CZ24727U1

CZ24727U1 - Magnetorheologic suspension with increased oxidation and chemical stability

Info

Publication number: CZ24727U1
Application number: CZ201226872U
Authority: CZ
Inventors: Sedlacík@Michal; Pavlínek@Vladimír; Vyroubal@Radek
Original assignee: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíne
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2012-12-17

Description

Magnetoreologická suspenze se zvýšenou oxidační a chemickou stabilitouMagnetorheological suspension with increased oxidation and chemical stability

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká magnetoreologické suspenze se zvýšenou oxidační a chemickou stabilitou. Tato suspenze je využitelná především v tlumicích systémech a zařízeních přenášejících kroutící moment v automobilovém průmyslu.The technical solution relates to a magnetorheological suspension with increased oxidation and chemical stability. This suspension is particularly useful in damping systems and torque transmitting devices in the automotive industry.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Magnetoreologické suspenze nalézají nejširší uplatnění v různých tlumicích systémech (tlumiče u automobilů, seizmické tlumení budov či mostů) a zařízeních přenášejících kroutící moment (spojky, brzdy či převodovky v automobilech). Přednostní cílovou aplikací jsou právě zařízení tlumící vibrace.Magnetorheological suspensions are widely used in various damping systems (car shock absorbers, seismic damping of buildings or bridges) and torque transmitting devices (clutches, brakes or automotive gearboxes). Vibration damping devices are the preferred target application.

Magnetoreologické (MR) suspenze jsou inteligentní materiály, které na účinky vnějšího statického magnetického pole reagují změnou svého Teologického chování. Popisovaná změna je doprovázena vznikem prahového napětí, které monotónně narůstá se zvyšující se intenzitou magnetického pole. Magnetoreologické suspenze je tedy možné využít jako jednoduché a tiché rozhraní mezi řídicí elektronikou a mechanickým systémem s rychlou odezvou. Většina zařízení pracujících s těmito inteligentními tekutinami obsahuje bud* pevné magnetické póly (tzv. tlakově řízený tok) nebo pohyblivé magnetické póly (tzv. přímý smykový tok). Tlakově řízený tok je využíván převážně u tlumicích systémů a přímý smykový tok u spojek ěi brzd.Magnetorheological (MR) suspensions are intelligent materials that respond to the effects of an external static magnetic field by changing their Theological Behavior. The described change is accompanied by the formation of a threshold voltage, which monotonically increases with increasing magnetic field strength. Magnetorheological suspensions can therefore be used as a simple and silent interface between the control electronics and a fast response mechanical system. Most devices working with these intelligent fluids contain either fixed magnetic poles (so-called pressure-controlled flux) or moving magnetic poles (so-called direct shear flux). Pressure-controlled flow is mainly used in damping systems and direct shear flow in clutches and brakes.

Komerční MR suspenze jsou tvořeny nej častěji magnetickými mikročásticemi železa připrave20 nými tepelným rozkladem pentakarbonylu železa, různými aditivy zvyšujícími dlouhodobou stabilitu a kapalným prostředím, kterým bývají uhlovodíkové a silikonové oleje nebo voda.Commercial MR suspensions are most often composed of magnetic iron microparticles prepared by thermal decomposition of iron pentacarbonyl, various additives enhancing long-term stability, and a liquid medium such as hydrocarbon and silicone oils or water.

Mezi hlavní nedostatky současných MR suspenzí patří jejich nízká dlouhodobá stabilita a nízká chemická či oxidační odolnost magnetických částic železa. Hrozí tak nebezpečí oxidace částic, ke které může při používání zařízení s touto náplní docházet. Oba tyto jevy výrazně snižují účin25 nost zařízení.The main drawbacks of current MR suspensions are their low long-term stability and low chemical or oxidative resistance of magnetic iron particles. There is a danger of oxidation of the particles that can occur when using the device with this charge. Both of these considerably reduce the efficiency of the device.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Uvedené nevýhody a nedostatky dosud známých řešení magnetoreologických suspenzí ďo značné míry odstraňuje magnetoreologická suspenze se zvýšenou oxidační a chemickou stabilitou podle technického řešení. Podstata technického řešení spočívá v tom, že magnetoreologická suspenze je tvořena dimorťhí tuhou fází magnetických částic rozptýlených v množství 20 až 80 % hmotn. v kapalném prostředí, jímž je silikonový olej o viskozitě 100 až 200 mPas. Přitom 85 až 95 % hmotn. magnetických částic tvoří magnetické mikročástice kulovitého tvaru s obsahem Fe > 95 % hmotn. a průměrem 1 až 4 pm, zbývající podíl pak tvoří magnetické nanočástice ve tvaru tyčinek o průměru 10 až 100 nm a délce 0,1 až 1 pm. Zároveň jsou tyto magnetické mikro35 částice i nanočástice tvořící dimorfní tuhou fázi potaženy vrstvou polysiloxanu o tloušťce do 100 nm.These disadvantages and drawbacks of the prior art solutions of magnetorheological suspensions are largely eliminated by magnetorheological suspensions with increased oxidation and chemical stability according to the invention. The principle of the invention consists in that the magnetorheological suspension is formed by the dimer solid phase of the magnetic particles dispersed in an amount of 20 to 80% by weight. in a liquid medium which is a silicone oil having a viscosity of 100 to 200 mPas. 85 to 95 wt. The magnetic particles consist of spherical-shaped magnetic microparticles with a Fe content> 95% by weight. and a diameter of 1 to 4 µm, the remaining portion being magnetic nanoparticles in the form of rods with a diameter of 10 to 100 nm and a length of 0.1 to 1 µm. At the same time, these magnetic micro35 particles and nanoparticles forming a dimorphic solid phase are coated with a layer of polysiloxane up to 100 nm thick.

Hlavní výhodou magnetoreologické suspenze podle technického řešení oproti konvenčním MR suspenzím je zvýšení dlouhodobé oxidační a chemické stability, a to bez nutnosti použití různých stabilizátorů, které u známých řešení působí proti sedimentaci, ale snižují celkovou účinnost suspenze. Této stability se dosahuje díky dimorfnímu charakteru tuhé fáze, jejímiž částicemi jsou jak magnetické mikrokuličky, tak malé množství (5 až 15 % hmotn.) magnetických nanotyčinek. Magnetické částice obecně mají hustotu kolem 7,8 g/cm³ a kapalné prostředí okolo 1 g/cm³, což vede k poměrně rychlé sedimentaci. Chemická i termooxidaČní stabilita dimorfní MR suspenze podle technického řešení je současně zvýšena potažením obou typů magnetických částic tenkou vrstvou polysiloxanu. Polysiloxan je nemagnetícký - účinnost systému sníží, proto je použitý pouze v tloušťce řádově desítek nm. Magnetické vlastnosti výsledné dimorfní magnetoreologickéThe main advantage of the magnetorheological suspension according to the invention over conventional MR suspensions is an increase in long-term oxidation and chemical stability, without the need for various stabilizers which counteract sedimentation in the known solutions but reduce the overall efficiency of the suspension. This stability is achieved due to the dimorphic nature of the solid phase, the particles of which are both magnetic microspheres and a small amount (5 to 15% by weight) of magnetic nanotubes. Magnetic particles generally have a density of about 7.8 g / cm ³ and a liquid medium of about 1 g / cm ³ , resulting in relatively rapid sedimentation. The chemical and thermo-oxidative stability of the dimorphic MR suspension according to the invention is simultaneously enhanced by coating both types of magnetic particles with a thin layer of polysiloxane. Polysiloxane is non-magnetic - the efficiency of the system decreases, therefore it is used only in thickness of the order of tens of nm. Magnetic properties of resulting dimorphic magnetorheological

- 1 CZ 24727 Ul suspenze se pak z funkčního hlediska přibližují hodnotám MR suspenze vytvořené z nepotažených částic - jsou tedy dostačující pro reálné aplikace, přitom mají potřebnou chemickou a oxidační stabilitu.From a functional point of view, the UL slurries then approach the MR suspension values formed from uncoated particles - they are therefore sufficient for real applications, while having the necessary chemical and oxidative stability.

Důležitou výhodou MR suspenze podle technického řešení je dále její vysoká fyzikálně-mechanická stabilita, daná malým sklonem k sedimentaci částic, opět pri dostatečné MR účinnosti této MR suspenze. Sedimentace je obecně ovlivňována Teologickými vlastnostmi kapalného prostředí, povrchovými vlastnostmi magnetických částic a přítomností povrchově aktivních látek. Jedinečné využití dimorfní tuhé fáze sestávající z magnetických kulovitých mikročástic a tyčinkovitých nanočástic, obojích potažených tenkou vrstvou polysiloxanu, tím výrazněji zvyšuje dlouhodobou ťyzikálně-mechanickou stabilitu této MR suspenze. MR suspenze podle technického řešení nevyžaduje použití povrchově aktivních látek, obecně snižujících magnetickou aktivitu částic.An important advantage of the MR suspension according to the invention is furthermore its high physico-mechanical stability, given by a low tendency to sediment the particles, again with sufficient MR efficiency of this MR suspension. Sedimentation is generally influenced by the theological properties of liquid media, the surface properties of magnetic particles, and the presence of surfactants. The unique use of a dimorphic solid phase consisting of magnetic spherical microparticles and rod-shaped nanoparticles, both coated with a thin layer of polysiloxane, significantly increases the long-term physicochemical stability of this MR suspension. The MR suspension of the present invention does not require the use of surfactants, generally reducing the magnetic activity of the particles.

Magnetoreologické suspenze s dlouhodobou oxidační a chemickou stabilitou podle technického řešení mohou být přednostně využívány u rozměrově menších zařízení s nízkou deformací, které z podstaty své funkce nevyžadují dynamické kluzné těsnění. Tyto tlumiče vibrací se využívají jako paralelní písty k pružinovým elementům v různých zařízeních. Jako materiálu těsnicího prvku je u těchto zařízení použito přírodní pryže, která není kompatibilní s většinou uhlovodíkových olejů. Jako kapalné prostředí tedy z tohoto hlediska připadá v úvahu voda či silikonové oleje, které mají z běžné používaných kapalných prostředí naopak nejlepší kompatibilitu s pryžovým těsněním. Při použití vody jako kapalného prostředí se pri dynamičtějším procesu tlumení na hřídeli vytváří tenká vrstva vody, která se odpařuje, a zařízení v čase ztrácí své tlumicí schopnosti. Z komerčně používaných kapalných prostředí se tedy jeví jako nejvhodnější silikonové oleje mající optimální viskozitu okolo 200 mPas. Magnetoreologické suspenze s dimorfní tuhou fází podle technického řešení mají jako kapalné prostředí právě tento silikonový olej. Pri intenzívním namáhání se může dále v systému generovat teplo, které by mohlo negativně ovlivnit povrchovou vrstvu magnetických částic železa vznikem oxidů, čemuž je v MR suspenzi podle technického řešení zabráněno potažením obou typů magnetických částic tenkou vrstvou polysiloxanu.Magnetorheological suspensions with long-term oxidation and chemical stability according to the invention can be advantageously used in smaller-sized devices with low deformation, which by their nature do not require a dynamic sliding seal. These vibration dampers are used as parallel pistons to spring elements in various devices. Natural rubber, which is not compatible with most hydrocarbon oils, is used as the sealing element material in these devices. Thus, water or silicone oils are considered as the liquid medium, which, on the other hand, have the best compatibility with the rubber seal of the commonly used liquid medium. When water is used as a liquid medium, a more dynamic shaft damping process creates a thin layer of water that evaporates and the device loses its damping capacity over time. Among the commercially available liquid media, silicone oils having an optimum viscosity of about 200 mPas seem to be the most suitable. Magnetorheological suspensions with a dimorphic solid phase according to the invention have this silicone oil as the liquid medium. Furthermore, under intense stress, heat can be generated in the system which could negatively affect the surface of the magnetic iron particles by the formation of oxides, which is prevented in the MR suspension by coating both types of magnetic particles with a thin layer of polysiloxane.

Příklad provedení technického řešeníExample of technical solution

Magnetoreologická suspenze podle technického řešení byla připravena ve dvou následujících stupních. V prvním stupni byla provedena částečná substituce kulovitých mikročástic karbonylželeza Fe tyčovitými nanočásticemi (v množství 10% hmotn.), syntetizovanými solvotermální cestou za přítomnosti surfaktantu. To zlepšilo sedimentační stabilitu vzniklého dimorfního systému ve srovnání se samotnými částicemi karbonylželeza. V druhém stupni byly kulovité mikročástice karbonylželeza i Fe tyčovité nanočástice opatřeny povrchovou vrstvou polysiloxanu o tloušťce 100 nm, a to cestou hydrolyzačně kondenzační polymerace tetraethylorthosilikátu (TEOS). Opatření povrchovou vrstvou bylo dosaženo dispergací 5 g magnetických částic ve 250 ml směsi TEOS/ethanol o složení 1/5. Celková doba reakce činila 24 h. Tím bylo dosaženo vyšší oxidační a chemické stability pri přijatelném (malém) poklesu MR účinnosti. Nicméně tento MR účinek je stále mnohem vyšší než MR účinek stávajících suspenzí založených na částicích Fe3O4.The magnetorheological suspension according to the invention was prepared in the following two steps. In the first step, partial substitution of spherical carbonyl iron microparticles with Fe rod-shaped nanoparticles (in an amount of 10 wt%) synthesized by the solvothermal route in the presence of a surfactant. This improved the sedimentation stability of the resulting dimorphic system compared to the carbonyl iron particles alone. In the second stage, both the carbonyl iron spherical microparticles and the Fe rod-shaped nanoparticles were coated with a 100 nm thick polysiloxane layer by the hydrolysis-condensation polymerization of tetraethyl orthosilicate (TEOS). The coating was achieved by dispersing 5 g of magnetic particles in 250 ml of a 1/5 mixture of TEOS / ethanol. The total reaction time was 24 h. This resulted in higher oxidation and chemical stability with an acceptable (small) decrease in MR efficiency. However, this MR effect is still much higher than the MR effect of existing Fe3O4-based suspensions.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Magnetoreologická suspenze se zvýšenou oxidační a chemickou stabilitou podle technického řešení je využitelná v nejrůznějších tlumicích systémech pracujících na bázi magnetoreologických kapalin (tlumiče u automobilů, seizmické tlumení budov či mostů), ale i v zařízeních přenášejících kroutící moment (spojky, brzdy Či převodovky v automobilech). Přednostní cílovou aplikací jsou právě zařízení tlumící vibrace.Magnetorheological suspension with increased oxidation and chemical stability according to the technical solution is usable in various damping systems based on magnetorheological liquids (shock absorbers in cars, seismic damping of buildings or bridges), but also in devices transmitting torque (clutches, brakes or transmissions in cars) . Vibration damping devices are the preferred target application.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

A magnetorheological suspension having increased oxidative and chemical stability, characterized in that it is formed by a dimorphic solid phase of magnetic particles dispersed in an amount of

20 to 80 wt. in a liquid medium, which is a silicone oil with a viscosity of 100 to 200 mPas,

%, Wherein 85 to 95 wt. The magnetic particles consist of spherical-shaped magnetic microparticles with a Fe content of> 95% by weight. and a diameter of 1 to 4 µm, the remaining part being magnetic nanoparticles in the form of rods with a diameter of 10 to 100 nm and a length of 0.1 to 1 μτη, while these magnetic microparticles and nanoparticles forming a dimorphic solid phase are coated with a layer of polysiloxane up to 100 nm.