giới thiệu [4], bao gồm sự kết hợp giữa các hạt sắt, gelatin, và chất lỏng nền. Họ đã chứng minh rằng phản ứng của MRF trong hỗn hợp này thể hiện hiệu suất xuất sắc ở cường độ từ trường thấp và có độ ổn định vượt trội so với việc sử dụng bột carbonyl sắt nguyên chất.3 Chất phụ gia: Các chất phụ gia thường được thêm vào MRF nhằm làm giảm sự lắng đọng của các hạt từ tính trong lưu chất. Các chất phụ gia này có thể bao gồm [6,7]: • Chất phân tán: Là các chất được thêm vào lưu chất để tăng khả năng phân tán của các hạt từ tính trong MRF. Các chất phân tán thường được sử dụng bao gồm các polymer như polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene glycol (PEG) và các surfactant như sodium dodecyl sulfate (SDS).
• Chất định hình: Là các chất được thêm vào để tạo thành các mạng liên kết giữa các hạt từ tính trong MRF và giúp duy trì tính ổn định của chúng. Các chất định hình thường được sử dụng bao gồm các polymer như PVA và các chất tạo màng như cellulose acetate. • Chất tạo độ nhớt: Là các chất được thêm vào để điều chỉnh độ nhớt của lưu chất và ổn định lưu biến của MRF. Các chất tạo độ nhớt thường được sử dụng bao gồm các polymer như polyacrylamide (PAM) và polyethylene oxide (PEO).
Việc sử dụng các chất phụ gia này có thể cải thiện tính ổn định và tính chất lưu biến của MRF, giảm sự lắng đọng của các hạt từ tính trong lưu chất và tăng hiệu suất của hệ thống. Tuy nhiên, việc chọn chất phụ gia phù hợp cần được cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo tính ổn định và hiệu suất của MRF trong quá trình sử dụng. Tỷ lệ pha trộn của lưu chất và hạt từ tính trong MRF có thể được điều chỉnh để tạo ra các tính chất lưu biến khác nhau. Tỷ lệ pha trộn thường được điều chỉnh để đạt được độ nhớt lý tưởng và tính chất lưu biến tối ưu cho mỗi ứng dụng cụ thể của MRF.
Các thành phần này khi kết hợp sẽ tạo thành một hỗn hợp đồng nhất, ảnh hưởng đến ứng suất chảy dẻo lớn nhất và độ từ thẩm của chất. Vì vậy, bất kỳ sự thay đổi nào trong tỷ lệ 7 của các thành phần này sẽ tạo ra các loại MRF khác nhau, như được mô tả trong Bảng 1. Bảng 1 ■ 1 Thông số dặc trưng cửa MRF do hãng Lord Corporation cưng cấp. Loại MRF MRF-122EG MRF-132DG MRF-140CG Độ nhớt (Pa.s), (40 °C) 0,042 ± 0,020 0,112 + 0,02 0,280 ± 0,070 Tỷ trọng (g/cm3) 2,28 2,98 3,54 Tỷ lệ hạt từ (%) 72 80,98 85,44 Nhiệt độ hoạt động (°C) 40 đến +150 Cường độ từ trường (kA/m) 150-250 ứng suất dẻo (kPa) 50 - 100 Thời gian đáp ứng Vài ms 1.2 Nguyên lỷ hoạt động Trong điều kiện bình thường (khi không bị tác dụng bỏi từ trường), các hạt sắt dưới dạng nano trong chất lưu biến từ - MRF hoạt động và di chuyển tự do như là Newton.
Tuy nhiên, khi bị tác dụng bởi từ trường bên ngoài, các hạt sát trong chất lưu biến từ - MRF sẽ tưong tác với nhau và sắp xếp lại dọc theo hướng của các đường sức từ. Độ mạnh hoặc chắc của các liên kết này phụ thuộc vào cường độ từ trường tác dụng lên. Ở trạng thái hoạt động này (khi MRF bị tác dụng bởi từ trường bên ngoài), độ nhớt của MRF tăng lên đáng kể do ảnh hưởng của lực từ và ma sát giữa các hạt sắt trong chất lưu biến từ, khiến các hạt này hoạt động như một chất bán rắn. Cường độ từ trường càng mạnh thì càng tạo ra nhiều ma sát giữa các hạt và làm cho quá trình liên kết giữa các hạt cứng hon.
Trong trạng thái không có tác động từ trường, các hạt từ tính trong MRF di chuyển tự do, và MRF ứng xử như một lưu chất theo đặc điểm của lưu chất Newton (xem Hình 1. Tuy nhiên, khi MRF chịu tác động từ trường bên ngoài, các hạt từ tính 8 sẽ tương tác và tự sắp xếp lại theo hình dạng phân bố của đường sức từ. Những hạt từ này có khả năng chống lại sự phá vỡ liên kết, khiến cho MRF trở nên đặc hơn. Khi cường độ của từ trường ở mức thấp, sự phân bố của các hạt từ tính không rõ ràng lắm (xem Hình 1.
Khả năng liên kết của các hạt từ tính phụ thuộc rất lớn vào cường độ của từ trường bên ngoài tác động vào MRF. a) Không có từ trường b) Có từ trường Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của lưu chất MRF [8], 1.