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Die Erfindung betrifft eine Paste nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie deren Verwendung.
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Elektrorheologische Flüssigkeiten (ERF), magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) gemäß dem Stand der Technik sind kolloiddisperse oder grobdisperse Suspensionen wie z. B. feinteiliger Feststoffe in hydrophoben und elektrisch isolierenden kontinuierlichen Trägermedien (z. B. Ölen), deren Fließverhalten sich unter dem Einfluss eines elektrischen bzw. magnetischen Feldes reversibel ändert.
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Der Einsatzbereich von elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssigkeiten findet sich überall dort, wo eine elektrisch steuerbare, adaptiv geregelte Kraftübertragung, Beschleunigung, Dämpfung oder Schwingungsminderung erforderlich ist, wie z. B. in Kupplungen, Hydraulikventilen, Stoßdämpfern, Vibratoren, Aktuatoren oder Vorrichtungen zum Positionieren und Fixieren von Werkstücken.
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Aus der Literatur sind beispielsweise niederviskose elektrorheologische sowie magnetorheologische Flüssigkeiten (ERF und MRF) auf Basis von dispersen und dielektrisch polarisierbaren, elektrisch leitfähigen (influenzierbaren) oder magnetisierbaren Partikeln (z. B. Polyesterkügelchen oder Carbonyleisenpulver) in einem flüssigen Trägermedium (z. B. Siliconöl, Mineralöl) bekannt.
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Die Partikel können organische oder anorganische Feststoffe mit diaelektrischen, ferroelektrischen, paramagnetischen oder ferromagnetischen Eigenschaften sein, bzw. eine bestimmte ionische oder elektronische Leitfähigkeit besitzen. Die mittlere Partikelgröße bekannter ERF bzw. MRF beträgt zwischen einem Nanometer bis zu mehreren 100 μm.
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Der Viskositätsanstieg in einer ERF bei Anlegen eines elektrischen Feldes ist qualitativ folgendermaßen zu erklären: Die im allgemeinen stabilen dispersen Teilchen werden im elektrischen Feld polarisiert, und agglomerieren durch die induzierte Monopol-, Dipol- und Quadrupol-Wechselwirkung (im allg. Multipolwechselwirkung), was zu einer erhöhten Energiedissipation (Reibung) und damit zu einem Anstieg der Viskosität im elektrischen Feld führt. Die Agglomeration ist reversibel: wird das elektrische Feld abgeschaltet, redispergieren bzw. de-agglomerieren die Teilchen und die Viskosität geht auf den ursprünglichen Wert zurück. Die Polarisierbarkeit der dispersen Phase ist somit eine wichtige Voraussetzung für die Ausbildung des elektrorheologischen Effektes. Deshalb werden hierzu dielektrisch polarisierbare (z. B. ionisch oder elektronisch leitfähige) Materialien als disperse Phase verwendet. Beim magnetorheologischen Effekt werden disperse magnetisierbare (para- oder ferromagnetische) Teilchen der MRF im Magnetfeld magnetisiert, wodurch es zu einem analogen Effekt wie bei der ERF kommt. Aufgrund der höheren Energiedichte, die sich mit Magnetfeldern erzeugen lässt, sind die Wechselwirkungskräfte bei den MRF in der Regel größer als bei den ERF.
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Beispielhaft sei hier der Stand der Technik bei elektrorheologischen Flüssigkeiten ausführlicher dargestellt.
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Seit 1940 sind elektrorheologische Flüssigkeiten als sog. Winslow Flüssigkeiten bekannt, die eine feine Partikel-Dispersion wie Silica oder Stärke in Isolier-Öl beinhalten (siehe
U.S. Pat. No. 2,417,850 ).
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Seither wurden viele Verbesserungsvorschläge eingereicht. Diese beschränken sich im Wesentlichen auf die Bestandteile der dispersen Phase. Beispielsweise wurden als innenleitende disperse Phase organische Feststoffe, wie z. B. Sacharide (
DE 2530 694 ), Stärke (
EP 284 268 A2 ,
US 3 970 573 ), Polymere (
EP 150994 A1 ,
DE 3 310 959 A1 ,
GB 1 570 234 ,
US 4 129 51 3 , Ionenaustauscher-Harze (
JP 92 2781975 ,
JP 31 22111985 ,
US 3 047 507 ), oder Silicon-Harze (
DE 3 912 888 A1 ) verwendet. Eine weitere innenleitende organische Variante besteht aus wasserfreien, niederviskosen und nicht-abrasiven Polymer-Partikel-Dispersionen wie z. B. Polyurethan (
EP 0 472 991 B1 ). Es wurden aber auch anorganische Materialien, wie z. B. Li-Hydrazinsulfat (
US 4 772 407 A ), Zeolithe (
EP 265 252 A2 ), Silicagel (
DE 3 51 7 281 A1 ,
DE 3 427 499 A1 ) und Aluminiumsilicate (
DE 3 536 934 A1 ) eingesetzt.
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Bei anderen Formulierungen wurde die ionenleitende disperse Phase durch eine elektronisch leitfähige disperse Phase ersetzt, die aus, zum Teil beschichteten, feindispersen Metallen wie z. B. Aluminium (
JP 016 093 ,
JP 0117 2496 ), oder Dielektrika wie z. B. TiO
2 (
SU 715 596 ), CaTiO
3 oder BaTiO
3 (
JP 53117585 ), Hydrolysaten von Metall-Alkoxiden (
EP 341 737 oder Glashohlkörpern (
JP 011 7 2496 ) besteht. Auch rußgefüllte Perlpolymerisate (
JP 016 093 ), oder leitfähige Polymeren, wie z. B. Polypyrol oder Polyacetylen (
JP 0126 0710 ) wurden in einschlägigen Veröffentlichungen vorgestellt (siehe Proceedings of the 7
th–12
th International Conference an Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions).
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Ebenfalls sind feindisperse elektrorheologische Flüssigkeiten mit sehr hohen Schubspannungen bekannt, die sog. Giant ERF (GERF). Hierbei handelt es sich beispielsweise um harnstoffbeschichtete Bariumtitanyloxalat Nanopartikel in Siliconöl. GERF haben aufgrund ihrer Zusammensetzung abrasiven Charakter und neigen aufgrund der großen Dichteunterschiede zwischen der dispersen und flüssigen Phase zu starker Sedimentation.
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Daneben sind aus der Literatur auch homogene elektrorheologische Flüssigkeiten aus kolloidalen Lösungen bekannt, deren disperse Phase aus Flüssigkristallen besteht (z. B. Polysiloxan). Dabei handelt es sich um Gel-artige Flüssigkeiten, welche sich von den Suspensionen im Wesentlichen durch die fehlende Fließgrenze unterscheiden (z. B.
US 5, 891, 356 ,
US 5, 536, 428 ,
EP 0625 565 B1 ).
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Aufgrund bevorzugter Anwendungen im Fließmodus (engl. flow mode) werden elektrorheologische wie auch magnetorheologische Flüssigkeiten entsprechend der dort wirkenden hohen Scherraten möglichst niederviskos ausgelegt. Homogene elektrorheologische Flüssigkeiten, die als gelartige Kolloidlösungen vorliegen, sind daher für den Fließmodus weniger gut geeignet. Elektrorheologische wie auch magnetorheologische Flüssigkeiten in Form disperser Suspensionen weisen daher einen bevorzugt niederviskosen Charakter im feldfreien Zustand auf. Hierbei sind gute Fließeigenschaften, d. h. eine möglichst geringe Viskosität der kontinuierlichen Phase vorteilhaft. Eine dahingehend erwünschte gute Fließfähigkeit geht jedoch zu Lasten der Wechselwirkungskraft bei angelegtem elektrischem bzw. magnetischem Feld.
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Elektrorheologische wie auch magnetorheologische Suspensionen neigen grundsätzlich zur Sedimentation der dispersen Phase. Bei Dispersionen auf Basis von dielektrisch polarisierbaren Polymeren ist die erreichbare Schubspannung zudem begrenzt und liegt typischerweise in einem Bereich von GkPa bei einer angelegten Feldstärke von 5 kV/mm.
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Ein feindisperses System wie es bei GERF vorliegt, ist wiederum nur bei äußerst kleinen Scherraten effektiv. GERF neigen aufgrund der keramischen Metalloxid Feststoffe zu verstärkter Sedimentation und Abrasion.
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Für Anwendungen im Scher- und Quetschmodus eignen sich elektrorheologische Flüssigkeiten nach dem Stand der Technik aufgrund ihrer Sedimentationsneigung, ihrer begrenzten Schubspannungen bei moderaten Feldstärken und der Auslaufgefahr bei Leckage, nur begrenzt. Zudem sind eine zuverlässige Kapselung niederviskoser Flüssigkeiten, sowie die Herstellung effektiv schaltbarer flexibler Dämpfungselemente mit hohem technischem Aufwand verbunden. Desweiteren ist das Sedimentationsverhalten für Systemanwendungen (z. B. Dämpfer oder Aktuatoren) mit langen Stillstandzeiten von Nachteil, bei denen es auf schnelles Ansprechverhalten ankommt. Hierfür müssen aufwändige konstruktive Maßnahmen (z. B. Redispergierintervalle beim Anfahren der Systeme) Abhilfe leisten.
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Über die Ventilgeometrie lassen sich ER-Systeme (Dämpfer und Aktuatoren) über weite Kraftbereiche einstellen. Ein Teil der elektrorheologischen Flüssigkeiten wirkt dabei als passive Hydraulikflüssigkeit, wodurch die theoretische Leistungsdichte des ER-Systems begrenzt wird. Aufgrund des Wirkungsprinzips sowie der Sedimentationseigenschaften kann eine elektrorheologische Flüssigkeit nur unter ständiger und ausreichend großer Fließbewegung (hohe Scherrate) den Effekt voll entfalten. Bei sehr niedriger Scherrate (quasi statisch) weisen elektrorheologische Flüssigkeiten nur einen schwachen und stark verzögerten elektrorheologischen Effekt mit einer nur schwach schaltbaren Null-Viskosität (d. h. mit starker Kriechneigung) auf. Dadurch können Kräfte nur unter sehr hohen Feldstärken oder mittels überdimensionierter Systeme statisch gehalten werde. Elektrorheologische Systeme arbeiten daher erst im höheren Scherratenbereich, z. B. oberhalb von 10000 s–1 optimal.
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Homogene elektrorheologische Flüssigkeiten, die sich prinzipiell aufgrund ihrer gelartigen Konsistenz für den niedrigen Scherbereich eignen, reagieren aufgrund ihres speziellen Mechanismus nur träge auf Feldänderungen (lange Ansprechzeiten) und zeigen eine deutlich stärkere Scherratenabhängigkeit der Schubspannung.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Paste mit Eigenschaften bereitzustellen, welches die hier genannten Nachteile der Sedimentation, Abrasion, Erfordernis der aufwändigen Kapselung und niedriger Schubspannungen, Ansprechzeiten, Leistungsdichte sowie Kriechneigung beseitigt und dadurch für Anwendung im Bereich des Fließ-, Scher- und/oder Quetschmodus bei vorzugsweise mittleren und niedrigen Scherraten ein völlig neues Anwendungsspektrum ermöglicht.
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Erfindungsgemäß besteht die Paste aus einer dispersen Phase zumindest teilweise agglomerierter, jedoch vorzugsweise weitgehend agglomerierter, größtenteils nicht-abrasiver, zumindest teilweise oder partiell elektrisch leitfähiger oder polarisierbarer (z. B. ferroelektrischer oder diaelektrischer) und/oder magnetisierbarer (z. B. paramagnetischer oder ferromagnetischer) Feststoffpartikel, vorzugsweise aus zumindest teilweise oder partiell ionisch und/oder elektronisch leitfähigen Polymeren, vorzugsweise wasserfrei, deren Grenzfläche mit einem chemisch oder physikalisch kompatiblen nichtpolaren Isolator oder einem haftvermittelnden Gleitmittel mit geringer dielektrischen Polarisierbarkeit (Permittivität) bzw. geringer Magnetisierbarkeit (Suszeptibilität) (z. B. ein Polydimethylsiloxan) benetzt und/oder mit diesem beschichtet ist und/oder von einer plastischen (z. B. Wachs) und/oder strukturviskosen elektrisch isolierenden Matrix umgeben ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Paste, ist die Beschichtung und/oder Benetzung und/oder umgebende Matrix der dispersen Phase von der Gestalt, dass eine gute Schubkraftübertragung realisiert wird. Dies kann z. B. in einem optimalen Verhältnis der Menge von polarisierbaren (z. B. Feststoffpartikel) zur nicht polarisierbaren Bestandteilen der Paste (z. B. deren Beschichtung oder Benetzung oder einer plastischen Matrix) erreicht werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich beispielsweise eine möglichst gute Benetzbarkeit der Partikel und Agglomerate mit einem Material (z. B. einer umgebenden nichtpolaren Isolierflüssigkeit oder einer plastischen Matrix aus wachsartigem Material oder einer strukturviskosen Matrix), welches im feldfreien Zustand vorzugsweise als Gleitmittel und bei angelegtem elektrischem oder magnetischem Feld vorzugsweise gleithemmend bzw. Agglomerat-stabilisierend wirkt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Paste wird die Gleithemmung durch die Elastizität der dispersen Feststoffpartikel und/oder durch Zusatz von harten oder weichen (z. B. abrasiven) Partikeln gezielt eingestellt.
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Überraschenderweise lässt sich dadurch sowohl die abrasive Wirkung, als auch die übertragbare Schubspannung im aktivierten Zustand der Paste beliebig variieren und damit gezielt einstellen. Die Zusätze an harten oder weichen Partikeln können aktiv (polarisierbare oder magnetisierbare oder leitfähige) und/oder passiv (nichtpolar, nichtmagnetisch, nichtleitend) sein.
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In einer speziellen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Paste ist der harte Anteil der dispersen Phase magnetisierbar (z. B. durch paramagnetische Bestandteile), während der weiche Anteil der dispersen Phase eine dielektrische Polarisierbarkeit (z. B. durch Influenz oder ferroelektrische Bestandteile) aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Paste, besteht die disperse Phase zu einem Anteil aus extrem weichen, vorzugsweise viskoelastischen Feststoffpartikeln, und zu einem Anteil aus extrem harten, vorzugsweise elastischen Feststoffpartikeln. Das Verhältnis der Anteile kann beliebig eingestellt werden.
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In einer weiteren besonderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Paste, ist die disperse Phase von einer plastischen Phase umgeben. Die agglomerierte disperse Phase liegt dabei im feldfreien Raum ebenfalls in einer Art viskoplastischem Zustand vor und wird bei eingeschaltetem elektrischem oder magnetischem Feld viskoelastisch.
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Verblüffender Weise hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Paste, die einen zumindest teilweise agglomerierten Zustand darstellt einen unerwartet großen schaltbaren und reversiblen ER-Effekt besitzt. Dieser zeigt sich beispielsweise anhand der komplexen Viskosität im linearen viskoelastischen Bereich (messbar im oszillierenden Rheometer). Der Betrag dieser Viskosität (die sogenannte Nullviskosität) wird durch Anlegen einer vergleichsweise niedrigen elektrischen Feldstärke um mindestens eine, vorzugsweise um mehr als eine Größenordnung (z. B. von 65 Pas bei 0 kV/mm auf 1660 Pas bei 1 kV/mm) bzw. um zwei Größenordnungen (z. B. von 27 Pas bei 0 kV/mm auf 2800 Pas bei 3 kV/mm) erhöht.
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Im nichtlinearen viskoelastischen Bereich (z. B. bei effektiven Scherraten zwischen 0,1 und 1000 s–1) sind die Schalthübe des Viskositätsbetrages in vergleichbarer Größenordnung. Der komplexe Schubmodul steigt bei oszillierender Scherung mit einer Winkelgeschwindigkeit von 50 Hz und Feldstärken von 1 kV/mm bzw. 2 kV/mm ebenfalls um mindestens eine bzw. zwei Größenordnungen an. Im nichtlinearen viskoelastischen Bereich ist der Schalteffekt in vergleichbaren Größenordnungen.
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Im Scherratenbereich von 10–1000 s–1 werden extrem hohe Scher- bzw. Schubspannungen (> 10 kPa) erreicht. Beispielsweise liegt bei einer Ausführung der erfindungsgemäßen Paste, die Schubspannung bei einer Feldstarke von 5 kV/mm, einer Scherkreisfrequenz von 50 Hz und einer Scherrate von 100 s–1 bei 12 kPa.
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Bei Bedarf kann der Grad der Agglomeration der dispersen Phase in der erfindungsgemäßen Paste überraschend einfach exakt einjustiert werden. Beispielsweise kann diese durch Zusatz oder Entzug von Schmier-, oder Isolierflüssigkeit (z. B. Polydimethylsiloxan, synthetisches Öl, fluorhaltige Siloxane, etc.) nahezu beliebig eingestellt werden. Besonders geeignet sind dabei Flüssigkeiten, welche die disperse Phase gut benetzen können.
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Im Bereich sehr kleiner Auslenkungen bzw. Schergeschwindigkeiten (z. B. < 0.01 s–1) verhält sich die erfindungsgemäße Paste vorzugsweise linear (Newtonsch). Das heißt, die Ruhescherviskosität (Nullviskosität oder Anfangsviskosität – viscosity at zero rate of shear) ist vorzugsweise unabhängig von der Schergeschwindigkeit. Oberhalb einer kritischen Schergeschwindigkeit sinkt die Viskosität mit steigender Schergeschwindigkeit vorzugsweise stark ab. Neben viskosem Fließverhalten zeigen elektrorheologische Pasten dann vorzugsweise auch elastische Fließeigenschaften.
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In einer besonderen Ausführung weist die erfindungsgemäße Paste ein charakteristisches strukturviskoses Verhalten mit einer Fließgrenze auf. In einer speziellen Ausführung zeigt diese Paste ohne elektrisches Feld z. B. ein Binghamplastisches Verhalten und bei eingeschaltetem Feld z. B. ein Casson-plastisches Verhalten.
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Aufgrund des charakteristischen Nullviskositätsverhaltens resultieren im Ruhezustand eine sehr geringe Fließfähigkeit und damit eine hohe Kriechfestigkeit.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Paste verhält sich sowohl die Viskosität im linearen viskoelastischen Bereich (Nullviskosität), als auch die Scher- oder Schubspannung über einen weiten Scher-, bzw. Auslenkungsbereich überraschenderweise nahezu linear als Funktion der elektrischen Feldstärke.
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Vorteilhafterweise lässt sich die erfindungsgemäße Paste zudem einfach verpacken (z. B. in Tuben), lagern und transportieren. Als besonders vorteilhaft erweist sich die sehr einfache Integration in Gehäuse, vorzugsweise flexible oder elastische Gehäuse. Dadurch ergeben sich erhebliche Vorteile bei der Ausgestaltung eines verformbaren Dämpfers ohne dedizierte Hydraulik.
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Aufgrund der relativ hohen Viskosität eignet sich die erfindungsgemäße Paste vorzugsweise für Systeme mit periodischen Auslenkungen und niedrigen Scherraten. Solche Systeme sind z. B. elektrorheologische Drehdämpfer. In solchen Systemen liegt die erfindungsgemäße Paste vorzugsweise gasblasenfrei oder entgast vor.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Pasten als elektro- oder magnetorheologische Füllung für flexible oder elastische Polymermatrizes, vorzugsweise mit integrierten elektromagnetischen Feldgeneratoren. In einer fortführenden Ausgestaltung erfolgt die elektrische Energieversorgung, z. B. über ein vorhandenes Bordnetz oder lokal über integrierte Li-Ionen Akkus und/oder über piezoelektrische Wandler per Energierückgewinnung.
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Umschließt man die erfindungsgemäße Paste mit einer flexiblen und/oder elastischen Matrix (z. B. Elastomere) mit integrierten elektromagnetischen Elementen (z. B. flexible Kondensatorplatten, Kammelektroden oder Magnetfeldspulen), so lassen sich beliebig geformte, verstellbare oder adaptive Elemente zur Dämpfung, Polsterung (z. B. Sitzpolster) oder Schock-Absorption (z. B. Turnschuhsohlen, Reifen) herstellen.
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Durch die Elektroden- sowie Kammergeometrie oder die Anordnung der Feldspulen sind verschiedene Betriebsmodi einzeln oder in Kombination möglich. Dabei unterscheidet man zwischen Quetschmodus, Schermodus und Fließmodus.
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Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Paste sowie das verwendete Elastomer in einem der Schaltzustände ähnliche viskoelastischen Eigenschaften auf. Dadurch lassen sich z. B. statisch oder dynamisch verstellbare Dämpfungselemente (z. B. Sitzpolster) herstellen.
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In einer besonderen Ausführung wird die Paste vorzugsweise gasblasenfrei oder entgast in eine flexible Matrix bzw. ein flexibles Gehäuse (z. B. Elastomere) verpackt. Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus mehreren Kammern, die vorzugsweise durch Kanäle miteinander verbunden sind. Gehäuse, Kammern oder Kanäle können dabei mit Elektroden (z. B. flexible Kondensatorplatten, oder Kammelektroden) oder mit Feldspulen versehenen oder umgeben sein. In einer speziellen Ausführung können Gehäuse, Kammern und Kanäle auch als dreidimensionaler Stack angeordnet sein, die sich parallel oder seriell ansteuern lassen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist noch eine Energiequelle (z. B. Lithium-Ionen-Akku) vorzugsweise aus flexiblem Material ebenfalls in die Matrix integriert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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