Adimendun 29



Núm 29 // Octubre 2010
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Materiales inteligentes

Magnetoreológicos

foto activo Respuesta de fluidos magnéticos a un campo magnético exterior. Los materiales magnetoreológicos (MM), son materiales que responden a la aplicación de un campo magnético con un cambio en su comportamiento reológico y están formados por partículas magnetizables finamente divididas y suspendidas en un líquido portador, tal como aceite mineral, keroseno, etc. o en un sólido portador con elasticidad suficiente para permitir la orientación de los dipolos ante el campo magnético externo.
La respuesta producida en los materiales magnetoreológicos, es el resultado de la polarización inducida en las partículas suspendidas mediante la aplicación de un campo externo. La interacción entre los dipolos inducidos resultantes, obliga a las partículas a formar estructuras en forma de columna, paralelas al campo aplicado.

Este tipo de estructuras forman una estructura similar a una cadena, la cual restringe el movimiento del fluido dando lugar a un incremento en las características viscosas de la suspensión. La energía mecánica necesaria para producir estas estructuras tipo cadena se incrementa conforme se aumenta el campo aplicado, produciéndose un esfuerzo dependiente del campo. En ausencia del campo aplicado, los fluidos magnetoreológicos muestran un comportamiento Newtoniano.

Un fluido se define como una sustancia o medio continuo que se deforma continuamente en el tiempo ante la aplicación de una solicitación o esfuerzo cortante sin importar la magnitud de ésta. También se puede definir como aquella sustancia que, debido a su poca cohesión intermolecular, carece de forma propia y adopta la forma del recipiente que lo contiene. Los principales parámetros que definen un material magnetoreológico (MM) son:

Desde su composición:

  • La naturaleza de las partículas
  • La concentración de las partículas
  • La densidad de las partículas.
  • La distribución de la forma de las partículas, aspect ratio.
  • La distribución de tamaño de las partículas. Cuanto más pequeñas se supone se reducen los impactos entre partículas mejorando la durabilidad del fluido.
  • La naturaleza del fluido portador.
  • La densidad del fluido portador.
  • La polaridad del fluido portador.
  • El carácter oxidante / reductor del fluido portador.
  • La viscosidad del fluido portador.
  • Los aditivos adicionales.
  • La temperatura.

Desde su comportamiento:
  • Límites de viscosidad alcanzables a temperatura ambiente (23º C).
  • Velocidad de respuesta a las variaciones del campo magnético.
  • La resistencia a la fatiga, al desgaste, nº de ciclos. Depende de la temperatura y del campo aplicado. Se debería marcar 23ºC (mantener isotermo), a un campo medio del rango de la aplicación y ver como varía con el tiempo la temperatura. Comprobar la distribución del tamaño de partícula al final y la viscosidad frente a la temperatura.





Aplicaciones de los Fluidos Magnetoreológicos

Los fluidos magnetoreológicos, se están utilizando principalmente en:

  • Amortiguadores para aplicaciones en automoción. Los amortiguadores pueden llenarse con fluido magnetoreológico en lugar de aceite convencional, actuando el dispositivo con un electroimán, permite que la viscosidad del fluido (y por ende la cantidad de amortiguamiento proporcionada por el amortiguador) pueda ser variada de acuerdo a la preferencia del conductor o de manera dinámica para proporcionar control de estabilidad. El sistema de suspensión activa MagneRide es un sistema que permite de esta manera alterar el factor de amortiguación en respuesta a las condiciones.
  • muelle calor
  • Amortiguadores en construcción civil, como pueden ser en puentes, edificios con dispositivos antiseismos, etc. Permiten contrarrestar el movimiento que se produce en un puente debido al viento, como se presenta en la siguiente figura.
  • puente del Lago Dong Ting El Puente del Lago Dong Ting en China está equipado con aislantes de movimiento magnetoreológicos para contrarrestar rachas de viento.



Ferrofluidos

 Respuesta de un ferrofluido al acercar un imán. Los ferrofluidos, son fluidos compuestos por nanopartículas magnéticas coloidales dispersas y estabilizadas en un líquido portador, que presentan al mismo tiempo propiedades de fluido y magnéticas. Este comportamiento es análogo al comportamiento de los iones de una solución salina acuosa paramagnética. Por ejemplo, una solución acuosa de sulfato de cobre o cloruro de manganeso, que le confieren dichas propiedades paramagnéticas a la disolución.


Las partículas ferromagnéticas nanoscópicas, normalmente son:

  • Magnetita Fe3O4 . Las nanopartículas de magnetita son las más utilizadas para la fabricación de ferrofluidos, debido a que son estables a la oxidación, utilizándose el método de coprecipitación porque el rendimiento de la reacción es elevado.
  • Maghemita Fe2O3
  • Otros compuestos con contenido de Fe2+ o Fe3+.

Se necesita una distribución de tamaño lo más estrecha posible. Las nanopartículas típicamente son del orden de 10 nm. Éste es lo suficientemente pequeño como para que la agitación térmica las distribuya uniformemente dentro del fluido portador.
Un verdadero ferrofluido es estable a lo largo del tiempo sin presentar sedimentación de nanopartículas en el fluido. Este hecho significa que las partículas sólidas no se aglomeran o separan en fases, aún estando bajo la influencia de campos magnéticos muy intensos. Sin embargo, el surfactante tiende a descomponerse con el paso del tiempo (algunos años) y eventualmente, las nanopartículas se aglomeran y separan, dejando de contribuir a la respuesta magnética del fluido.




Aplicaciones de los ferrofluidos

Los ferrofluidos, suelen utilizarse en:

  • altavoces para disipar el calor entre la bobina y el imán, así como amortiguar pasivamente el movimiento del cono. Residen en lo que normalmente sería el hueco alrededor de la bobina, siendo mantenidos en posición por el imán del altavoz. Ya que los ferrofluidos son paramagnéticos, obedecen la ley de Curie, reduciéndose su magnetismo al elevarse la temperatura. Un imán de gran potencia que se coloque cerca de la bobina (que produce calor), tenderá a atraer el ferrofluido frío con más intensidad que el caliente, forzando el movimiento del fluido caliente hacia el elemento de disipación térmica. Esto constituye un eficiente método de enfriamiento que no requiere aportación energética adicional.
  • De manera similar, los ferrofluidos se emplean para formar sellos líquidos que rodean las flechas giratorias de los discos duros
  • También poseen propiedades reductoras de la fricción. Si se aplican a la superficie de un imán de gran potencia, tal como los fabricados en neodimio, el imán podrá deslizarse sobre superficies lisas con un mínimo de resistencia.
  • Tinta para impresoras, la compañía Matsushita Electric Industry produjo una impresora capaz de imprimir 5 páginas por minuto, utilizando tinta de ferrofluido.
  • Los ferrofluidos tienen numerosas aplicaciones en óptica por sus propiedades refractivas; esto es debido a que cada partícula micromagnética refleja luz. Estas aplicaciones incluyen la medición de la viscosidad específica de un líquido colocado entre un polarizador y un analizador, iluminados por un láser de helio-neón.
  • La industria armamentística y más en concreto la Fuerza Aérea de los Estados Unidos la está utilizando como pintura absorbente de las ondas de detección de los radares, realizada de substancias ferrofluídicas y no magnéticas. El material contribuye a reducir la sección cruzada de radar de los aviones, reduciendo la reflexión de ondas electromagnéticas.
  • La NASA también está investigando posibles aplicaciones como es el caso de experimentar el uso de ferrofluidos en un bucle cerrado como el corazón de un sistema de control de nivel para vehículos espaciales. Se aplica un campo magnético a un bucle de ferrofluido para cambiar el momento angular e influir en la rotación del vehículo.
  • En medicina, un ferrofluido biocompatible puede emplearse para la detección de algunos cánceres, se puede emplear como contraste de imágenes RMN, medio de liberación de fármacos de una forma mas controlada, etc.
  • Debido a que los ferrofluidos bajo un campo magnético de susceptibilidad variable, tal como puede presentarse debido a un gradiente de temperatura, se obtiene una fuerza magnética no uniforme, que permite una forma de transferencia térmica llamada convección termomagnética. Esta forma de transferencia es útil cuando el uso de convección convencional es inadecuado; por ejemplo, en dispositivos a microescala o bajo condiciones de gravedad reducida.

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