DE112010003467T5

DE112010003467T5 - Magnetorheologisches fluid und verfahren zur herstellung desselben

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Publication number: DE112010003467T5
Application number: DE112010003467T
Authority: DE
Inventors: Prabhakar Marur
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: DE112010003467B4; CN102753659A; WO2011035025A3; US8282852B2; US20110062371A1; WO2011035025A2; CN102753659B

Abstract

Ein magnetorheologisches(MR)-Fluid ist hierin beschrieben. Das MR-Fluid umfasst eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln mit einer Partikeldichte. Das Fluid umfasst auch ein Trägerfluid mit einer Fluiddichte und die Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln ist innerhalb des Trägerfluids dispergiert. Ein Teil der Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln weist eine Partikeldichte auf, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Fluiddichte. Das MR-Fluid kann auch eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln umfassen, die eine äußere Schale aus einem magnetisierbaren Material und einen hohlen Kern aufweisen. Das MR-Fluid kann auch eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln umfassen, die eine äußere Schale aus einem magnetisierbaren Material und einen massiven inneren Kern aufweisen. Das MR-Fluid kann auch eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln umfassen, die eine Matrix und eine Vielzahl von dann eingebetteten Sub-Partikeln aufweist. Der Kern oder die Matrix dieser Partikel kann eine Keramik, ein Glas oder ein Polymer oder eine Kombination daraus umfassen. Das magnetisierbare Material kann magnetisierbare Metalle, Metalllegierungen und verschiedene Ferrite wie z. B. jene umfassen, die Co, Fe, Mg, Mn, Ni oder Zn oder eine Kombination daraus umfassen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen magnetorheologische Fluide und im Spezielleren ein magnetorheologisches Fluid, das magnetische Partikel mit einer Dichte umfasst, die mit der Dichte des Fluids zusammenpasst.
HINTERGRUND
Ein magnetorheologisches(MR)-Fluid ist ein Fluid mit mikrometergroßen magnetischen Partikeln, das ausgebildet ist, um die Viskosität beinahe augenblicklich zu andern, wenn es einem magnetischen Feld ausgesetzt ist. Ein typisches MR-Fluid weist bei Nichtvorhandensein eines magnetischen Feldes eine einfach messbare Viskosität auf, die eine Funktion seiner Fluidkomponenten und Partikelzusammensetzung, Partikelgröße, Partikelladung, Temperatur und dergleichen ist. Bei Vorhandensein eines angelegten magnetischen Feldes scheinen sich die suspendierten Partikel jedoch auszurichten oder anzuhäufen und das Fluid verdickt oder geliert drastisch. Seine effektive Viskosität ist dann sehr hoch und es ist eine größere Kraft erforderlich, die als Fließspannung bezeichnet wird, um ein Fließen des Fluids zu unterstützen. Durch Anlegen von magnetischen Feldern nimmt die Viskosität des MR-Fluids bis zu dem Punkt zu, an dem sie ein viskoelastischer Festkörper wird.
MR-Fluide zeigen die Fähigkeit, ihre Rheologie und damit ihre Fließeigenschaften um mehrere Größenordnungen in einem zeitlichen Rahmen in der Größe von Millisekunden unter dem Einfluss eines angelegten magnetischen Feldes zu ändern. Die induzierten rheologischen Änderungen sind vollständig reversibel und können somit in Vorrichtungen genutzt werden, die auf die Änderungen in der Magnetfeldumgebung ansprechen. Der Einsatz dieser Materialien besteht darin, dass geeignet ausgebildete elektromechanische Aktuatoren, die magnetorheologische Fluide verwenden, als eine schnell ansprechende aktive Schnittstelle zwischen computerbasierten Erfassungen und Steuerungen und einem gewünschten mechanischen Ausgang wirken können. Mit Bezug auf Automobilanwendungen werden solche Materialien als ein nützliches Arbeitsmedium in Stoßdämpfern, für steuerbare Aufhängungssysteme, Schwingungsdämpfer in einem steuerbaren Antrieb und Motorlager und in vielen elektronisch gesteuerten Kraft/Drehmomentübertragungs(Kupplungs)-Vorrichtungen betrachtet. MR-Fluide bieten wesentliche Vorteile gegenüber anderen steuerbaren Fluiden wie z. B. ER-Fluiden, insbesondere für Automobilanwendungen, da die MR-Fluide im Allgemeinen weniger empfindlich gegenüber üblichen Verunreinigungen sind, die in solchen Umgebungen anzutreffen sind, und sie größere Unterschiede in rheologischen Eigenschaften bei Vorhandensein eines mäßigen angelegten Feldes zeigen. Die rheologischen Eigenschaften des Tägerfluids und die Größe und Dichte der suspendierten magnetischen Partikel definieren die wichtigen Fluidverhaltensweisen wie z. B. die Absetzgeschwindigkeit in Vorrichtungen, die MR-Fluide einsetzen. Das Absetzen der Partikel in einem MR-Fluid vermindert die Leistung des Fluids in dem magnetisierten Zustand, d. h. beim Anlegen eines magnetischen Feldes, beträchtlich.
MR-Fluide sind im Allgemeinen nicht-kolloidale Suspensionen von fein verteilten magnetisierbaren Festkörpern (typischerweise ein bis 100 Mikrometer im Durchmesser) mit einer geringen Koerzitivkraft wie z. B. Eisen, Nickel, Kobalt und deren magnetische Legierungen, die in einer Grundträgerflüssigkeit wie z. B. einem Mineralöl, synthetischem Kohlenwasserstoff, Wasser, Silikonöl, einer veresterten Fettsäure oder einer anderen geeigneten organischen Flüssigkeit dispergiert sind. MR-Fluide weisen bei Nichtvorhandensein eines magnetischen Feldes eine annehmbar niedrige Viskosität auf, zeigen aber starke Zunahmen in ihrer dynamischen Fließspannung, wenn sie einem geeigneten magnetischen Feld von z. B. etwa einem Tesla ausgesetzt sind. Da MR-Fluide nicht-kolloidale Feststoffpartikel umfassen, die oft sieben bis acht Mal dichter sind als die flüssige Phase, in der sie suspendiert sind, müssen geeignete Dispersionen aus den Partikeln in der flüssigen Phase derart hergestellt sein, dass sich die Partikel beim Stehen nicht wesentlich absetzen und sie auch nicht irreversibel koagulieren, um Aggregate zu bilden.
Die magnetisierbaren Partikel werden in Suspension gehalten, d. h. daran gehindert, sich abzusetzen, indem ein thixotroper Wirkstoff wie z. B. Quarzstaub oder Fällungskieselsäure dispergiert wird. Siliziumoxide stabilisieren das MR-Fluid durch Bildung eines Netzwerkes über Wasserstoff brückenbindung zwischen Siliziumoxidpartikeln. Dieses Netzwerk zerbricht unter Scherung und bildet sich beim Aufhören der Scherung zurück, um die magnetisierbaren Partikel suspendiert zu halten, während es unter Scherung eine niedrige Viskosität zeigt. Fällungskieselsäure besitzt typischerweise eine große Partikelgröße und eine kleine Oberfläche auf Grund ihres Herstellungsverfahrens, während Quarzstaub typischerweise kleiner mit einer größeren Oberfläche ist. Quarzstäube sind, wenn sie verwendet werden, typischerweise oberflächenbehandelt. Allerdings zeigen sowohl Fällungskieselsäuren als auch behandelte Quarzstäube oft eine schwache Netzwerkbildung und demzufolge niedrige Fließspannungen in dem MR-Fluid im Betrieb.
MR-Fluide können zusätzlich oberflächenaktive Substanzen enthalten, um eine Koagulation und das Absetzen der magnetisierbaren Partikel zu verhindern. Die magnetisierbaren Partikel können z. B. mit der oberflächenaktiven Substanz beschichtet sein. Die oberflächenaktive Substanz wird typischerweise in Mengen von weniger als 10 Gewichtsprozent bezogen auf das Gewicht des Siliziumoxids verwendet. Dies führt typischerweise zu einer Konzentration von weniger als 0,1 Gewichts-% des vollständig formulierten MR-Fluids. Wenn die Konzentration der oberflächenaktiven Substanz zunimmt, nimmt die Fließspannung ab. Die Fließspannung ist eine Anzeige der Festigkeit des Siliziumoxid-Netzwerkes. Während größere Mengen an oberflächenaktiver Substanz wünschenswert wären, ist die Menge an oberflächenaktiver Substanz, die derzeit verwendet werden kann, auf Grund der Querempfindlichkeit mit der Funktion des thixotropen Wirkstoffes begrenzt.
Während die Verwendung von thixotropen Substanzen und oberflächenaktiven Substanzen wirksam ist, um das Absetzen der Partikel in MR-Fluiden zu reduzieren, sind sie oft nicht ausreichend, um das erwünschte Partikelabsetzverhalten zu erreichen. Überdies kann die Verwendung dieser Stoffe auch das magnetische Ansprechverhalten der Fluide beeinflussen, beispielsweise durch Herabsetzen der magnetischen Sättigung der magnetisierbaren Partikel.
Es ist daher wünschenswert, MR-Fluide mit einem geeigneten rheologischen und verbesserten Absetzverhalten bereitzustellen und gleichzeitig auch das erwünschte magnetische Ansprechverhalten der magnetisierbaren Partikel aufrechtzuerhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein MR-Fluid vorgesehen, welches eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln mit einer Partikeldichte umfasst. Das Fluid umfasst auch ein Trägerfluid mit einer Fluiddichte, und die Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln ist innerhalb des Trägerfluids dispergiert. Ein Teil der Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln weist eine Partikeldichte auf, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Fluiddichte.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein MR-Fluid eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln mit einer äußeren Schale aus einem magnetisierbaren Material und einem hohlen Kern. Das MR-Fluid umfasst auch ein Trägerfluid, wobei die Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln innerhalb des Trägerfluids dispergiert ist.
In einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein MR-Fluid eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln mit einer äußeren Schale aus einem magnetisierbaren Material und einem inneren Kern, wobei der innere Kern eine Keramik oder ein Polymer oder eine Kombination daraus umfasst. Das Fluid umfasst auch ein Trägerfluid, wobei die Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln innerhalb des Trägerfluids dispergiert ist.
Die oben stehenden Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Arten, die Erfindung auszuführen, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Einzelheiten werden rein beispielhaft in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen offensichtlich, wobei sich die detaillierte Beschreibung auf die Zeichnungen bezieht, in denen:
1 eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines magnetisierbaren Partikels und eines MR-Fluids ist, wie hierin offenbart;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines magnetisierbaren Partikels und eines MR-Fluids ist, wie hierin offenbart;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines magnetisierbaren Partikels und eines MR-Fluids ist, wie hierin offenbart;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines magnetisierbaren Partikels und eines MR-Fluids ist, wie hierin offenbart; und
5 eine schematische Querschnittsansicht einer fünften beispielhaften Ausführungsform eines magnetisierbaren Partikels und eines MR-Fluids ist, wie hierin offenbart.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von magnetisierbaren Partikeln in einem MR-Fluid mit einer Partikeldichte, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Dichte des Trägerfluids, um die Partikelabsetzung in dem MR-Fluid wesentlich zu reduzieren oder gegebenenfalls zu eliminieren, offenbart. Die Partikeldichte wird verändert, indem die Struktur der Partikel verändert wird, entweder indem hohle Partikel aus einem magnetisierbaren Material gebildet werden oder indem eine Schale aus einem magnetisierbaren Material über einem Kern aus einem Material gebildet wird, das eine geringere Dichte aufweist als das magnetisierbare Material und verschiedene hohle Kerne und massive Kerne umfasst. Geeignete Kerne können magnetisierbare Materialien oder nicht magnetisierbare Materialien sein, sofern der Kern die magnetischen Eigenschaften der magnetisierbaren Schale nicht stört oder sonst wie wesentlich schwächt. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können die magnetisierbaren Partikel eine magnetisierbare Schale über einem hohlen Kern einschließlich kugelförmiger Partikel mit einem hohlen Kern und ferner einschließlich jener mit einem kugelförmigen hohlen Kern umfassen. In einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform können die magnetisierbaren Partikel eine magnetisierbare äußere Schale mit einem massiven inneren Kern aus einem Glas-, Polymer- oder Keramikmaterial oder Kombinationen daraus wie z. B. einen Kern aus einer Glas-, Polymer- oder Keramik-Mikrokugel umfassen.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein MR-Fluid 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform offenbart. Das MR-Fluid 1 umfasst ein Trägerfluid 2 und eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln 10. Das Trägerfluid 2 weist ein Fluiddichteverhalten der Trägerfluide wie hierin nachfolgend beschrieben auf. Die Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln 10 ist innerhalb des Trägerfluids 2 dispergiert, wobei jede geeignete Dispersion verwendet werden kann, die eine homogene Dispersion der Partikel in dem Fluid umfasst. Die magnetisierbaren Partikel 10 weisen eine Partikeldichte auf, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Dichte des Trägerfluids 2. In Ausführungsformen, in denen das Trägerfluid 2 eine Zusammensetzung aus Fluiden und anderen Materialien einschließlich verschiedener die Rheologie modifizierender Feststoffteilchen ist, ist die Dichte des Trägerfluids 2 eine zusammengesetzte Dichte des Trägerfluids einschließlich aller Trägerbestandteile, d. h. aller Bestandteile außer den magnetisierbaren Partikeln. Die magnetisierbaren Partikel 10 weisen eine Dichte auf, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Dichte des Trägerfluids 2, sodass sie innerhalb des Fluids dispergiert sein können und eine im Wesentlichen verringerte Tendenz zeigen, sich abzusetzen. In dem Fall, in dem die Partikeldichte und die Dichte des Trägerfluids 2 gleich sind, zeigen die Partikel beim Dispergieren innerhalb des Fluids im Wesentlichen keine Tendenz, sich aus dem Trägerfluid 2, abzusetzen, d. h., sie bilden eine stabile oder homogene Suspension. Es ist jedoch keine vollständige Gleichheit der Dichte der magnetisierbaren Partikel 10 und des Trägerfluids 2 notwendig, um deutliche Verbesserungen beim Absetzen gegenüber bestehenden MR-Fluiden zu erhalten, wo im Allgemeinen eine deutliche Differenz zwischen der Dichte der magnetisierbaren Partikel und jener des Trägerfluids besteht. Somit kann der Ausdruck „im Wesentlichen gleiche wie” hierin Kombinationen aus magnetisierbaren Partikeln 10 und einem Trägerfluid 2 umfassen, in denen geringe Differenzen zwischen den Dichten dieser Materialien von soviel wie 0 bis etwa 20% und stärker bevorzugt eine Differenz von etwa 0 bis etwa 10% und stärker bevorzugt eine Differenz von etwa 0% bis etwa 5% vorhanden sind/ist. Jeder der verschiedenen beschriebenen Differenzbereiche kann eine wesentliche Verbesserung des Absetzverhaltens gegenüber herkömmlichen MR-Fluiden bereitstellen, die deutlich höhere Differenzen zwischen der Dichte der magnetisierbaren Partikel und der Fluiddichte des Trägerfluids aufweisen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 umfasst jedes der magnetisierbaren Partikel 10 einen Kern 20, der als ein Substrat für das daran befestigte magnetisierbare Material 30 dient. Der Kern 20 umfasst einen hohlen Kern 22. Der hohle Kern 22 kann eine beliebige hohle Größe und Form, wie hierin beschrieben, einschließlich einer hohlen Mikrokugel umfassen, wie hierin beschrieben. Der hohle Kern 22 kann ein beliebiges geeignetes Kernmaterial einschließlich einer hohlen Glasmikrokugel 26, eines Polymer-(nicht gezeigt) oder Keramik-(nicht gezeigt)-Materials oder einer Kombination daraus umfassen. Das magnetisierbare Material 30 kann ein beliebiges geeignetes magnetisierbares Material einschließlich verschiedener paramagnetischer, superparamagnetischer, ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Materialien oder Kombinationen daraus umfassen. Die magnetisierbare äußere Schale 30 kann ein beliebiges geeignetes magnetisierbares Material einschließlich verschiedener magnetisierbarer Reinmetalle und Metalllegierungen wie auch verschiedener Ferritmaterialien wie hierin beschrieben umfassen. Geeignete magnetisierbare Ferrite umfassen Co-, Fe-, Mg-, Mn-, Ni- oder Zn-Ferrite oder eine Kombination daraus. Das magnetisierbare Partikel 10 kann optional auch eine äußere Schutzschicht 40 umfassen. Die äußere Schutzschicht 40 kann aus einem beliebigen geeigneten Material einschließlich eines Reinmetalls, einer Metalllegierung, einer Keramik, eines Polymers oder eines Glases oder einer Kombination daraus gebildet sein.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein MR-Fluid 1 gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform offenbart. Auch das MR-Fluid 1 umfasst ein Trägerfluid 2 und eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln 10, wie oben beschrieben, und weist das gleiche Dichte- und Dispersionsverhalten auf. Auch die magnetisierbaren Partikel 10 weisen eine Dichte auf, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Dichte des Trägerfluids 2, wie oben beschrieben sodass sie innerhalb des Fluids dispergiert sein können und eine im Wesentlichen verringerte Tendenz zeigen, sich abzusetzen, wie hierin beschrieben.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 umfasst keines der magnetisierbaren Partikel 10 einen Kern, sondern jedes umfasst einen hohlen Hohlraum 21, der zumindest teilweise von einem magnetisierbaren Material 30 umgeben ist und im Spezielleren vollständig von dem magnetisierbaren Material 30 eingeschlossen sein kann. Der hohle Hohlraum 21 kann eine beliebige hohle Größe und Form aufweisen, wie hierin beschrieben. Der hohle Hohlraum 21 kann gebildet werden, indem z. B. ein Partikel der in den 1 oder 4 gezeigten Arten mithilfe eines Kerns 20 gebildet wird, der ein Polymer umfasst, und das Kernpolymermaterial pyrolysiert oder anders entfernt wird, um die äußere Schale 30 aus dem magnetisierbaren Material 30 zurückzulassen. Das magnetisierbare Material 30 kann ein beliebiges geeignetes magnetisierbares Material einschließlich verschiedener paramagnetischer, superparamagnetischer, ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Materialien oder Kombinationen daraus umfassen. Die magnetisierbare äußere Schale 30 kann für das Trägerfluid 2 undurchlässig sein oder kann porös sein und kann auch hinreichend porös sein, um zuzulassen, dass das Trägerfluid 2 den Hohlraum 21 teilweise füllt oder füllt. Wie mit Bezugnahme auf die Ausführungsform von 1 beschrieben, kann die magnetisierbare äußere Schale 30 ein beliebiges geeignetes magnetisierbares Material einschließlich verschiedener magnetisierbarer Reinmetalle und Metalllegierungen wie auch verschiedener Ferritmaterialien wie hierin beschrieben umfassen. Geeignete magnetisierbare Ferrite umfassen Co-, Fe-, Mg-, Mn-, Ni- oder Zn-Ferrite oder eine Kombination daraus. Das magnetisierbare Partikel 10 kann optional auch eine äußere Schutzschicht 40 umfassen. Die äußere Schutzschicht 40 kann aus einem beliebigen geeigneten Material einschließlich eines Reinmetalls, einer Metalllegierung, einer Keramik, eines Polymers oder eines Glases oder einer Kombination daraus gebildet sein.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein MR-Fluid 1 gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform offenbart. Auch das MR-Fluid 1 umfasst ein Trägerfluid 2 und eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln 10, wie oben beschrieben, und weist das gleiche Dichte- und Dispersionsverhalten auf. Auch die magnetisierbaren Partikel 10 weisen eine Dichte auf, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Dichte des Trägerfluids 2, wie oben beschrieben, sodass sie innerhalb des Fluids dispergiert sein können und eine im Wesentlichen verringerte Tendenz zeigen, sich abzusetzen, wie hierin beschrieben.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 umfasst jedes der magnetisierbaren Partikel 10 einen Kern 20, der als ein Substrat für das daran befestigte magnetisierbare Material 30 dient. Der Kern 20 umfasst einen massiven Kern 24. Der massive Kern 24 kann eine beliebige Größe und Form, wie hierin beschrieben, einschließlich einer massiven Mikrokugel umfassen, wie hierin beschrieben. Der massive Kern 24 kann ein beliebiges geeignetes Kernmaterial einschließlich einer massiven Glasmikrokugel 28, eines Polymer-(nicht gezeigt) oder Keramik-(nicht gezeigt)-Materials oder einer Kombination daraus umfassen. Das magnetisierbare Material 30 kann ein beliebiges geeignetes magnetisierbares Material einschließlich verschiedener paramagnetischer, superparamagnetischer, ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Materialien oder Kombinationen daraus umfassen. Die magnetisierbare äußere Schale 30 kann ein beliebiges geeignetes magnetisierbares Material einschließlich verschiedener magnetisierbarer Reinmetalle und Metalllegierungen wie auch verschiedener Ferritmaterialien wie hierin beschrieben umfassen. Geeignete magnetisierbare Ferrite umfassen Co-, Fe-, Mg-, Mn-, Ni- oder Zn-Ferrite oder eine Kombination daraus. Das magnetisierbare Partikel 10 kann optional auch eine äußere Schutzschicht 40 umfassen. Die äußere Schutzschicht 40 kann aus einem beliebigen geeigneten Material einschließlich eines Reinmetalls, einer Metalllegierung, einer Keramik, eines Polymers oder eines Glases oder einer Kombination daraus gebildet sein.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein MR-Fluid 1 gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform offenbart. Auch das MR-Fluid 1 umfasst ein Trägerfluid 2 und eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln 10, wie oben beschrieben und weist das gleiche Dichte- und Dispersionsverhalten auf. Auch die magnetisierbaren Partikel 10 weisen eine Dichte auf, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Dichte des Trägerfluids 2, wie oben beschrieben, sodass sie innerhalb des Fluids dispergiert sein können und eine im Wesentlichen verringerte Tendenz zeigen, sich abzusetzen, wie hierin beschrieben.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4 umfasst jedes der magnetisierbaren Partikel 10 einen Kern 20, der als ein Substrat für das daran befestigte magnetisierbare Material 30 dient. Der Kern 20 umfasst einen massiven Kern 24. Der massive Kern 24 kann eine beliebige Größe und Form, wie hierin beschrieben, einschließlich einer massiven Mikrokugel umfassen, wie hierin beschrieben. Der massive Kern 24 kann ein beliebiges geeignetes Kernmaterial einschließlich einer massiven Glasmikrokugel 28 (siehe 3), einer massiven Polymerkugel 29 oder eines Keramikmaterials (nicht gezeigt) oder einer Kombination daraus umfassen. Das magnetisierbare Material 30 kann ein beliebiges geeignetes magnetisierbares Material einschließlich verschiedener paramagnetischer, superparamagnetischer, fernmagnetischer oder fernmagnetischer Materialien oder Kombinationen daraus umfassen. Die magnetisierbare äußere Schale 30 kann ein beliebiges geeignetes magnetisierbares Material einschließlich verschiedener magnetisierbarer Reinmetalle und Metalllegierungen wie auch verschiedener Ferritmaterialien wie hierin beschrieben umfassen. Geeignete magnetisierbare Ferrite umfassen Co-, Fe-, Mg-, Mn-, Ni- oder Zn-Ferrite oder eine Kombination daraus. Das magnetisierbare Partikel 10 kann optional auch eine äußere Schutzschicht 40 umfassen. Die äußere Schutzschicht 40 kann aus einem beliebigen geeigneten Material einschließlich eines Reinmetalls, einer Metalllegierung, einer Keramik, eines Polymers oder eines Glases oder einer Kombination daraus gebildet sein.
Unter Bezugnahme auf 5 ist ein MR-Fluid 1 gemäß einer fünften beispielhaften Ausführungsform offenbart. Auch das MR-Fluid 1 umfasst ein Trägerfluid 2 und eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln 10, wie oben beschrieben und weist das gleiche Dichte- und Dispersionsverhalten auf. Auch die magnetisierbaren Partikel 10 weisen eine Dichte auf, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Dichte des Trägerfluids 2, wie oben beschrieben, sodass sie innerhalb des Fluids dispergiert sein können und eine im Wesentlichen verringerte Tendenz zeigen, sich abzusetzen, wie hierin beschrieben.
Unter erneuter Bezugnahme auf 5 umfasst jedes der magnetisierbaren Partikel 10 einen Kern 20, der als eine Matrix für das magnetisierbare Material 30 in der Form von Subpartikeln 32 dient, die darin eingebettet sind. Der Kern 20 kann ein massiver Kern (siehe allgemein die 3 und 4) oder ein mehrfach hohler oder poröser Kern 23 sein. Der mehrfach hohle oder poröse Kern 23 kann eine beliebige hohle Größe und Form, wie hierin beschrieben, einschließlich einer Mikrokugel umfassen, wie hierin beschrieben. Der mehrfach hohle oder poröse Kern 23 kann ein beliebiges geeignetes Kernmaterial einschließlich eines mehrfach hohlen oder porösen Polymers 23, eines Glas-(nicht gezeigt) oder Keramik-(nicht gezeigt)-Materials oder einer Kombination daraus umfassen. Das magnetisierbare Material 30 kann ein beliebiges geeignetes magnetisierbares Material einschließlich verschiedener paramagnetischer, superparamagnetischer, ferromagnetischer oder ferrimagnetischer Materialien oder Kombinationen daraus umfassen. Das magnetisierbare Material 30 und die Subpartikel 32 können ein beliebiges geeignetes magnetisierbares Material einschließlich verschiedener magnetisierbarer Reinmetalle und Metalllegierungen wie auch verschiedener Ferritmaterialien wie hierin beschrieben umfassen. Die Subpartikel 32 können magnetisierbare Partikel im Nanometer-Maßstab umfassen. Geeignete magnetisierbare Ferrite umfassen Co-, Fe-, Mg-, Mn-, Ni- oder Zn-Ferrite oder eine Kombination daraus. Das magnetisierbare Partikel 10 kann optional auch eine äußere Schutzschicht 40 umfassen. Die äußere Schutzschicht 40 kann aus einem beliebigen geeigneten Material einschließlich eines Reinmetalls, einer Metalllegierung, einer Keramik, eines Polymers oder eines Glases oder einer Kombination daraus gebildet sein. Ein Beispiel für solche magnetisierbaren Partikel umfasst mehrfach hohle supermagnetische Magnetit/Polystyrol-Nanoverbundmikrokugeln, wobei der mehrfach hohle Kern Polystyrol umfasst und die Subpartikel Magnetit (Fe₃O₄) umfassen. Ein anderes Beispiel umfasst hohle Glasmikrokugeln mit Subpartikeln oder Nanopartikeln aus CoFe₂O₄, die auf einer äußeren Fläche davon eingebettet sind.
Die Zusammensetzung des vorliegenden MR-Fluids 1 ist innerhalb bestimmter Bereiche variabel. In einer beispielhaften Ausführungsform liegt der Feststoffanteil der magnetisch weichen Partikel in dem MR-Fluid zwischen etwa 5 und etwa 80 Volumenprozent (z. B. zwischen etwa 29 und etwa 97 Gewichtsprozent Fe), stärker bevorzugt zwischen etwa 20 und etwa 60 Volumenprozent (z. B. zwischen etwa 66 und etwa 92 Gewichtsprozent Fe). Wie für Fachleute einzusehen ist, wird der Gewichtsprozentanteil für verschiedene magnetische Materialien variieren. In Gewichtsprozent ausgedrückt liegt der Feststoffanteil der magnetisch weichen Partikel in dem MR-Fluid für viele Arten von magnetisierbaren Materialien, die magnetisch weiche Zusammensetzungen umfassen, bevorzugt zwischen etwa 20 und etwa 98 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt zwischen etwa 50 und etwa 95 Gewichtsprozent. In einer beispielhaften Ausführungsform liegt der Feststoffanteil an nanostrukturierten Additivpartikeln in der flüssigen Trägerphase zwischen etwa 0,1 und etwa 10 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt zwischen etwa 1 und etwa 12 Gewichtsprozent. Der bevorzugte Polymergehalt in dem MR-Fluid liegt zwischen etwa 0,1 und etwa 10 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt zwischen etwa 0,1 und etwa 1 Gewichtsprozent. Zusätzliche Lösungsmittel, falls verwendet, umfassen weniger als etwa 20 Gewichtsprozent des MR-Fluids.
Paramagnetische, superparamagnetische, ferromagnetische oder ferrimagnetische werden können als die magnetisierbaren Partikel zur Verwendung in magnetorheologischen Fluiden verwendet. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann das in den magnetisierbaren Partikeln 30 verwendete magnetisierbare Material magnetisch Weiche Partikel aus magnetisierbaren Reinmetalle, Metalllegierungen und anderen Metallverbindungen einschließlich Ferrite umfassen. Diese können Eisen; Nickel; Kobalt; Eisenoxid, Gammaeisenoxid, Eisen-Kobalt-Legierungen, Eisen-Nickel-Legierungen, Eisen-Silizium-Legierungen, verschiedene Ferrite, welche Ferrite aus Co, Fe, Mg, Mn, Ni oder Zn oder Kombinationen daraus umfassen, und im Spezielleren Mangan-Zink-Ferrite und Zink-Nickel-Ferrite; Chromoxid, Eisennitrid; Vanadiumlegierungen, Wolframlegierungen, Kupferlegierungen, Manganlegierungen und beliebige andere geeignete magnetisch weiche Partikel umfassen. In einer Ausführungsform weisen die weichen magnetischen Partikel typischerweise eine durchschnittliche Partikelgröße zwischen etwa 1 und etwa 100 Mikrometer, im Spezielleren zwischen etwa 1 und etwa 20 Mikrometer auf.
Wie erwähnt, können die magnetisierbaren Partikel im Sinne der vorliegenden Erfindung ein beliebiges geeignetes magnetisierbares Material einschließlich paramagnetischer, superparamagnetischer, ferromagnetischer oder fernmagnetischer Materialien umfassen. Die folgenden können als Beispiele angeführt werden: Eisen, Eisennitrid, Eisencarbid, Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 1%, Nickel und Kobalt. Es sind auch Mischungen aus diesen Materialien wie etwa Legierungen aus Eisen mit Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram und Mangan geeignet. Eisen-Nickel-Legierungen und Eisen-Kobalt-Legierungen können als Legierungen genannt werden, die für diesen Zweck gut geeignet sind. Es sind auch magnetische Oxide aus Chrom und Eisen wie z. B. Chromdioxid, Gamma-Fe₂O₃ und Fe₃O₄ geeignet. Eisen und/oder Eisenlegierungen sind in diesem Zusammenhang die bevorzugten magnetisierbaren Partikel. Die magnetisierbaren Partikel können aus Metallpartikeln gewählt sein, die mechanisch weich und leicht zusammendrückbar sind und die weniger Abrieb und Verschleiß zu Komponentenoberflächen zeigen. Diesbezüglich ist Carbonyleisen besonders geeignet, welches kleine kugelförmige Eisenpartikel umfasst, die durch die thermische Zerlegung von Eisen (0)-Pentacarbonyl gewonnen werden. Die magnetisierbaren Partikel, die aus reduzierten Carbonyleisen resultieren, sind mechanisch weiche und leicht zusammendrückbare Metallpartikel mit einer nominalen Partikelgröße von etwa 6–9 Mikrometer und einer Härte von etwa B50 auf der Rockwell-Skala (im Allgemeinen entsprechend der Härte von Messing). Typische Qualitäten von weichem reduzierten Carbonyleisen, die im Handel erhältlich sind, sind die Qualitäten CL, CM, CS, CN, SP, SQ, SL, SD, SB und SM, hergestellt von BASF, und die Qualitäten R-2430, R-2410, R-1510, R-1470, R-1430, R-1521 und R-2521, hergestellt von ISP Technologies, Inc.. Diese Eisenpartikel sind magnetisch weich, d. h., sie werden unter einem magnetischen Feld magnetisiert, sie verlieren aber ihren Magnetismus, wenn das magnetische Feld ausgeschaltet wird. Dieser weiche Magnetismus lässt eine/n Kettenbildung- und -bruch zu und stellt somit reversible Aus-Zustands- und Ein-Zustandseigenschaften bereit.
Es wurde festgestellt, das die magnetorheologischen Feststoffmaterialien wie z. B. Carbonyleisen, die behandelt wurden, um integrierten Stickstoff einzubauen, eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit zeigen. Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass das Vorhandensein selbst gerqinger Anteile an integriertem Stickstoff wirksam sein kann, um oxidative Prozesse in Verbindung mit einem MR-Fluid-Gebrauch zu verzögern und eine verbesserte Feststoffoxidationsbeständigkeit und eine robustere magnetische Leistung bereitzustellen. Die stickstoffreichen Partikel können die gesamte oder einen Teil der Feststoffkomponente des MR-Fluids ausmachen. Die verwendete Menge von behandelten oder stickstoffreichen MR-Partikeln wird jene sein, welche das magnetorheologische Ansprechen des zugehörigen MR-Fluids innerhalb erwünschter Parameter aufrechterhält.
Die MR-Partikel können in der Feststoff-Verteilung entweder monomodal oder bimodal sein. Der Begriff „bimodal” wird so verwendet, dass er bedeutet, dass die Gesamtheit der in dem Fluid verwendeten massiven Partikel zwei deutlich unterscheidbare Maxima in ihrer/m Größe oder Durchmesser besitzen. Die bimodalen Partikel können kugelförmig oder allgemein kugelförmig sein. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Partikel in bimodalen Zusammensetzungen in zwei verschiedenen Größengesamtheiten – einer mit kleiner Durchmessergröße und einer mit großer Durchmessergröße, vorhanden sein werden. Die Partikelgruppe mit großer Durchmessergröße wird eine große mittlere Durchmessergröße mit einer Standardabweichung von nicht mehr als etwa zwei Drittel der mittleren Gesamtdurchmessergröße aufweisen. Ebenso wird die kleinere Partikelgruppe eine kleine mittlere Durchmessergröße mit einer Standardabweichung von nicht mehr als etwa zwei Drittel des mittleren Gesamtdurchmesserwerts aufweisen.
In einer Ausführungsform weisen die kleinen Partikel einen Durchmesser von mindestens einem Mikrometer auf, sodass sie suspendiert sind und als magnetorheologische Partikel fungieren. Die praktische obere Grenze der Partikelgröße beträgt etwa 100 Mikrometer, da Partikel mit einer größeren Größe üblicherweise keine kugelförmige Konfiguration aufweisen, sondern dazu neigen, Ansammlungen anderer Formen zu sein. Allerdings macht für die praktische Umsetzung der hierin offenbarten Ausführungsformen der mittlere Durchmesser oder die häufigste Größe der Gruppe großer Partikel bevorzugt das 5- bis 10-fache des mittleren Durchmessers oder der Median-Partikelgröße in der Gruppe kleiner Partikel aus. Das Gewichtsverhältnis der beiden Gruppen kann innerhalb von 0,1 und 0,9 liegen. Die Zusammensetzungen der Gruppen großer und kleiner Partikel können die gleichen oder verschiedene sein. Carbonyleisenpartikel werden bevorzugt. Solche Materialien weisen typischerweise eine kugelförmige Konfiguration auf und funktionieren gut sowohl für die Gruppen kleiner als auch großer Partikel.
Es ist zu erwarten, dass in MR-Fluiden zur Verwendung in Hochtemperaturanwendungen zumindest ein Teil der Partikel, die leichter oxidiert werden, behandelt werden, um Stickstoffdiffusionsbereiche vorzusehen. Es wird in Erwägung gezogen, dass in bimodalen MR-Fluid-Zusammensetzungen zumindest ein Teil einer Partikelklasse mit Stickstoff behandelt wird. Es wird bevorzugt, dass in bimodalen MR-Fluiden zumindest ein Teil von Partikeln mit kleinen durchschnittlichen Partikelverteilunsgrößen vor dem Integrieren in das MR-Trägerfluid behandelt wird.
Die magnetisierbaren Partikel 10 können eine beliebige geeignete Größe und Form aufweisen. Die durchschnittliche längste Abmessung auf der Basis ihres Gewichts (Gewichtsdurchschnitt) der magnetisierbaren Partikel gemäß der Erfindung, die mit einem organischen Polymer beschichtet sind, beträgt bevorzugt 0,1 bis 100 μm, am stärksten bevorzugt 1 bis 50 μm.
Die Form der magnetisierbaren Partikel kann unregelmäßig, stabförmig oder nadelförmig sein. Eine Kugelform oder eine Form ähnlich einer Kugelform wird am stärksten bevorzugt, wenn das Objekt hohe Füllgrade erreichen soll.
Es kann jeder Festkörper verwendet werden, von dem bekannt ist, dass er eine magnetorheologische Aktivität zeigt, insbesondere umfassend paramagnetische, superparamagnetische und ferromagnetische Elemente und Verbindungen. Beispiele für geeignete magnetisch ansprechbare Partikel umfassen Eisen, Eisenlegierungen (z. B. jene, die Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Vanadium, Molybdän, Chrom, Wolfram, Mangan und/oder Kupfer umfassen), Eisenoxide (einschließlich Fe₂O₃ und Fe₃O₄, Eisennitrid, Eisencarbid, Carbonyleisen, Nickel, Kobalt, Chromdioxid, rostfreier Stahl und Siliziumstahl umfassen. Beispiele für geeignete Partikel umfassen reine Eisenpulver, Pulver aus reduziertem Eisen, Mischungen aus Eisenoxidpulver/reinem Eisenpulver und Mischungen aus Eisenoxidpulver/Pulver aus reduziertem Eisen. Ein bevorzugtes magnetisch ansprechendes Feststoffteilchen ist Carbonyleisen, bevorzugt reduziertes Carbonyleisen.
Die Partikelgröße sollte derart gewählt sein, dass es Mehrdomäneneigenschaften zeigt, wenn es einem magnetischen Feld ausgesetzt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform liegen die durchschnittlichen Partikeldurchmessergrößen für die magnetisierbaren Partikel 10 im Allgemeinen zwischen etwa 0,1 und etwa 1000 μm, im Spezielleren zwischen etwa 0,1 und etwa 500 μm und noch spezieller zwischen etwa 1,0 und etwa 10 μm und sind bevorzugt in einer Menge zwischen etwa 50 und etwa 90 Gewichtsprozent der Gesamtzusammensetzung vorhanden.
Es wird angenommen, dass die hierin beschriebenen magnetisierbaren Materialien, z. B. Carbonyleisen, auf Kernen von Partikeln der hierin beschriebenen Art abgeschieden sein können. Die Abscheidung des magnetisierbaren Materials 30 kann mithilfe eines beliebigen geeigneten Abscheideverfahrens einschließlich verschiedener Formen der Galvanisierung, CVD, PVD und dergleichen erfolgen kann.
Ein MR-Fluid 1 wird zumindest einen Teil von Partikeln mit einem hohlen Hohlraum 21 oder Kern 20 wie hierin beschrieben umfassen. Das MR-Fluid 1 kann auch einen Teil von herkömmlichen massiven magnetisierbaren Partikeln umfassen, die keinen hohlen Hohlraum oder Kern umfassen. In solchen Mischungen wird der Teil herkömmlicher Partikel die Tendenz zeigen, sich abzusetzen, wie hierin beschrieben, allerdings wird der Teil von Partikeln mit einem hohlen Hohlraum 21 oder Kern 20, wie hierin beschrieben, einen verbesserten Widerstand gegen ein Absetzen gegenüber einem herkömmlichen MR-Fluid bereitstellen, das vollständig aus herkömmlichen massiven magnetisierbaren Partikeln besteht.
Die magnetisierbaren Partikel 10 können optional auch mit verschiedenen Poylmerbeschichtungen einschließlich verschiedener Gelatinearten beschichtet sein. In diesem Zusammenhang umfasst der Begriff „Gelatine” Gelatine-Koazervate und gelatineartige komplexe Koazervate. Kombinationen aus Gelatine mit synthetischen Polyelektrolyten sind als Gelatine enthaltende komplexe Koazervate besonders bevorzugt. Geeignete synthetische Polyelektrolyte sind jene, die z. B. durch die Homo- oder Co-Polymerisation von Maleinsäure, Acrylsäure, Methacrylsäure, Acrylamid und Methacrylamid hergestellt werden. Der Begriff „Gelatine” umfasst auch Gelatine, die beispielsweise ferner mit gebräuchlichen Härtern wie z. B. Formaldehyd oder Glutaraldehyd vernetzt sind.
Die folgenden können als geeignete synthetische Polymere angeführt werden: Polyester, Polyurethane, insbesondere Polyesterurethane und Polyetherurethane, Polycarbonate, Polyester-Polycarbonat-Copolymere, Polyharnstoffe, Melaminharze, Polysiloxane, Flourpolymere und Vinylpolymere. Die folgenden können als geeignete Vinylpolymere angeführt werden: Polyvinylchlorid, Polyvinylester wie beispielsweise Polyvinylacetat, Polystyrol, Polyacrylester wie beispielsweise Polymethylmethacrylat, Polyethylhexyl-Acrylat, Polylaurylmethacrylat, Polystearylmethacrylat oder Polyethylacrylat und Polyvinylacetale, z. B. Polyvinylbutyral. Andere geeignete synthetische Polymere umfassen Co- oder Terpolymere verschiedener Vinyl- und Vinylidenmonomere wie beispielsweise eine Polystyrol-Co-Acrylonitril und Copolymere von (Meth)acrylsäure- und (Meth)Acrylestern. Vinylpolymere, Polyharnstoffe und/oder Polyurethane sind die organischen Polymere, die diesbezüglich besonders bevorzugt sind.
Das Trägerfluid 2 kann ein beliebiges geeignetes Trägerfluid umfassen. Das Trägerfluid 2 wird im Allgemeinen ein Lösungsmittel umfassen. Das Trägerfluid kann optional auch verschiedene Antiabsetzmittel umfassen. Diese Antiabsetzmittel können als thixotrope Wirkstoffe, oberflächenaktive Substanzen, Dispergiermittel, Verdickungsmittel, Rheologie-Modifizierer und Verschleißschutzmittel bezeichnet werden.
Das MR-Fluid 1 kann ein beliebiges geeignetes Lösungsmittel einschließlich verschiedener organischer Flüssigkeiten umfassen. Polare organische Flüssigkeiten sind eine Art von organischem Lösungsmittel, die verwendet werden kann. In einer Ausführungsform weist das Lösungsmittel einen relativ hohen Siedepunkt auf, sodass das Lösungsmittel im Gebrauch nicht verdampft. Geeignete Lösungsmittel umfassen MR-Trägerfluide, die auf dem technischen Gebiet als Ethylenglykol, Ethylenglykolether, Mineralöle, Maschinenöle, Silikonöle und dergleichen bekannt sind. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Lösungsmittel zwischen etwa 1 und etwa 50 Gewichtsprozent des MR-Fluids, im Spezielleren zwischen etwa 4 und etwa 15 Gewichtsprozent umfassen. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Lösungsmittel im Wesentlichen wasserfrei.
Das MR-Fluid kann gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform als die Trägerflüssigkeit Mineralöle, Paraffinöle, Hydrauliköle, die als Transformatoröle bezeichnet werden, welche chlorierte aromatische Verbindungen enthalten und sich durch ihre hoch isolierenden Eigenschaften und ihre Hochtemperaturbeständigkeit auszeichnen, wie auch verschiedene chlorierte und fluorierte Öle enthalten. Es können auch Silikonöle, florierte Silikonöle, Polyether, fluorierte Polyether und Polyether-Polysiloxanpolymere verwendet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform liegt die Viskosität der Trägerflüssigkeit zwischen etwa 1 und 1000 mPa, im Spezielleren zwischen etwa 3 und 800 mPa, gemessen bei 25 C.
Die Trägerfluide können ein beliebiges organisches Fluid, im Spezielleren ein nicht polares organisches Fluid, sein, wobei das Trägerfluid die kontinuierliche Phase des MR-Fluids bildet. Beispiele für geeignete Fluide umfassen Silikonöle, Mineralöle, Rizinusöl einschließlich eines handelsüblichen niederviskosen Rizinusöls, Paraffinöle, Silikoncopolymere, Weißöle, Hydrauliköle, Transformatoröle, halogenierte organische Flüssigkeiten (wie z. B. chlorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Paraffine, perfluorierte Polyether und fluorierte Kohlenwasserstoffe), Diester, Polyoxyalylkene, fluorierte Silikone, Cyanalkylsiloxane, Glykole und synthetische Kohlenwasserstofföle (die sowohl ungesättigte als auch gesättigte umfassen). Es kann auch eine Mischung aus diesen Fluiden als die Trägerkomponente des magnetorheologischen Fluids verwendet werden. Das bevorzugte Trägerfluid ist nicht flüchtig, nicht polar und umfasst keine wesentliche Menge Wasser. Bevorzugte Trägerfluide sind synthetische Kohlenwasserstofföle, insbesondere jene Öle, die von hochmolekularen Alphaolephinen mit 8 bis 20 Kohlenstoffatomen durch säurekatalysierte Dimerisation und durch Oligomerisation mithilfe von Trialuminiumalkylenen als Katalysatoren hergeleitet sind. Ein besonders bevorzugtes Trägerfluid ist Poly-α-Olefin.
In einer beispielhaften Ausführungsform liegt die Viskosität der Trägerkomponente bevorzugt zwischen etwa 1 und etwa 100000 Centipoise bei Raumtemperatur, im Spezielleren zwischen etwa 1 und etwa 10000 Centipoise und im Spezielleren zwischen etwa 1 und etwa 1000 Centipoise.
In einer noch weiteren Ausführungsform kann das Trägerfluid ein wasserbasiertes oder wässriges Fluid sein. In einer Ausführungsform kann Wasser allein verwendet werden. Es können jedoch geringe (weniger als etwa 5 Gewichts-% der Gesamtformulierung und im Spezielleren etwa 0,1 bis etwa 5 Volumen-%) Mengen von polaren, mit Wasser vermischbaren, organischen Lösungsmitteln, wie z. B. Methanol, Ethanol, Propanol, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Ethylencarbonat, Propylencarbonat, Aceton, Tetrahydrofuran, Diethylether, Ethylenglykol, Propylenglykol und dergleichen zugesetzt sein.
Es kann ein beliebiges Antiabsetzmittel verwendet werden. Geeignete Antiabsetzmittel werden Materialien umfassen, die die Leistung der magnetisierbaren Partikel 30 nicht verschlechtern oder mindern und mit dem Trägerfluid kompatibel sind. Diese umfassen verschiedene thixotrope Wirkstoffe, die innerhalb des Lösungsmittels dispergiert sind. Thixotrope Wirkstoffe umfassen Quarzstaub oder Fällungskieselsäure. Wenn sie mit einem geeigneten Lösungsmittel verwendet werden, können Siliziumoxide das MR-Fluid durch Bilden eines Netzwerkes durch die Wasserstoffbrücken zwischen den Siliziumoxidpartikeln hindurch stabilisieren. Dieses Netzwerk zerbricht unter Scherung und bildet sich beim Aufhören der Scherung zurück, um die magnetisierbaren Partikel suspendiert zu halten, während es unter Scherung eine niedrige Viskosität zeigt. Fällungskieselsäure besitzt typischerweise eine große Partikelgröße und eine kleine Oberfläche auf Grund ihres Herstellungsverfahrens, während Quarzstaub typischerweise kleiner mit einer größeren Oberfläche ist. Quarzstäube sind, wenn sie verwendet werden, typischerweise oberflächenbehandelt. Allerdings zeigen sowohl Fällungskieselsäuren als auch behandelte Quarzstäube eine schwache Netzwerkbildung und demzufolge niedrige Fließspannungen in dem MR-Fluid im Betrieb.
MR-Fluide können zusätzlich oberflächenaktive Substanzen enthalten, um eine Koagulation und das Absetzen der magnetisierbaren Partikel zu verhindern. Die magnetisierbaren Partikel können z. B. mit der oberflächenaktiven Substanz beschichtet sein. Die oberflächenaktive Substanz wird typischerweise in Mengen von weniger als 10 Gewichts-% bezogen auf das Gewicht des Siliziumoxids. Dies führt typischerweise zu einer Konzentration von weniger als 0,1 Gewichts-% des vollständig formulierten MR-Fluid. Wenn die Konzentration der oberflächenaktiven Substanz zunimmt, nimmt die Fließspannung ab. Die Fließspannung ist ein Indikator für die Festigkeit des Siliziumoxid-Netzwerkes. Während andererseits große Menge an oberflächenaktiver Substanz wünschenswert wären, ist die Menge an oberflächenaktiver Substanz, die derzeit verwendet werden kann, auf Grund ihrer Querempfindlichkeit mit der Funktion des thixotropen Wirkstoffes begrenzt.
Während die Verwendung von thixotropen Wirkstoffen und oberflächenaktiven Substanzen wirksam ist, um das Absetzen der Partikel in den MR-Fluiden zu reduzieren, sind sie nicht immer ausreichend, um das erwünschte Partikelabsetzverhalten zu erreichen. Ferner kann die Verwendung dieser Stoffe auch das magnetische Ansprechverhalten der Fluide beeinflussen, z. B. durch Herabsetzen der magnetischen Sättigung der magnetisierbaren Partikel.
Das MR-Fluid 1 kann auch in dem Trägerfluid 2 ein Verdickungsmittel umfassen. In einer beispielhaften Ausführungsform enthalten die MR-Fluide gemäß der Erfindung zusätzlich zumindest ein Verdickungsmittel, das die thixotropen Eigenschaften auf die magnetorheologische Flüssigkeit überträgt und erhöht die Stabilität der Suspension magnetisierbarer Partikel 30 in Bezug auf das Absetzen. Beispiele für Verdickungsmittel umfassen fein verteilte anorganische oder organische Mikropartikel einschließlich Gele, Silikate wie z. B. Bentonit, Metalloxide wie z. B. Titandioxid, Aluminiumoxid oder Siliziumoxid und/oder mikrodispergierte hydratisierte Siliziumoxide, welche mittels Flammenhydrolyse beschafft werden und im Handel unter den Markennamen Aerosil.RTM. oder HDK.RTM von Degussa AG, Deutschland bzw. von Wacker GmbH, Deutschland, erhältlich sind.
Das MR-Fluid 1 kann in dem Trägerfluid 2 auch verschiedene Zusatzpartikel als einen thixotropen Wirkstoff umfassen. Diese können nanostrukturierte Stoffe wie z. B. Oxide, Carbide, Nitride und Boride umfassen. Oxidzusatzpartikel sind für viele der derzeitigen MR-Fluide geeignet und umfassen z. B. SiO₂, TiO₂, ZrO₂ und Fe₃O₄. Die Zusatzpartikel sind in der Lage, durch Polymere verbunden zu werden, und weisen typischerweise eine durchschnittliche Partikelgröße auf, die wesentlich kleiner ist als die Größe der magnetisch weichen Partikel. Die Zusatzpartikel können eine durchschnittliche Größe von etwa 10^–5 etwa der durchschnittlichen Größe der weichen magnetischen Partikel aufweisen. Die durchschnittliche Partikelgröße der Zusatzpartikel liegt typischerweise zwischen etwa 1 bis etwa 1000 nm, im Spezielleren zwischen etwa 1 bis etwa 100 nm, wobei eine Partikelgröße zwischen etwa 10 und etwa 20 nm für viele Anwendungen geeignet ist. Das Gewichtsverhältnis zwischen den Zusatzpartikeln und den magnetisch weichen Partikeln beträgt typischerweise etwa 0,004 bis etwa 0,4, im Spezielleren etwa 0,01 bis etwa 0,05.
In den hierin beschriebenen Fluidzusammensetzungen können auch hydrophobe Organotone als Antiabsetzmittel, Verdickungsmittel und Rheologie-Modifizierer eingesetzt werden. Sie erhöhen die Viskosität und die Fließspannung der hierin beschriebenen magnetorheologischen Fluidzusammensetzungen. Wenn sie verwendet werden, sind die Organotone typischerweise in Konzentrationen zwischen etwa 0,1 und etwa 6,5, im Spezielleren etwa 3 bis etwa 6 Gewichtsprozent auf der Basis des Gewichts der Gesamtzusammensetzung vorhanden.
Der hydrophobe Organoton sorgt für ein weiches Sediment in dem Fall, dass irgendwelche der magnetisierbaren Partikel sedimentieren. Das weiche Sediment sorgt für eine problemlose Rückdispersion. Geeignete Tone sind thermisch, mechanisch und chemisch stabil und weisen eine Härte auf, die geringer ist als jene von herkömmlicherweise verwendeten Antiabsetzmittel wie z. B. Siliziumoxid oder Siliziumdioxid. Die Zusammensetzungen der Erfindung, die hierin beschrieben sind, werden beim Scheren bevorzugt flüssig mit Scherraten von unter 100/s und erlangen nach der Scherverflüssigung in weniger als etwa fünf Minuten ihre Struktur wieder.
Organotone, die zur Verwendung mit den hierin beschriebenen MR-Fluidzusammensetzungen geeignet sind, stammen typischerweise von Bentoniten. Bentonit-Tone zeigen eine Tendenz zur Thixotropie und Scherverflüssigung, d. h., sie bilden Netzwerke, die durch Anwenden von Scherung leicht zerstört werden, und die ihre Form wiedererlangen, wenn die Scherung entfernt wird. Wie hierin verwendet, bedeutet „stammen von”, dass ein Bentonit-Tonmaterial mit einem organischen Material verwendet wird, um den Organoton herzustellen. Bentonit, Smektit und Montmorillonit werden gelegentlich untereinander austauschbar verwendet. Wie hierin verwendet, bezeichnet „Bentonit” jedoch eine Klasse von Tonen, die Smektit-Tone, Montmorillonit-Tone und Hectorit-Tone umfassen. Montmorillonit-Ton bildet typischerweise einen großen Teil von Bentonit-Tonen. Montmorillonit-Ton ist ein Aluminiumsilikat. Hectorit-Ton ist ein Magnesiumsilikat.
Die Tone werden mit einem organischen Material modifiziert, um die anorganischen Oberflächenkationen gegen organische Oberflächenkationen mittels herkömmlicher Verfahren (typischerweise eine Kationenaustauschreaktion) auszutauschen. Beispiele für geeignete organische Modifizierer umfassen Amine, Carboxylate, Phosphonium- oder Sulfoniumsalze oder Benzyl- oder andere organische Gruppen. Die Amine können beispielsweise quaternäre oder aromatische Amine sein.
Es wird angenommen, dass sich Organotone in einer organischen Lösung über einen ähnlichen Mechanismus orientieren, wie jenem, der bei Tonen in wässrigen Lösungen beteiligt ist. Es bestehen jedoch grundlegende Unterschiede zwischen den beiden. Beispielsweise können Öle Ladungen nicht so gut solvatisieren wie wässrige Lösungen. Die gelbildenden Eigenschaften von Organotonen sind stark von der Affinität der organischen Komponente des Basisöls abhängig. Andere wichtige Eigenschaften sind der Grad der Dispersion und die Partikel/Partikel-Wechselwirkungen. Der Grad der Dispersion wird durch die Intensität und Dauer der Scherkräfte und gelegentlich durch die Verwendung eines polaren Aktivierungsmittels gesteuert. Die Partikel/Partikel-Wechselwirkungen sind zum Großteil durch die organische Komponente auf der Oberfläche des Tons gesteuert.
Das MR-Fluid 1 kann in dem Trägerfluid 2 auch ein oder mehrere geeignete/s Dispergiermittel umfassen. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst das MR-Fluid 1 gemäß der Erfindung ein oder mehrere Dispergiermittel. Beispiele für geeignete Dispergiermittel umfassen Lecithin, Oleinsäure und Oleate wie z. B. Eisenoleat, Fettsäuren, Alkaliseifen wie z. B. Lithiumstearat, Natriumstearat oder Aluminium-Tristearat, Sulfonate und Phosphate, die lipophile Radikale umfassen, und Glykolester wie z. B. Glyzerin-Monostearat. Wenn es verwendet wird, kann das Dispergiermittel in einer Menge von etwa 0,01 bis 2 Gewichts-%, im Spezielleren etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gewichts-%, bezogen auf das Gewicht der magnetisierbaren Partikel vorhanden sein.
Das MR-Fluid 1 kann in dem Trägerfluid 2 auch ein geeignetes Verschleißschutz- oder Gleitmittel oder eine Kombination daraus umfassen. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst das MR-Fluid 1 gemäß der Erfindung einen Zusatz, der dem Fluid Antiverschleiß- und Gleiteigenschaften verleiht. Es kann ein beliebiges Verschleißschutzmittel einschließlich verschiedener kolloidaler Zusätze wie z. B. kolloidales Polytetrafluorethylen, kolloidaler Graphit oder kolloidales Molybdän-Disulfid und eine Kombination oder eine Mischung daraus verwendet werden. Zusätzliche Verschleißschutzmittel umfassen z. B. Motorschmiermittel wie z. B jene, die Thiophosphor oder Thiocarbamat einschließlich Zinkdialkyl-Dithiophosphat (ZDDP) eingebaut haben.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann das MR-Fluid 1 gemäß der Erfindung auch einen Schmiermittelzusatz einschließlich Polytetrafluorethylen und/oder Graphit und/oder Molybdän-Disulfid umfassen. Überdies weist der Zusatz eine Partikelgröße von gleich oder weniger als 10 Mikrometer auf, sodass die Fähigkeit des Zusatzes, die magnetisierbaren Partikel zu schmieren, optimiert ist.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird für Fachleute einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt sein können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Überdies können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um ein/e bestimmte/s Situation oder Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzumfang abzuweichen. Die Erfindung soll daher nicht auf die speziellen Ausführungsformen beschränkt sein, die als beste Art, diese Erfindung auszuführen, offenbart sind, sondern die Erfindung wird alle Ausführungsformen einschließen, die in den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung fallen.

Claims

Magnetorheologisches Fluid, umfassend: eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln mit einer Partikeldichte; und ein Trägerfluid mit einer Fluiddichte, wobei die Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln innerhalb des Trägerfluids dispergiert ist, wobei ein Teil der Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln eine Partikeldichte aufweist, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Fluiddichte.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 1, wobei jeweilige der Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln einen inneren Hohlraum aufweisen.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 2, wobei jeweilige der magnetisierbaren Partikel im Wesentlichen kugelförmig sind.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 1, wobei jeweilige der magnetisierbaren Partikel eine magnetisierbare äußere Schale und einen inneren Kern umfassen.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 4, wobei der innere Kern eine Keramik, ein Glas oder ein Polymer oder eine Kombination daraus umfasst.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 1, wobei jeweilige der Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln eine Matrix umfassen, die eine Vielzahl von darin dispergierten magnetisierbaren Sub-Partikeln aufweist.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 6, wobei die Matrix eine Keramik, ein Glas oder ein Polymer oder eine Kombination daraus umfasst.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 6, wobei die Matrix porös ist.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 1, wobei die magnetisierbaren Partikel ein paramagnetisches, superparamagnetisches, ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material oder eine Kombination daraus umfasst.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 1, wobei die magnetisierbaren Partikel einen Ferrit umfassen.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 7, wobei der Ferrit Co, Fe, Mg, Mn, Ni oder Zn oder eine Kombination daraus umfasst.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 2, wobei die äußere Schale des magnetisierbaren Materials derart ausgebildet ist, dass das Trägerfluid in den Hohlraum eindringen kann.
Magnetorheologisches Fluid, umfassend: eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln mit einer äußeren Schale aus einem magnetisierbaren Material und einem inneren Kern, wobei der innere Kern eine Keramik, ein Glas oder ein Polymer oder eine Kombination daraus umfasst; und ein Trägerfluid, wobei die Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln innerhalb des Trägerfluids dispergiert ist.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 13, wobei der innere Kern einen von einem massiven Kern oder einem hohlen Kern umfasst.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 13, wobei die magnetisierbaren Partikel einen Ferrit umfassen.
Magnetorheologisches Fluid nach Anspruch 15, wobei der Ferrit Co, Fe, Mg, Mn, Ni oder Zn oder eine Kombination daraus umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines MR-Fluids, umfassend dass: ein Trägerfluid gebildet wird, das ausgebildet ist, um eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln aufzunehmen, wobei das Trägerfluid eine Fluiddichte aufweist; die Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln mit einer Partikeldichte gebildet wird; wobei die magnetisierbaren Partikel eine Partikeldichte aufweisen, die im Wesentlichen die gleiche ist wie die Fluiddichte; und die magnetisierbaren Partikel in dem Trägerfluid dispergiert werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bilden der Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln für jedes der jeweiligen der Vielzahl von Partikeln umfasst, dass eine Schicht aus einem magnetisierbaren Material als eine äußere Schale über einem hohlen oder massiven inneren Kern abgeschieden wird, welcher ein Glas ein Polymer oder eine Keramik oder eine Kombination daraus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend, dass die inneren Kerne entfernt werden, um eine Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln herzustellen, wobei jeweilige der Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln eine äußere Schale und einen inneren Hohlraum umfassen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Bilden der Vielzahl von magnetisierbaren Partikeln für jedes der jeweiligen der Vielzahl von Partikeln umfasst, dass eine Vielzahl von Sub-Partikeln aus dem magnetisierbaren Material und eine Matrix, welche ein Glas, ein Polymer oder eine Keramik oder eine Kombination daraus umfasst, gebildet werden, wobei die Sub-Partikel in der Matrix eingebettet sind.