EP1782437B1 - Magnetorheologische materialien mit hohem schaltfaktor und deren verwendung - Google Patents

Magnetorheologische materialien mit hohem schaltfaktor und deren verwendung Download PDF

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EP1782437B1
EP1782437B1 EP05782479A EP05782479A EP1782437B1 EP 1782437 B1 EP1782437 B1 EP 1782437B1 EP 05782479 A EP05782479 A EP 05782479A EP 05782479 A EP05782479 A EP 05782479A EP 1782437 B1 EP1782437 B1 EP 1782437B1
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EP
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magnetorheological materials
particles
mrf
magnetorheological
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EP05782479A
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EP1782437A1 (de
Inventor
Holger Böse
Alexandra-Maria Trendler
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/44—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of magnetic liquids, e.g. ferrofluids
    • H01F1/447—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of magnetic liquids, e.g. ferrofluids characterised by magnetoviscosity, e.g. magnetorheological, magnetothixotropic, magnetodilatant liquids

Definitions

  • the present invention relates to high switching factor magnetorheological materials, and more particularly to high switching factor magnetorheological fluids (MRF), and their use.
  • MRF high switching factor magnetorheological fluids
  • MRF are materials that change their flow behavior under the influence of an external magnetic field.
  • electrorheological fluids are usually non-colloidal suspensions of particles which can be polarized in a magnetic or electric field in a carrier liquid which optionally contains further additives.
  • MRF brakes and different vibration and shock absorbers Mark R. Jolly, Jonathan W. Bender, and J. David Carlson, Properties and Applications of Commercial Magnetorheological Fluids, SPIE 5th Annual Int Symposium on Smart Structures and Materials, San Diego, CA, March 15, 1998 ). In the following some special properties of MRF and their influenceability are described.
  • MRF are mostly non-colloidal suspensions of magnetizable particles, from about one micron to one millimeter in size in a carrier liquid.
  • the MRF can also additives such.
  • the particles are ideally homogeneous and isotropically distributed, so that the MRF has a low dynamic basis viscosity ⁇ o [measured in Pa.s] in the magnet-free space.
  • ⁇ o measured in Pa.s
  • the dynamic viscosity of an MRF is determined with a rotational viscometer.
  • the shear stress ⁇ [measured in Pa] is measured at different magnetic field strengths and given shear rate D [in s -1 ].
  • the changes in the flow behavior of the MRF depend on the concentration and type of magnetizable particles, their shape, size and size distribution; but also the properties of the carrier liquid, the additional additives, the applied field, the temperature and other factors.
  • the mutual interrelations of all these parameters are extremely complex, so that individual improvements of an MRF with respect to a specific target size have been the subject of investigations and optimization efforts again and again.
  • B ⁇ r ⁇ ⁇ O ⁇ H
  • ⁇ r relative permeability of the medium whose magnetic flux density is to be determined
  • ⁇ o 4 ⁇ ⁇ ⁇ 10 -7
  • V ⁇ s / A ⁇ m absolute permeability.
  • the switching factor w D can thus be considered as a measure of the feasibility of a magnetic excitation in a rheological state change of the MRF.
  • a "high" switching factor means that a small change in the magnetic flux density B results in a large change in the shear stress ⁇ B / ⁇ O or the dynamic viscosity ⁇ B / ⁇ O in the MRF.
  • MRF spherical particles of carbonyl iron
  • MRF magnetizable substances and mixtures of substances known. That's how it describes WO 02/45102 A1 an MRF with a mixture of high-purity iron particles and ferrite particles, in order to simultaneously optimize the properties of the MRF with and without a magnetic field. No information is given on the particle shape and size. Furthermore, there are numerous patents on specific particle geometries and distributions.
  • US 6,610,404 B2 describes a magnetorheological material of magnetic particles with defined geometric features such as cylinder or prism shapes, among others. The production of such particles is very expensive. For strongly asymmetric particles, a high base viscosity of the MRF is also to be expected.
  • US 6,395,193 B1 and WO 01/84568 A2 Magnetorheological compositions are described with nonspherical magnetic particles, but these are not combined with spherical magnetic particles.
  • a magnetorheological composition which contains soft magnetic spherical carbonyl iron particles (1 - 10 microns) and hard magnetic iron oxide or chromium dioxide particles (0.1 - 1 micron).
  • magnetorheological materials in particular MRF, with two types of magnetisable particles are proposed, wherein the first particle fraction p consists of irregularly shaped non-spherical particles and the second fraction q consists of spherical particles.
  • the combination of irregularly shaped non-spherical particles and spherical particles in the carrier medium surprisingly achieves both a low base viscosity without field and a high shear stress in the external magnetic field. That is, the magnetorheological materials of the invention have an exceptionally high switching factor.
  • the production of the irregular is shaped particle fraction p little expensive and thus extremely inexpensive.
  • the average particle size of the fraction p is equal to or greater than that of the fraction q. The use of irregularly shaped, non-spherical particles thus creates a significant cost advantage compared to the production of known materials.
  • the mean particle size of the fraction p preferably has at least twice the average particle size of the fraction q. Furthermore, it is favorable if the average particle sizes of the fractions p and q are between 0.01 ⁇ m and 1000 ⁇ m, preferably between 0.1 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • a further advantageous embodiment of the magnetorheological materials according to the invention provides that the volume ratio of fractions p and q is between 1:99 and 99: 1, preferably between 10:90 and 90:10.
  • the magnetizable particles of soft magnetic particles according to the state made of engineering.
  • the magnetisable particles both from the amount of soft magnetic metallic materials such as iron, cobalt, nickel (even in non-pure form) and alloys thereof such as iron-cobalt, iron-nickel; magnetic steel;
  • mixed ferrites such as MnZn, NiZn, NiCo, NiCuCo, NiMg or CuMg ferrites.
  • the magnetizable particles can also consist of iron carbide or iron nitride particles and of alloys of vanadium, tungsten, copper and manganese as well as of mixtures of the mentioned particle materials or of mixtures of different magnetizable types of solids.
  • the soft magnetic materials may also be present all or partially in contaminated form.
  • carrier liquids and fats, gels or elastomers are considered.
  • carrier liquids the liquids known from the prior art, such as water, mineral oils, synthetic oils, such as polyalphaolefins, hydrocarbons, silicone oils, esters, polyethers, fluorinated polyethers, polyglycols, fluorinated hydrocarbons, halogenated hydrocarbons, fluorinated silicones, organically modified silicones and copolymers thereof or mixtures of these liquids.
  • inorganic particles such as SiO 2 , TiO 2 , iron oxides, layered silicates or organic additives and combinations thereof may be added to the suspension to reduce sedimentation.
  • a further advantageous embodiment of the magnetorheological materials according to the invention provides that the inorganic particles are at least partially organically modified.
  • the suspension contains particulate additives such as graphite, perfluoroethylene or molybdenum compounds such as molybdenum disulfite and combinations thereof in order to reduce abrasion phenomena.
  • the suspension for use in the surface treatment of workpieces may contain special abrasive and / or chemical caustic additives, e.g. Corundum, cerium oxides, silicon carbide or diamond contains.
  • the proportion of magnetizable particles between 10 and 70 vol .-%, preferably between 20 and 60 vol .-%, is; the proportion of the carrier medium is between 20 and 90% by volume, preferably between 30 and 80% by volume, and the proportion of nonmagnetizable additives is between 0.001 and 20% by mass, preferably between 0.01 and 15 mass% (based on the magnetizable solids), is.
  • the invention further relates to the use of the materials described in more detail above.
  • magnetorheological materials according to the invention provides for their use in adaptive shock and vibration dampers, controllable brakes, clutches and in sports or training equipment. Special materials can also be used for the surface treatment of workpieces.
  • the magnetorheological materials can also be used to generate and / or display haptic information such as characters, computer-simulated objects, sensor signals or images, in haptic form, for simulating viscous, elastic and / or viscoelastic properties or the consistency distribution of an object, in particular for training purposes. and / or research and / or for medical applications.
  • haptic information such as characters, computer-simulated objects, sensor signals or images, in haptic form, for simulating viscous, elastic and / or viscoelastic properties or the consistency distribution of an object, in particular for training purposes. and / or research and / or for medical applications.
  • MRF magnetorheological fluid
  • the rheological and magnetorheological measurements were carried out in a Searle Systems MCR 300 from Paar Physica.
  • the rheological properties were carried out without applied magnetic field in a measuring system with coaxial cylinder geometry, while the measurements were carried out in the magnetic field in a plate-plate arrangement perpendicular to the field lines.
  • illustration 1 shows the shear stress ⁇ O as a function of the shear rate D for the inventive MRF 3 and the two comparative approaches MRF 1 and MRF 2 without applied magnetic field. It can be seen that the flow curve of the MRF 3 according to the invention is below that of MRF 1 and MRF 2 at all shear rates outside the quasistatic range (D> 1 s -1 ). This means that the MRF 3 according to the invention has the lowest dynamic basic viscosity ⁇ O in magnetic-field-free space at a fixed shear rate D in comparison with the other approaches (compare equation (1) of the description).
  • the MRF 3 according to the invention has higher shear stresses ⁇ B over the entire measuring range than the comparative batch MRF 2, which contains only irregularly shaped iron particles (p).
  • the MRF 3 according to the invention has the highest shear stresses ⁇ B overall in the magnetic field in comparison with the lugs MRF 1 and MRF 2 without particle mixtures.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Soft Magnetic Materials (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetorheologische Materialien mit hohem Schaltfaktor, insbesondere auf magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) mit hohem Schaltfaktor, sowie deren Verwendung.
  • MRF sind Materialien, die unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes ihr Fließverhalten ändern. Wie bei ihren elektrorheologischen Analoga, den sogenannten elektrorheologischen Flüssigkeiten (ERF) handelt es sich in der Regel um nicht-kolloidale Suspensionen aus in einem magnetischen bzw. elektrischen Feld polarisierbaren Teilchen in einer Trägerflüssigkeit, die gegebenenfalls weitere Additive enthält.
  • Die Grundlagen der MRF und erste Vorrichtungen zur Ausnutzung des magnetorheologischen Effekts gehen auf Jacob Rabinow im Jahr 1948 zurück (Rabinow, J., Magnetic Fluid Clutch, National Bureau of Standards Technical News Bulletin 33(4) 54-60, 1948; U.S. Patent 2,575,360 ). Nach anfänglich großem Aufsehen ebbte das Interesse an MRF zunächst ab, um ab Mitte der neunziger Jahre eine Renaissance zu erleben (Bullough, W.A. (Editor), Proceedings of the 5th International Conference on Electro-Rheological Fluids, Magneto-Rheological Suspensions and Associated Technology (1.), Singapore, New Jersey, London, Hong Kong: World Scientific Publishing, 1996). Inzwischen sind zahlreiche magnetorheologische Flüssigkeiten und Systeme kommerziell erhältlich wie z. B. MRF-Bremsen sowie unterschiedliche Vibrations- und Stossdämpfer (Mark R. Jolly, Jonathan W. Bender, and J. David Carlson, Properties and Applications of Commercial Magnetorheological Fluids, SPIE 5th Annual Int Symposium on Smart Structures and Materials, San Diego, CA, March 15, 1998). Nachfolgend werden einige spezielle Eigenschaften von MRF und deren Beeinflussbarkeit beschrieben.
  • MRF sind meist nicht-kolloidale Suspensionen magnetisierbarer Teilchen, von ca. einem Mikrometer bis zu einem Millimeter Größe in einer Trägerflüssigkeit. Zur Stabilisierung der Partikel gegenüber Sedimentation und zur Verbesserung der Anwendungseigenschaften kann die MRF außerdem Additive wie z. B. Dispergierhilfsmittel und verdickend wirkende Zusatzstoffe enthalten. Ohne äußeres Magnetfeld sind die Partikel idealerweise homogen und isotrop verteilt, so dass die MRF im magnetfreien Raum eine geringe dynamische Basisviskosität ηo [gemessen in Pa·s] aufweist. Bei Anlegen eines äußeren Magnetfeldes H ordnen sich die magnetisierbaren Teilchen in kettenartigen Strukturen parallel zu den magnetischen Feldlinien an. Dadurch wird das Fließvermögen der Suspension eingeschränkt, was sich makroskopisch als Viskositätsanstieg bemerkbar macht. Die feldabhängige dynamische Viskosität ηH nimmt dabei in der Regel monoton mit der applizierten Magnetfeldstärke H zu.
  • In der Praxis wird die dynamische Viskosität einer MRF mit einem Rotationsviskosimeter bestimmt. Hierzu wird die Schubspannung τ [gemessen in Pa] bei verschiedenen Magnetfeldstärken und vorgegebener Scherrate D [in s-1] gemessen. Dabei wird die dynamische Viskosität η [in Pa·s] durch η = τ / D
    Figure imgb0001
    definiert.
  • Die Änderungen im Fließverhalten der MRF hängen von der Konzentration und Art der magnetisierbaren Teilchen ab, von ihrer Form, Größe und Größenverteilung; aber auch von den Eigenschaften der Trägerflüssigkeit, den zusätzlichen Additiven, dem angelegten Feld, der Temperatur und anderen Faktoren. Die gegenseitigen Wechselbeziehungen all dieser Parameter sind äußerst komplex, so dass einzelne Verbesserungen einer MRF im Hinblick auf eine spezielle Zielgröße immer wieder Gegenstand von Untersuchungen und Optimierungsbemühungen gewesen sind.
  • Ein Forschungsschwerpunkt war dabei die Entwicklung von MRF mit hohem Schaltfaktor. In Gleichung (2) wird der Schaltfaktor wD bei einer festen Scherrate D definiert als Verhältnis der Schubspannung τH der MRF im externen Magnetfeld H zur Schubspannung τO ohne Magnetfeld: w D = τ H / τ O .
    Figure imgb0002
  • Die externe Magnetfeldstärke H [gemessen in A/m] ist nach Gleichung (3) mit der magnetischen Flussdichte B [gemessen in N/A·m = T] korreliert B = μ r ⋅ μ o ⋅ H .
    Figure imgb0003
    Mit
    µr: relative Permeabilität des Mediums, dessen magnetische Flussdichte bestimmt werden soll,
    µo = 4 · π · 10-7 V·s/A·m : absolute Permeabilität.
  • Da es sich in der Praxis als nützlich erwiesen hat, magnetische Kennzahlen als Funktion der magnetischen Flussdichte B anzugeben, wird nachfolgend auch der Schaltfaktor auf dieses Bezugssystem transformiert. W D = τ B / τ O .
    Figure imgb0004
    Mit
    τB: Schubspannung der MRF im externen Magnetfeld
    H mit der magnetischen Flussdichte B.
  • Der Schaltfaktor wD kann somit als Maß für die Umsetzbarkeit einer magnetischen Anregung in eine rheologische Zustandsänderung der MRF angesehen werden. Ein "hoher" Schaltfaktor bedeutet, dass mit einer geringen magnetischen Flussdichteänderung B eine große Änderung der Schubspannung τB/τO bzw. der dynamischen Viskosität ηB/ηO in der MRF erzielt wird. In der Vergangenheit hat es zahlreiche Ansätze gegeben, den Schaltfaktor durch geeignete Wahl der magnetisierbaren Teilchen im Hinblick auf eine höhere Effektivität der MRF zu optimieren.
  • In der Regel werden für MRF kugelförmige Partikel aus Carbonyleisen eingesetzt. Es sind aber auch MRF mit anderen magnetisierbaren Stoffen sowie Stoffgemischen bekannt. So beschreibt die WO 02/45102 A1 eine MRF mit einer Mischung aus hochreinen Eisenpartikeln und Ferritpartikeln, um die Eigenschaften der MRF mit und ohne Magnetfeld gleichzeitig zu optimieren. Über die Partikelform und -größe werden keine Angaben gemacht. Desweiteren gibt es zahlreiche Patente zu speziellen Teilchengeometrien und -verteilungen.
  • Aus US 5,667,715 sind MRF bekannt, die kugelförmige Teilchen mit einer bimodalen Partikelgrößenverteilung enthalten, wobei das Verhältnis der mittleren Partikelgrößen der beiden Fraktionen zwischen 5 und 10 liegt. Außerdem darf die Breite der Partikelgrößenverteilungen der beiden Einzelfraktionen den Wert von zwei Drittel der jeweiligen mittleren Partikelgrößen nicht überschreiten. In US 5,900,184 und US 6,027,664 werden ebenfalls MRF mit bimodalen Partikelgrößenverteilungen beschrieben, wobei das Verhältnis der mittleren Partikelgrößen der beiden Fraktionen zwischen 3 und 15 liegt. In EP 1 283 530 A2 wird die Konzentration der magnetisierbaren Partikel, die wiederum in bimodaler Größenverteilung vorliegen, mit 86 - 90 Massen-% angegeben.
  • US 6,610,404 B2 beschreibt ein magnetorheologisches Material aus magnetischen Partikeln mit definierten geometrischen Merkmalen wie z.B. Zylinder- oder Prismenformen u. a.. Die Herstellung derartiger Partikel ist sehr aufwendig. Bei stark asymmetrischen Teilchen ist außerdem mit einer hohen Basisviskosität der MRF zu rechnen. In US 6,395,193 B1 und WO 01/84568 A2 werden magnetorheologische Zusammensetzungen mit nichtsphärischen magnetischen Teilchen beschrieben, doch werden diese nicht mit kugelförmigen magnetischen Teilchen kombiniert.
  • Aus WO 93/21644 ist eine magnetorheologische Zusammensetzung bekannt, die weichmagnetische sphärische Karbonyleisenpartikel (1 - 10μm) und hartmagnetische Eisenoxid- oder Chromdioxidpartikel (0.1 - 1μm) enthält.
  • Allen genannten MRF ist gemeinsam, dass sie zur Erzielung eines hohen Schaltfaktors auf spezielle Partikelgrößen bzw. Partikelgrößenverteilungen und/oder definierte Teilchengeometrien angewiesen sind. Dadurch wird ihre Präparation aufwendig und entsprechend kostspielig.
  • Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung magnetorheologische Materialien mit hohem Schaltfaktor, insbesondere MRF mit hohem Schaltfaktor, vorzuschlagen, deren Präparation weniger aufwendig und damit kostengünstig ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen derartig hergestellter magnetorheologischer Materialien, insbesondere MRF, werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Desweiteren geben die Patentansprüche 17 bis 19 Verwendungsmöglichkeiten derartig hergestellter magnetorheologischer Materialien an.
  • Erfindungsgemäß werden somit magnetorheologische Materialien, insbesondere MRF, mit zwei Arten von magnetisierbaren Partikeln vorgeschlagen, wobei die erste Partikelfraktion p aus unregelmäßig geformten nichtsphärischen Teilchen besteht und die zweite Fraktion q aus sphärischen Teilchen. Durch die Kombination von unregelmäßig geformten nichtsphärischen Partikeln und sphärischen Partikeln in dem Trägermedium werden überraschenderweise sowohl eine niedrige Basisviskosität ohne Feld als auch eine hohe Schubspannung im externen Magnetfeld erreicht. Das heißt, die erfindungsgemäßen magnetorheologischen Materialien weisen einen außergewöhnlich hohen Schaltfaktor auf. Außerdem ist die Herstellung der unregelmäßig geformten Partikelfraktion p wenig aufwendig und somit äußerst preisgünstig. Bevorzugt ist die mittlere Partikelgröße der Fraktion p gleich oder größer als diejenige der Fraktion q. Durch den Einsatz von unregelmäßig geformten, nichtsphärischen Teilchen entsteht also ein signifikanter Kostenvorteil im Vergleich zur Herstellung bekannter Materialien.
  • Es hat sich herausgestellt, dass z.B. bei einer MRF, die zum Vergleich nur kleine kugelförmige Partikel enthält, die Basisviskosität deutlich erhöht ist. Dagegen werden bei einer anderen MRF, die nur die großen unregelmäßig geformten Partikel enthält, deutlich geringere Schubspannungen im Magnetfeld festgestellt. Die MRF mit einer Kombination aus großen unregelmäßig geformten, nichtsphärischen Teilchen und kleinen sphärischen Teilchen weist damit ein deutlich verbessertes Eigenschaftsprofil auf.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Materialien sieht vor, dass die mittlere Partikelgröße der Fraktion p bevorzugt mindestens den doppelten Wert der mittleren Partikelgröße der Fraktion q aufweist. Weiterhin ist es günstig, wenn die mittleren Partikelgrößen der Fraktionen p und q zwischen 0,01 µm und 1000 µm, bevorzugt zwischen 0,1 µm und 100 µm, liegen.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Materialien sieht vor, dass das Volumenverhältnis der Fraktionen p und q zwischen 1 : 99 und 99 : 1, bevorzugt zwischen 10 : 90 und 90 : 10, liegt.
  • Erfindungsgemäß werden die magnetisierbaren Partikel aus weichmagnetischen Partikeln nach dem Stand der Technik gebildet. Dies bedeutet, dass die magnetisierbaren Partikel sowohl aus der Menge der weichmagnetischen metallischen Werkstoffe wie Eisen, Cobalt, Nickel (auch in nichtreiner Form) und Legierungen daraus wie Eisen-Cobalt, Eisen-Nickel; magnetischer Stahl; Eisen-Silizium ausgewählt werden können als auch aus der Menge der weichmagnetischen oxidkeramischen Werkstoffe wie den kubischen Ferriten, den Perowskiten und den Granaten der allgemeinen Formel

            MO·Fe2O3

    mit einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ti, Cd oder Mg.
  • Daneben können aber auch Mischferrite wie MnZn-, NiZn-, NiCo-, NiCuCo-, NiMg- oder CuMg-Ferrite eingesetzt werden.
  • Die magnetisierbaren Partikel können aber auch aus Eisencarbid- oder Eisennitridpartikeln bestehen sowie aus Legierungen von Vanadium, Wolfram, Kupfer und Mangan sowie aus Mischungen aus den genannten Partikelmaterialien oder aus Mischungen unterschiedlicher magnetisierbarer Feststoffarten. Dabei können die weichmagnetischen Werkstoffe auch alle oder teilweise in verunreinigter Form vorliegen.
  • Als Trägermedium im Sinne der Erfindung werden Trägerflüssigkeiten sowie Fette, Gele oder Elastomere angesehen. Als Trägerflüssigkeiten können die aus dem Stand der Technik bekannten Flüssigkeiten, wie Wasser, Mineralöle, synthetische Öle wie Polyalphaolefine, Kohlenwasserstoffe, Siliconöle, Ester, Polyether, fluorierte Polyether, Polyglykole, fluorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe, fluorierte Silicone, organisch modifizierte Silicone sowie Copolymere daraus oder Mischungen aus diesen Flüssigkeiten eingesetzt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Materialien können der Suspension zur Herabsetzung der Sedimentation anorganische Partikel wie SiO2, TiO2, Eisenoxide, Schichtsilicate oder organische Additive sowie Kombinationen daraus zugegeben werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Materialien sieht vor, dass die anorganischen Partikel mindestens zum Teil organisch modifiziert sind.
  • Weitere besondere Ausführungsformen der magnetorheologischen Materialien sehen vor, dass die Suspension zur Herabsetzung von Abrasionserscheinungen partikelförmige Additive wie Graphit, Perfluorethylen oder Molybdänverbindungen wie Molybdändisulfit sowie Kombinationen daraus enthält. Es ist auch möglich, dass die Suspension zum Einsatz für die Oberflächenbehandlung von Werkstücken spezielle abrasiv wirkende und/oder chemisch ätzende Zusatzstoffe wie z.B. Korund, Ceroxide, Siliziumcarbid oder Diamant enthält.
  • Insgesamt hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Anteil der magnetisierbaren Partikel zwischen 10 und 70 Vol.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Vol.-%, liegt; der Anteil des Trägermediums zwischen 20 und 90 Vol.-%, bevorzugt zwischen 30 und 80 Vol.-%, liegt und der Anteil der nichtmagnetisierbaren Additive zwischen 0,001 und 20 Massen-%, bevorzugt zwischen 0,01 und 15 Massen-% (bezogen auf die magnetisierbaren Feststoffe), liegt.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der vorstehend näher beschriebenen Materialien.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Materialien sieht deren Verwendung in adaptiven Stoß- und Schwingungsdämpfern, steuerbaren Bremsen, Kupplungen sowie in Sport- oder Trainingsgeräten vor. Spezielle Materialien können auch zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken eingesetzt werden.
  • Letztlich können die magnetorheologischen Materialien auch zur Erzeugung und/oder Darstellung haptischer Informationen wie Schriftzeichen, computersimulierter Objekte, Sensorsignale oder Bilder, in haptischer Form, zur Simulation von viskosen, elastischen und/oder viskoelastischen Eigenschaften bzw. der Konsistenzverteilung eines Objekts, insbesondere zu Trainings- und/oder Forschungszwecken und/oder für medizinische Anwendungen, eingesetzt werden.
  • Im Folgenden wird ein Beispiel für die Herstellung der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Materialien, insbesondere die Herstellung einer magnetorheologischen Flüssigkeit (MRF), beschrieben.
    • Beispiel 1
  • Eingesetzte Edukte:
    • Polyalphaolefin mit einer Dichte von 0,83 g/cm3 bei 15° C und einer kinematischen Viskosität von 48,5 mm/s2 bei 40° C,
    • unregelmäßig geformte Eisenpartikel (p) mit einer mittleren Teilchengröße von 41 µm, gemessen in Isopropanol mittels Laserbeugung mit Hilfe eines Mastersizers S der Firma Malvern Instruments,
    • kugelförmige Eisenpartikel (q) mit einer mittleren Teilchengröße von 4,7 µm, gemessen in Isopropanol mittels Laserbeugung mit Hilfe eines Mastersizers S der Firma Malvern Instruments.
  • 80 ml einer Suspension mit 35,00 Vol.-% Eisenpulver, davon 23,33 Vol-% unregelmäßig geformte Partikel (p) und 11,66 Vol.-% kugelförmige Partikel (q), in Polyalphaolefin werden wie folgt hergestellt:
    • 43,16 g Polyalphaolefin werden in einem Stahlbehälter von 250 ml Inhalt auf 0,001 g Einwaagegenauigkeit eingewogen. Unter ständigem Rühren werden dann zuerst 146,96 g des unregelmäßig geformten Eisenpulvers (p) langsam eingestreut, anschließend erfolgt in gleicher Weise die Zugabe von 73,45 g der kugelförmigen Eisenpartikel (q). Die Dispergierung des Eisenpulvers im Öl erfolgt mit Hilfe eines Dispermat der Firma VMA-Getzmann GmbH mittels einer Dissolverscheibe mit einem Durchmesser von 30 mm, wobei ein Abstand zwischen der Dissolverscheibe und dem Behälterboden von 1 mm besteht. Die Behandlungsdauer beträgt 3 min bei ca. 6500 Umdrehungen pro Minute. Die Rührgeschwindigkeit ist der Viskosität des Ansatzes dann optimal angepasst, wenn die Drehscheibe unter Bildung einer Trombe von oben deutlich sichtbar ist.
  • Die derart hergestellte magnetorheologische Flüssigkeit MRF 3 mit der Eisenpartikelmischung (p) + (q) wurde anschließend hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert und mit zwei weiteren entsprechend hergestellten magnetorheologischen Flüssigkeiten verglichen. Dabei enthielt
    • MRF 1 anstelle der Partikelmischung (p) + (q), 35 Vol.-% der reinen kugelförmigen Eisenpartikel (q) in Polyalphaolefin und
    • MRF 2 anstelle der Partikelmischung (p) + (q), 35 Vol.-% der reinen unregelmäßig geformten Eisenpartikel (p) in Polyalphaolefin.
  • Die rheologischen und magnetorheologischen Messungen erfolgten in einem Rotationsrheometer (Searle Systems) MCR 300 der Firma Paar Physica. Dabei wurden die rheologischen Eigenschaften ohne angelegtes Magnetfeld in einem Messsystem mit koaxialer Zylindergeometrie durchgeführt, während die Messungen im Magnetfeld in einer Platte-Platte Anordnung senkrecht zu den Feldlinien erfolgten.
  • Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in den Abbildungen 1 bis 3 zusammengefasst.
  • Abbildung 1 zeigt die Schubspannung τO als Funktion der Scherrate D für die erfindungsgemäße MRF 3 sowie die beiden Vergleichsansätze MRF 1 und MRF 2 ohne angelegtes Magnetfeld. Man erkennt, dass die Fließkurve der erfindungsgemäßen MRF 3 bei allen Scherraten außerhalb des quasistatischen Bereichs (D > 1 s-1) unterhalb derer von MRF 1 und MRF 2 liegt. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße MRF 3 im magnetfeldfreien Raum bei einer festen Scherrate D im Vergleich zu den übrigen Ansätzen die geringste dynamische Basisviskosität ηO aufweist (vgl. Gleichung (1) der Beschreibung).
  • Abbildung 2 zeigt die Schubspannung τB als Funktion der magnetischen Flussdichte B für die erfindungsgemäße MRF 3 sowie die beiden Vergleichsansätze MRF 1 und MRF 2 im quasistatischen Bereich (D = 1 s-1). Man erkennt, dass die erfindungsgemäße MRF 3 im gesamten Messbereich höhere Schubspannungen τB aufweist als der Vergleichsansatz MRF 2, der lediglich unregelmäßig geformte Eisenpartikel (p) enthält. Weiterhin erkennt man, dass die Schubspannung τB der erfindungsgemäßen MRF 3 bis zu einer Scherrate von D = 400 s-1 deckungsgleich mit derjenigen von MRF 1 verläuft, dann aber noch deren Werte übertrifft. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße MRF 3 im Magnetfeld gleiche oder höhere Schubspannungen τB aufweist wie MRF 1, die lediglich kleine kugelförmige Eisenpartikel (q) enthält.
  • Zusammenfassend kann somit gesagt werden, dass die erfindungsgemäße MRF 3 im Magnetfeld im Vergleich zu den Ansätzen MRF1 und MRF2 ohne Partikelmischungen insgesamt die höchsten Schubspannungen τB aufweist.
  • Abbildung 3 zeigt den Schaltfaktor wD als Funktion der magnetischen Flussdichte B für die erfindungsgemäße MRF 3 sowie die beiden Vergleichsansätze MRF 1 und MRF 2 bei einer konstanten Scherrate von D = 100 s-1. Man erkennt, dass der Schaltfaktor WD der erfindungsgemäßen MRF 3 im gesamten Messbereich diejenigen der Ansätze MRF 1 und MRF 2 übertrifft. So lässt sich beispielsweise bei einer Flussdichte von B = 500 mT eine Erhöhung des Schaltfaktors WD um den Faktor 3 im Verhältnis zu MRF 1 bzw. um den Faktor 5 im Verhältnis zu MRF 2 feststellen.
  • Insgesamt bleibt festzuhalten, dass die erfindungsgemäße MRF 3 mit der Partikelmischung aus großen unregelmäßig geformten Eisenteilchen und kleihen kugelförmigen Eisenteilchen sowohl die geringste dynamische Basisviskosität ηo im feldfreien Raum als auch den größten Schaltfaktor wD im Magnetfeld im Verhältnis zu den Vergleichsansätzen MRF 1 und MRF 2 aufweist.

Claims (19)

  1. Magnetorheologische Materialien aus mindestens einem nicht-magnetisierbaren Trägermedium und darin enthaltenen weichmagnetschen magnetisierbaren Partikeln, dadurch gekennzeichnet, dass als Partikel mindestens zwei magnetisierbare Partikelfraktionen p und q enthalten sind, wobei p aus nicht-sphärischen Partikeln und q aus sphärischen Partikeln gebildet ist, wobei die mittlere Partikelgröße von p größer q ist.
  2. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Partikelgröße der Fraktion p bevorzugt mindestens den doppelten Wert der mittleren Partikelgröße der Fraktion q aufweist.
  3. Magnetorheologische Materialien nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittleren Partikelgrößen der Fraktionen p und q zwischen 0,0 1 µm und 1000 µm liegen, bevorzugt zwischen 0, 1 µm und 100 µm.
  4. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis der Fraktionen p und q zwischen 1 : 99 und 99 : 1, bevorzugt zwischen 10 : 90 und 90 : 10, liegt.
  5. Magnetorheologische Materialien nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel aus weichmagnetischen metallischen Werkstoffen ausgewählt sind, insbesondere aus Eisen, Cobalt, Nickel (auch in nichtreiner Form) und Legierungen daraus wie Eisen-Cobalt, Eisen-Nickel; magnetischer Stahl; Eisen-Silizium und/oder deren Mischungen.
  6. Magnetorheologische Materialien nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel aus weichmagnetischen oxidkeramischen Werkstoffen ausgewählt sind, insbesondere aus kubischen Ferriten, Perowskiten und Granaten der allgemeinen Formel

            MO · Fe2O3

    mit einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ti, Cd oder Mg und/oder deren Mischungen.
  7. Magnetorheologische Materialien nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel aus Mischferriten wie MnZn-, NiZn-, NiCo-, NiCuCo-, NiMg-, CuMg-Ferriten und/oder deren Mischungen ausgewählt sind.
  8. Magnetorheologische Materialien nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel ausgewählt sind aus Eisencarbid oder Eisennitrid sowie aus Legierungen von Vanadium, Wolfram, Kupfer und Mangan und/oder deren Mischungen.
  9. Magnetorheologische Materialien nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Partikel in reiner und/oder verunreinigter Form vorliegen.
  10. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermedium ausgewählt ist aus
    - Trägerflüssigkeiten wie Wasser, Mineralöle, synthetische Öle wie Polyalphaolefine, Kohlenwasserstoffe, Siliconöle, Ester, Polyether, fluorierte Polyether, Polyglykole, fluorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe, fluorierte Silicone, organisch modifizierte Silicone sowie Copolymere daraus oder aus Flüssigkeitsmischungen hiervon,
    - Fetten oder Gelen oder
    - aus Elastomeren.
  11. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Additive Dispergiermittel, Antioxidantien, Entschäumer und/oder Antiverschleißmittel enthalten.
  12. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als weitere Additive, zur Herabsetzung der Sedimentation, anorganische Partikel wie SiO2, TiO2, Eisenoxide, Schichtsilicate oder organische Zusatzstoffe sowie Kombinationen daraus, enthalten.
  13. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Partikel zumindest zum Teil organisch modifiziert sind.
  14. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als weitere Additive, zur Herabsetzung von Abrasionserscheinungen, partikelförmige Zusätze wie Graphit, Perfluorethylen oder Molybdänverbindungen wie Molybdändisulfit sowie Kombinationen daraus enthalten.
  15. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als weitere Additive, zum Einsatz für die Oberflächenbehandlung von Werkstücken, abrasiv wirkende und/oder chemisch ätzende Zusatzstoffe wie z.B. Korund, Ceroxide, Siliziumcarbid und/oder Diamant enthalten.
  16. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Anteil der magnetisierbaren Partikel zwischen 10 und 70 Vol.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Vol.-%, liegt,
    - der Anteil des Trägermediums zwischen 20 und 90 Vol.-%, bevorzugt zwischen 30 und 80 Vol.-%, liegt,
    - der Anteil der Additive zwischen 0,001 und 20 Massen-%, bevorzugt zwischen 0,01 und 15 Massen-% (bezogen auf die magnetisierbaren Feststoffe), liegt.
  17. Verwendung der magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 in adaptiven Stoß- und Schwingungsdämpfern, steuerbaren Bremsen, Kupplungen sowie in Sport- oder Trainingsgeräten.
  18. Verwendung der magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken.
  19. Verwendung der magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 zur Erzeugung und/oder Darstellung haptischer Informationen wie Schriftzeichen, computersimulierte Objekte, Sensorsignale oder Bilder; zur Simulation von viskosen, elastischen und/oder visko-elastischen Eigenschaften bzw. der Konsistenzverteilung eines Objekts, insbesondere zu Trainings- und/oder Forschungszwecken und/oder für medizinische Anwendungen.
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