EP1782437A1 - Magnetorheologische materialien mit hohem schaltfaktor und deren verwendung - Google Patents

Magnetorheologische materialien mit hohem schaltfaktor und deren verwendung

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EP1782437A1
EP1782437A1 EP05782479A EP05782479A EP1782437A1 EP 1782437 A1 EP1782437 A1 EP 1782437A1 EP 05782479 A EP05782479 A EP 05782479A EP 05782479 A EP05782479 A EP 05782479A EP 1782437 A1 EP1782437 A1 EP 1782437A1
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EP
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materials according
particles
magnetorheological materials
magnetorheological
mrf
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EP05782479A
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EP1782437B1 (de
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Holger Böse
Alexandra-Maria Trendler
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/44—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of magnetic liquids, e.g. ferrofluids
    • H01F1/447—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of magnetic liquids, e.g. ferrofluids characterised by magnetoviscosity, e.g. magnetorheological, magnetothixotropic, magnetodilatant liquids

Definitions

  • the present invention relates to magneto-rheological materials with a high switching factor, in particular magnetorheological fluids (MRF) with a high switching factor, and their use.
  • MRF magnetorheological fluids
  • MRF are materials that change their flow behavior under the influence of an external magnetic field.
  • electrorheological fluids are usually non-colloidal suspensions of particles which can be polarized in a magnetic or electric field in a carrier liquid which optionally contains further additives.
  • MRFs are usually non-colloidal suspensions of magnetizable particles, from about one micron to one millimeter in size in a carrier liquid.
  • the MRF can also contain additives, such as, for example, B. Dispergiertoskar and thickening additives contain.
  • the particles are ideally homogeneous and isotropically distributed, so that the MRF in the magnet-free space has a low dynamic basis viscosity ⁇ 0 [measured in Pa * s].
  • an external magnetic field H When an external magnetic field H is applied, the magnetizable particles arrange in chain-like structures parallel to the magnetic field lines. This restricts the fluidity of the suspension, which manifests itself macroscopically as an increase in viscosity.
  • the field-dependent dynamic viscosity ⁇ H increases monotonically with the applied magnetic field strength H.
  • the dynamic viscosity of an MRF is determined with a rotational viscometer.
  • the shear stress ⁇ [measured in Pa] is measured at different magnetic field strengths and given shear rate D [in s "1 ], whereby the dynamic viscosity ⁇ [in Pa * s] is determined
  • the changes in the flow behavior of the MRF depend on the concentration and nature of the magnetizable particles, their shape, size and size distribution; but also on the properties of the carrier liquid, the additional additives, the applied field, the temperature and other factors.
  • the mutual interactions of all these parameters are extremely complex, so that individual improvements of an MRF with regard to a specific target variable have always been the subject of investigations and optimization efforts.
  • the switching factor w D is defined at a fixed shear rate D as the ratio of the shear stress T H of the MRF in the external magnetic field H to the shear stress ⁇ 0 without magnetic field:
  • the switching factor w D can thus be regarded as a measure of the convertibility of a magnetic excitation into a rheological state change of the MRF.
  • a "high" switching factor means that a small change in the magnetic flux density B results in a large change in the shear stress ⁇ B / ⁇ 0 or the dynamic viscosity ⁇ B / ⁇ o in the MRF.
  • spherical particles of carbonyl iron are used for MRF.
  • MRF magnetizable substances and mixtures of substances known.
  • WO 02/45102 A1 describes an MRF with a mixture of high-purity iron particles and ferrite particles in order to simultaneously optimize the properties of the MRF with and without a magnetic field. About the particle shape and size are given no information.
  • US Pat. No. 5,667,715 discloses MRFs which contain spherical particles having a bimodal particle size distribution, the ratio of the average particle sizes of the two fractions being between 5 and 10. In addition, the width of the particle size distributions of the two individual fractions must not exceed the value of two-thirds of the respective average particle sizes.
  • MRFs with bimodal particle size distributions are also described, the ratio of the average particle sizes of the two fractions being between 3 and 15.
  • EP 1 283 530 A2 the concentration of the magnetisable particles, which in turn are in bimodal size distribution, is given as 86-90% by mass.
  • US Pat. No. 6,610,404 B2 describes a magnetorheological material made of magnetic particles with defined geometric features, such as cylinder or prism shapes, among others. The production of such particles is very expensive. For strongly asymmetric particles, a high base viscosity of the MRF is also to be expected.
  • US Pat. No. 6,395,193 B1 and WO 01/84568 A2 describe magnetorheological compositions with nonspherical magnetic particles, but these are not combined with spherical magnetic particles. All of these MRFs have in common that they are dependent on specific particle sizes or particle size distributions and / or defined particle geometries for achieving a high switching factor. As a result, their preparation becomes complicated and correspondingly expensive.
  • magnetorheological materials in particular MRF, with two types of magnetizable particles are proposed, wherein the first particle fraction p consists of irregularly shaped non-spherical particles and the second fraction q consists of spherical particles.
  • the combination of irregularly shaped non-spherical particles and spherical particles in the support medium surprisingly achieves both a low base viscosity without field and a high shear stress in the external magnetic field. That is, the magnetorheological materials according to the invention have an exceptionally high switching factor.
  • the production of the irregular is shaped particle fraction p little expensive and so ⁇ extremely inexpensive.
  • the average particle size of the fraction p is equal to or greater than that of the fraction q.
  • the use of irregularly shaped, non-spherical particles thus entails a significant cost advantage compared to the production of known materials.
  • An advantageous embodiment of the invention erfindungs ⁇ magne 'torhetreun materials provides that the mean particle size of the fraction p Trains t Credit ⁇ at least twice the value of the average of the fraction q Par ⁇ tikel seal has. Furthermore, it is favorable if the average particle sizes of the fractions p and q are between 0.01 ⁇ m and 1000 ⁇ m, preferably between 0.1 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • a further advantageous embodiment of the magnetorheological materials according to the invention provides that the volume ratio of fractions p and q is between 1:99 and 99: 1, preferably between 10:90 and 90:10.
  • the magnetizable Parti ⁇ angle of soft magnetic particles according to the state of the technique.
  • the magnetizable particles both from the amount of soft magnetic metallic materials such as iron, cobalt, nickel (even in non-pure form) and alloys thereof such as iron-cobalt, iron-nickel / magne ⁇ tischer steel;
  • Iron-silicon can be selected nen nen as well as from the amount of soft magnetic oxide ceramic materials such as the cubic ferrites, the perovskites and the garnets of the general formula
  • metals from the group M Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ti, Cd or Mg.
  • mixed ferrites such as MnZn, NiZn, NiCo, NiCuCo, NiMg or CuMg ferrites.
  • the magnetizable particles can also consist of iron carbide or iron nitride particles and of alloys of vanadium, tungsten, copper and manganese, as well as mixtures of the mentioned particulate materials or of mixtures of different magnetizable types of solids.
  • the soft magnetic materials may also be present all or partially in contaminated form.
  • Carrier media in the context of the invention are carrier liquids and fats, gels or elastomers.
  • the carrier liquids which may be used are the liquids known from the prior art, such as water, mineral oils, synthetic oils, such as polyalphaolefins, hydrocarbons, silicone oils, esters, polyethers, fluorinated polyethers, polyglycols, fluorinated carbonates. Hydrogens, halogenated hydrocarbons, fluorinated silicones, organically modified silicones and copolymers thereof or mixtures of these liquids can be used.
  • inorganic particles such as SiO 2 TiO 2, iron oxides, layered silicates or organic additives and combinations thereof may be added to the suspension.
  • a further advantageous embodiment of the magnetorheological materials according to the invention provides that the inorganic particles are at least partially organically modified.
  • the suspension contains particle-shaped additives such as graphite, perfluoroethylene or molybdenum compounds such as molybdenum disulfite and combinations thereof in order to reduce abrasion phenomena. It is also possible for the suspension to be used for the surface treatment of workpieces special abrasives and / or chemically etching additives such. Ko ⁇ round, cerium oxides, silicon carbide or diamond contains.
  • the proportion of magnetizable particles between 10 and 70 vol .-%, preferably between 20 and 60 vol .-%, is; the proportion of the carrier medium is between 20 and 90% by volume, preferably between 30 and 80% by volume, and the proportion of nonmagnetizable additives is between 0.001 and 20% by mass, preferably between 0.01 and 15 mass% (based on the magnetisable solids), is.
  • the invention further relates to the use of the materials described in more detail above.
  • magnetorheological materials according to the invention provides for their use in adaptive shock and vibration dampers, controllable brakes, clutches and in sports or training equipment. Special materials can also be used for the surface treatment of workpieces.
  • the magnetorheological materials can also be used to generate and / or display haptic information such as characters, computer-simulated objects, sensor signals or images, in haptic form, to simulate viscous, elastic and / or viscoelastic properties or the consistency distribution of an object, in particular Training and / or research purposes and / or for medical applications.
  • haptic information such as characters, computer-simulated objects, sensor signals or images, in haptic form, to simulate viscous, elastic and / or viscoelastic properties or the consistency distribution of an object, in particular Training and / or research purposes and / or for medical applications.
  • MRF magnetorheological fluid
  • Polyalphaolefin having a density of 0.83 g / cm 3 at 15 ° C. and a kinematic viscosity of 48.5 mm / s 2 at 40 ° C., Irregularly shaped iron particles (p) having an average particle size of 41 ⁇ m, measured in isopropanol by means of laser diffraction with the aid of a Mastersizer S from Malvern Instruments,
  • spherical iron particles (q) with a mean particle size of 4.7 ⁇ m, measured in isopropanol by means of laser diffraction with the aid of a Mastersizer S from Malvern Instruments.
  • the magnetorheological fluid MRF 3 thus prepared with the iron particle mixture (p) + (q) was subsequently evaluated for its properties characterized and compared with two other magnetorheological fluids prepared accordingly. It contained
  • the rheological and magnetorheological measurements were carried out in a Searle Systems MCR 300 from Paar Physica.
  • the rheological properties were carried out without applied magnetic field in a measuring system with coaxial cylindrical geometry, while the measurements in the magnetic field were made in a plate-plate arrangement perpendicular to the field lines.
  • the shear stress ⁇ 0 as a function of the shear rate D for the MRF 3 according to the invention and the two comparative approaches MRF 1 and MRF 2 without an applied magnetic field. It can be seen that the flow curve of the MRF 3 according to the invention lies at all shear rates outside the quasistatic range (D> 1 s -1 ) below those of MRF 1 and MRF 2. This means that the MRF 3 according to the invention has a Magnetfeld ⁇ free space at a fixed shear rate D in comparison to the other approaches the lowest dynamic Ba ⁇ sisviskostician ⁇ 0 (see equation (1) of the description).
  • the MRF 3 according to the invention has the highest shear stresses T B overall in the magnetic field in comparison with the lugs MRF 1 and MRF 2 without particle mixtures.
  • MRF 3 in the entire measuring range exceeds those of MRF 1 and MRF 2.
  • B 500 mT
  • the MRF 3 according to the invention with the particle mixture consists of large, unclean gel-shaped iron particles and small ball-shaped iron particles both the lowest dynamic basic viscosity ⁇ o in the field-free space and the largest switching factor W D in the magnetic field in relation to the comparison approaches MRF 1 and MRF 2 auf ⁇ points.

Landscapes

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

Description

Magnetorheologische Materialien mit hohem
Schaltfaktor und deren Verwendung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magneto¬ rheologische Materialien mit hohem Schaltfaktor, insbesondere auf magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) mit hohem Schaltfaktor, sowie deren Verwendung.
MRF sind Materialien, die unter Einwirkung eines äu¬ ßeren Magnetfeldes ihr Fließverhalten ändern. Wie bei ihren elektrorheologischen Analoga, den sogenannten elektrorheologischen Flüssigkeiten (ERF) handelt es sich in der Regel um nicht-kolloidale Suspensionen aus in einem magnetischen bzw. elektrischen Feld po¬ larisierbaren Teilchen in einer Trägerflüssigkeit, die gegebenenfalls weitere Additive enthält.
Die Grundlagen der MRF und erste Vorrichtungen zur
Ausnutzung des magnetorheologischen Effekts gehen auf Jacob Rabinow im Jahr 1948 zurück (Rabinow, J., Magnetic Fluid Clutch, National Bureau of Standards Technical News Bulletin 33(4) 54-60, 1948; U.S. Pa¬ tent 2,575,360) . Nach anfänglich großem Aufsehen ebb¬ te das Interesse an MRF zunächst ab, um ab Mitte der neunziger Jahre eine Renaissance zu erleben (BuI- lough, W.A. (Editor) , Proceedings of the 5th Interna¬ tional Conference on Electro-Rheological Fluids, Magneto-Rheological Suspensions and Associated Tech¬ nology (1.), Singapore, New Jersey, London, Hong Kong: World Scientific Publishing, 1996) . Inzwischen sind zahlreiche magnetorheologische Flüssigkeiten und Systeme kommerziell erhältlich wie z. B. MRF-Bremsen sowie unterschiedliche Vibrations- und Stossdämpfer (Mark R. Jolly, Jonathan W. Bender, and J. David Carlson, Properties and Applications of Commercial
Magnetorheological Fluids, SPIE 5th Annual Int Sympo¬ sium on Smart Structures and Materials, San Diego, CA, March 15, 1998) . Nachfolgend werden einige spe¬ zielle Eigenschaften von MRF und deren Beeinflussbar- keit beschrieben.
MRF sind meist nicht-kolloidale Suspensionen magneti- sierbarer Teilchen, von ca. einem Mikrometer bis zu einem Millimeter Größe in einer Trägerflüssigkeit. Zur Stabilisierung der Partikel gegenüber Sedimenta¬ tion und zur Verbesserung der Anwendungseigenschaften kann die MRF außerdem Additive wie z. B. Disper- gierhilfsmittel und verdickend wirkende Zusatzstoffe enthalten. Ohne äußeres Magnetfeld sind die Partikel idealerweise homogen und isotrop verteilt, so dass die MRF im magnetfreien Raum eine geringe dynamische Basisviskosität η0 [gemessen in Pa*s] aufweist. Bei Anlegen eines äußeren Magnetfeldes H ordnen sich die magnetisierbaren Teilchen in kettenartigen Strukturen parallel zu den magnetischen Feldlinien an. Dadurch wird das Fließvermögen der Suspension eingeschränkt, was sich makroskopisch als Viskositätsanstieg bemerk¬ bar macht. Die feldabhängige dynamische Viskosität ηH nimmt dabei in der Regel monoton mit der applizierten Magnetfeldstärke H zu.
In der Praxis wird die dynamische Viskosität einer MRF mit einem Rotationsviskosimeter bestimmt. Hierzu wird die Schubspannung τ [gemessen in Pa] bei ver¬ schiedenen Magnetfeldstärken und vorgegebener Scher- rate D [in s"1] gemessen. Dabei wird die dynamische Viskosität η [in Pa*s] durch
(1) η = τ/D
definiert.
Die Änderungen im Fließverhalten der MRF hängen von der Konzentration und Art der magnetisierbaren Teil¬ chen ab, von ihrer Form, Größe und Größenverteilung; aber auch von den Eigenschaften der Trägerflüssig¬ keit, den zusätzlichen Additiven, dem angelegten Feld, der Temperatur und anderen Faktoren. Die gegen¬ seitigen Wechselbeziehungen all dieser Parameter sind äußerst komplex, so dass einzelne Verbesserungen ei- ner MRF im Hinblick auf eine spezielle Zielgröße im¬ mer wieder Gegenstand von Untersuchungen und Optimie¬ rungsbemühungen gewesen sind.
Ein Forschungsschwerpunkt war dabei die Entwicklung von MRF mit hohem Schaltfaktor. In Gleichung (2) wird der Schaltfaktor wD bei einer festen Scherrate D de¬ finiert als Verhältnis der Schubspannung TH der MRF im externen Magnetfeld H zur Schubspannung τ0 ohne Magnetfeld:
(2) wD = τH / T0- Die externe Magnetfeldstärke H [gemessen in A/m] ist nach Gleichung (3) mit der magnetischen Flussdichte B [gemessen in N/A-m = T] korreliert
(3) B = μr • μ0 • H.
Mit μr: relative Permeabilität des Mediums, dessen magnetische Flussdichte bestimmt werden soll, μ0 = 4 • π • ICT7 V-s/A-m : absolute Permeabilität.
Da es sich in der Praxis als nützlich erwiesen hat, magnetische Kennzahlen als Funktion der magnetischen Flussdichte B anzugeben, wird nachfolgend auch der Schaltfaktor auf dieses Bezugssystem transformiert.
(4) WD=τB/τ0.
Mit XB: Schubspannung der MRF im externen Magnetfeld H mit der magnetischen Flussdichte B.
Der Schaltfaktor wD kann somit als Maß für die Um- setzbarkeit einer magnetischen Anregung in eine rheo- logische Zustandsänderung der MRF angesehen werden. Ein "hoher" Schaltfaktor bedeutet, dass mit einer ge¬ ringen magnetischen Flussdichteänderung B eine große Änderung der Schubspannung τB/τ0 bzw. der dynamischen Viskosität ηB/ηo in der MRF erzielt wird. In der Ver¬ gangenheit hat es zahlreiche Ansätze gegeben, den Schaltfaktor durch geeignete Wahl der magnetisierba- ren Teilchen im Hinblick auf eine höhere Effektivität der MRF zu optimieren.
In der Regel werden für MRF kugelförmige Partikel aus Carbonyleisen eingesetzt. Es sind aber auch MRF mit anderen magnetisierbaren Stoffen sowie Stoffgemischen bekannt. So beschreibt die WO 02/45102 Al eine MRF mit einer Mischung aus hochreinen Eisenpartikeln und Ferritpartikeln, um die Eigenschaften der MRF mit und ohne Magnetfeld gleichzeitig zu optimieren. Über die Partikelform und -große werden keine Angaben gemacht. Desweiteren gibt es zahlreiche Patente zu speziellen Teilchengeometrien und -Verteilungen.
Aus US 5,667,715 sind MRF bekannt, die kugelförmige Teilchen mit einer bimodalen Partikelgrößenverteilung enthalten, wobei das Verhältnis der mittleren Parti¬ kelgrößen der beiden Fraktionen zwischen 5 und 10 liegt. Außerdem darf die Breite der Partikelgrößen¬ verteilungen der beiden Einzelfraktionen den Wert von zwei Drittel der jeweiligen mittleren Partikelgrößen nicht überschreiten. In US 5,900,184 und US 6,027,664 werden ebenfalls MRF mit bimodalen Partikelgrößenver¬ teilungen beschrieben, wobei das Verhältnis der mitt¬ leren Partikelgrößen der beiden Fraktionen zwischen 3 und 15 liegt. In EP 1 283 530 A2 wird die Konzentra¬ tion der magnetisierbaren Partikel, die wiederum in bimodaler Größenverteilung vorliegen, mit 86 - 90 Massen-% angegeben.
US 6,610,404 B2 beschreibt ein magnetorheologisches Material aus magnetischen Partikeln mit definierten geometrischen Merkmalen wie z.B. Zylinder- oder Pris¬ menformen u. a.. Die Herstellung derartiger Partikel ist sehr aufwendig. Bei stark asymmetrischen Teilchen ist außerdem mit einer hohen Basisviskosität der MRF zu rechnen. In US 6,395,193 Bl und WO 01/84568 A2 werden magnetorheologische Zusammensetzungen mit nichtsphärischen magnetischen Teilchen beschrieben, doch werden diese nicht mit kugelförmigen magneti- sehen Teilchen kombiniert. Allen genannten MRF ist gemeinsam, dass sie zur Er¬ zielung eines hohen Schaltfaktors auf spezielle Par¬ tikelgrößen bzw. Partikelgrößenverteilungen und/oder definierte Teilchengeometrien angewiesen sind. Da- durch wird ihre Präparation aufwendig und entspre¬ chend kostspielig.
Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung magnetorheologische Materialien mit hohem Schaltfaktor, insbesondere MRF mit hohem Schaltfak¬ tor, vorzuschlagen, deren Präparation weniger aufwen¬ dig und damit kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbil¬ dungen derartig hergestellter magnetorheologischer Materialien, insbesondere MRF, werden in den abhängi¬ gen Ansprüchen beschrieben. Desweiteren geben die Pa¬ tentansprüche 19 bis 21 Verwendungsmöglichkeiten der- artig hergestellter magnetorheologischer Materialien an.
Erfindungsgemäß werden somit magnetorheologische Ma¬ terialien, insbesondere MRF, mit zwei Arten von mag- netisierbaren Partikeln vorgeschlagen, wobei die ers¬ te Partikelfraktion p aus unregelmäßig geformten nichtsphärischen Teilchen besteht und die zweite Fraktion q aus sphärischen Teilchen. Durch die Kombi¬ nation von unregelmäßig geformten nichtsphärischen Partikeln und sphärischen Partikeln in dem Trägerme¬ dium werden überraschenderweise sowohl eine niedrige Basisviskosität ohne Feld als auch eine hohe Schub¬ spannung im externen Magnetfeld erreicht. Das heißt, die erfindungsgemäßen magnetorheologischen Materia- lien weisen einen außergewöhnlich hohen Schaltfaktor auf. Außerdem ist die Herstellung der unregelmäßig geformten Partikelfraktion p wenig aufwendig und so¬ mit äußerst preisgünstig. Bevorzugt ist die mittlere Partikelgröße der Fraktion p gleich oder größer als diejenige der Fraktion q. Durch den Einsatz von unre- gelmäßig geformten, nichtsphärischen Teilchen ent¬ steht also ein signifikanter Kostenvorteil im Ver¬ gleich zur Herstellung bekannter Materialien.
Es hat sich herausgestellt, dass z.B. bei einer MRF, die zum Vergleich nur kleine kugelförmige Partikel enthält, die Basisviskosität deutlich erhöht ist. Da¬ gegen werden bei einer anderen MRF, die nur die gro¬ ßen unregelmäßig geformten Partikel enthält, deutlich geringere Schubspannungen im Magnetfeld festgestellt. Die MRF mit einer Kombination aus großen unregelmäßig geformten, nichtsphärischen Teilchen und kleinen sphärischen Teilchen weist damit ein deutlich verbes¬ sertes Eigenschaftsprofil auf.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der erfindungs¬ gemäßen magne'torheologischen Materialien sieht vor, dass die mittlere Partikelgröße der Fraktion p bevor¬ zugt mindestens den doppelten Wert der mittleren Par¬ tikelgröße der Fraktion q aufweist. Weiterhin ist es günstig, wenn die mittleren Partikelgrößen der Frak¬ tionen p und q zwischen 0,01 μm und 1000 μm, bevor¬ zugt zwischen 0,1 μm und 100 μm, liegen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der er- findungsgemäßen magnetorheologischen Materialien sieht vor, dass das Volumenverhältnis der Fraktionen p und q zwischen 1 : 99 und 99 : 1, bevorzugt zwi¬ schen 10 : 90 und 90 : 10, liegt.
Vorteilhafterweise können die magnetisierbaren Parti¬ kel aus weichmagnetischen Partikeln nach dem Stand der Technik gebildet werden. Dies bedeutet, dass die magnetisierbaren Partikel sowohl aus der Menge der weichmagnetischen metallischen Werkstoffe wie Eisen, Cobalt, Nickel (auch in nichtreiner Form) und Legie- rungen daraus wie Eisen-Cobalt, Eisen-Nickel/ magne¬ tischer Stahl; Eisen-Silizium ausgewählt werden kön¬ nen als auch aus der Menge der weichmagnetischen oxidkeramischen Werkstoffe wie den kubischen Ferri- ten, den Perowskiten und den Granaten der allgemeinen Formel
MO-Fe2O3
mit einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ti, Cd oder Mg.
Daneben können aber auch Mischferrite wie MnZn-, NiZn-, NiCo-, NiCuCo-, NiMg- oder CuMg-Ferrite einge¬ setzt werden.
Die magnetisierbaren Partikel können aber auch aus Eisencarbid- oder Eisennitridpartikeln bestehen sowie aus Legierungen von Vanadium, Wolfram, Kupfer und Mangan sowie aus Mischungen aus den genannten Parti- kelmaterialien oder aus Mischungen unterschiedlicher magnetisierbarer Feststoffarten. Dabei können die weichmagnetischen Werkstoffe auch alle oder teilweise in verunreinigter Form vorliegen.
Als Trägermedium im Sinne der Erfindung werden Trä¬ gerflüssigkeiten sowie Fette, Gele oder Elastomere angesehen. Als Trägerflüssigkeiten können die aus dem Stand der Technik bekannten Flüssigkeiten, wie Was¬ ser, Mineralöle, synthetische Öle wie Polyalphaolefi- ne, Kohlenwasserstoffe, Siliconöle, Ester, Polyether, fluorierte Polyether, Polyglykole, fluorierte Kohlen- Wasserstoffe, halogenierte Kohlenwasserstoffe, fluo¬ rierte Silicone, organisch modifizierte Silicone so¬ wie Copolymere daraus oder Mischungen aus diesen Flüssigkeiten eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der erfin¬ dungsgemäßen magnetorheologischen Materialien können der Suspension zur Herabsetzung der Sedimentation an¬ organische Partikel wie Siθ2Λ Tiθ2, Eisenoxide, Schichtsilicate oder organische Additive sowie Kombi¬ nationen daraus zugegeben werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der er¬ findungsgemäßen magnetorheologischen Materialien sieht vor, dass die anorganischen Partikel mindestens zum Teil organisch modifiziert sind.
Weitere besondere Ausführungsformen der magnetorheo¬ logischen Materialien sehen vor, dass die Suspension zur Herabsetzung von Abrasionserscheinungen partikel¬ förmige Additive wie Graphit, Perfluorethylen oder Molybdänverbindungen wie Molybdändisulfit sowie Kom¬ binationen daraus enthält. Es ist auch möglich, dass die Suspension zum Einsatz für die Oberflächenbehand- lung von Werkstücken spezielle abrasiv wirkende und/oder chemisch ätzende Zusatzstoffe wie z.B. Ko¬ rund, Ceroxide, Siliziumcarbid oder Diamant enthält.
Insgesamt hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Anteil der magnetisierbaren Partikel zwischen 10 und 70 Vol.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Vol.-%, liegt; der Anteil des Trägermediums zwischen 20 und 90 Vol.-%, bevorzugt zwischen 30 und 80 Vol.-%, liegt und der Anteil der nichtmagnetisierbaren Additive zwischen 0,001 und 20 Massen-%, bevorzugt zwischen 0,01 und 15 Massen-% (bezogen auf die magnetisierba- ren Feststoffe), liegt.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der vorstehend näher beschriebenen Materialien.
Eine vorteilhafte Ausgestaltungsform der erfindungs- gemäßen magnetorheologischen Materialien sieht deren Verwendung in adaptiven Stoß- und Schwingungsdämp- fern, steuerbaren Bremsen, Kupplungen sowie in Sport¬ oder Trainingsgeräten vor. Spezielle Materialien kön¬ nen auch zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken eingesetzt werden.
Letztlich können die magnetorheologischen Materialien auch zur Erzeugung und/oder Darstellung haptischer Informationen wie Schriftzeichen, computersimulierter Objekte, Sensorsignale oder Bilder, in haptischer Form, zur Simulation von viskosen, elastischen und/oder viskoelastischen Eigenschaften bzw. der Kon¬ sistenzverteilung eines Objekts, insbesondere zu Trainings- und/oder Forschungszwecken und/oder für medizinische Anwendungen, eingesetzt werden.
Im Folgenden wird ein Beispiel für die Herstellung der erfindungsgemäßen magnetorheologischen Materia¬ lien, insbesondere die Herstellung einer magnetorheo¬ logischen Flüssigkeit (MRF), beschrieben.
Beispiel 1
Eingesetzte Edukte:
- Polyalphaolefin mit einer Dichte von 0,83 g/cm3 bei 15° C und einer kinematischen Viskosität von 48,5 mm/s2 bei 40° C, - unregelmäßig geformte Eisenpartikel (p) mit ei¬ ner mittleren Teilchengröße von 41 μm, gemessen in Isopropanol mittels Laserbeugung mit Hilfe eines Mastersizers S der Firma Malvern Instru- ments,
- kugelförmige Eisenpartikel (q) mit einer mitt¬ leren Teilchengröße von 4,7 μm, gemessen in Isopropanol mittels Laserbeugung mit Hilfe ei¬ nes Mastersizers S der Firma Malvern Instru- ments.
80 ml einer Suspension mit 35,00 Vol.-% Eisenpulver, davon 23,33 Vol-% unregelmäßig geformte Partikel (p) und 11,66 Vol.-% kugelförmige Partikel (q) , in PoIy- alphaolefin werden wie folgt hergestellt:
43,16 g Polyalphaolefin werden in einem Stahlbehälter von 250 ml Inhalt auf 0,001 g Einwaagegenauigkeit eingewogen. Unter ständigem Rühren werden dann zuerst 146,96 g des unregelmäßig geformten Eisenpulvers (p) langsam eingestreut, anschließend erfolgt in gleicher Weise die Zugabe von 73,45 g der kugelförmigen Eisen¬ partikel (q) . Die Dispergierung des Eisenpulvers im Öl erfolgt mit Hilfe eines Dispermat der Firma VMA- Getzmann GmbH mittels einer Dissolverscheibe mit ei¬ nem Durchmesser von 30 mm, wobei ein Abstand zwischen der Dissolverscheibe und dem Behälterboden von 1 mm besteht. Die Behandlungsdauer beträgt 3 min bei ca. 6500 Umdrehungen pro Minute. Die Rührgeschwindigkeit ist der Viskosität des Ansatzes dann optimal ange- passt, wenn die Drehscheibe unter Bildung einer Trom- be von oben deutlich sichtbar ist.
Die derart hergestellte magnetorheologische Flüssig- keit MRF 3 mit der Eisenpartikelmischung (p) + (q) wurde anschließend hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert und mit zwei weiteren entsprechend hergestellten magnetorheologischen Flüssigkeiten ver¬ glichen. Dabei enthielt
- MRF 1 anstelle der Partikelmischung (p) + (q) , 35 Vol.-% der reinen kugelförmigen Eisenparti¬ kel (q) in Polyalphaolefin und - MRF 2 anstelle der Partikelmischung (p) + (q) ,
35 Vol.-% der reinen unregelmäßig geformten Ei- senpartikel (p) in Polyalphaolefin.
Die rheologischen und magnetorheologischen Messungen erfolgten in einem Rotationsrheometer (Searle Sys¬ tems) MCR 300 der Firma Paar Physica. Dabei wurden die rheologischen Eigenschaften ohne angelegtes Mag¬ netfeld in einem Messsystem mit koaxialer Zylinderge¬ ometrie durchgeführt, während die Messungen im Mag¬ netfeld in einer Platte-Platte Anordnung senkrecht zu den Feldlinien erfolgten.
Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in den Abbil¬ dungen 1 bis 3 zusammengefasst.
Abbildung 1 zeigt die Schubspannung τ0 als Funktion der Scherrate D für die erfindungsgemäße MRF 3 sowie die beiden Vergleichsansätze MRF 1 und MRF 2 ohne an¬ gelegtes Magnetfeld. Man erkennt, dass die Fließkurve der erfindungsgemäßen MRF 3 bei allen Scherraten au¬ ßerhalb des quasistatischen Bereichs (D > 1 s"1) un- terhalb derer von MRF 1 und MRF 2 liegt. Dies bedeu¬ tet, dass die erfindungsgemäße MRF 3 im magnetfeld¬ freien Raum bei einer festen Scherrate D im Vergleich zu den übrigen Ansätzen die geringste dynamische Ba¬ sisviskosität η0 aufweist (vgl. Gleichung (1) der Be- Schreibung) . Abbildung 2 zeigt die Schubspannung τB als Funktion der magnetischen Flussdichte B für die erfindungsge¬ mäße MRF 3 sowie die beiden Vergleichsansätze MRF 1 und MRF 2 im quasistatischen Bereich (D = 1 s"1) . Man erkennt, dass die erfindungsgemäße MRF 3 im gesamten Messbereich höhere Schubspannungen τB aufweist als der Vergleichsansatz MRF 2, der lediglich unregelmä¬ ßig geformte Eisenpartikel (p) enthält. Weiterhin er¬ kennt man, dass die Schubspannung τB der erfindungs- gemäßen MRF 3 bis zu einer Scherrate von D = 400 s"1 deckungsgleich mit derjenigen von MRF 1 verläuft, dann aber noch deren Werte übertrifft. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße MRF 3 im Magnetfeld gleiche oder höhere Schubspannungen TB aufweist wie MRF 1, die lediglich kleine kugelförmige Eisenpartikel (q) enthält.
Zusammenfassend kann somit gesagt werden, dass die erfindungsgemäße MRF 3 im Magnetfeld im Vergleich zu den Ansätzen MRFl und MRF2 ohne Partikelmischungen insgesamt die höchsten Schubspannungen TB aufweist.
Abbildung 3 zeigt den Schaltfaktor wD als Funktion der magnetischen Flussdichte B für die erfindungsge- mäße MRF 3 sowie die beiden Vergleichsansätze MRF 1 und MRF 2 bei einer konstanten Scherrate von D = 100 s"1. Man erkennt, dass der Schaltfaktor wD der er¬ findungsgemäßen MRF 3 im gesamten Messbereich dieje¬ nigen der Ansätze MRF 1 und MRF 2 übertrifft. So lässt sich beispielsweise bei einer Flussdichte von B = 500 mT eine Erhöhung des Schaltfaktors wD um den Faktor 3 im Verhältnis zu MRF 1 bzw. um den Faktor 5 im Verhältnis zu MRF 2 feststellen.
Insgesamt bleibt festzuhalten, dass die erfindungsge¬ mäße MRF 3 mit der Partikelmischung aus großen unre- gelmäßig geformten Eisenteilchen und kleinen kugel¬ förmigen Eisenteilchen sowohl die geringste dynami¬ sche Basisviskosität ηo im feldfreien Raum als auch den größten Schaltfaktor WD im Magnetfeld im Verhält¬ nis zu den Vergleichsansätzen MRF 1 und MRF 2 auf¬ weist.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetorheologische Materialien aus mindestens einem nicht-magnetisierbaren Trägermedium und darin enthaltenen magnetisierbaren Partikeln, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Partikel mindestens zwei magnetisierba- re Partikelfraktionen p und q enthalten sind, wobei p aus nicht-sphärischen Partikeln und q aus sphärischen Partikeln gebildet ist.
2. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Parti¬ kelgröße von p gleich oder größer q ist.
3. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittle¬ re Partikelgröße der Fraktion p bevorzugt min- destens den doppelten Wert der mittleren Parti¬ kelgröße der Fraktion q aufweist.
4. Magnetorheologische Materialien nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich¬ net, dass die mittleren Partikelgrößen der Frak- tionen p und q zwischen 0,0 1 μm und 1000 μm liegen, bevorzugt zwischen 0, 1 μm und 100 μm.
5. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis der Fraktionen p und q zwischen 1 : 99 und 99 : 1, bevorzugt zwischen 10 : 90 und 90 : 10, liegt.
6. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierbaren Parti¬ kel aus weichmagnetischen Partikeln bestehen.
7. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierba¬ ren Partikel aus weichmagnetischen metallischen Werkstoffen ausgewählt sind, insbesondere aus Eisen, Cobalt, Nickel (auch in nichtreiner Form) und Legierungen daraus wie Eisen-Cobalt, Eisen-
Nickel; magnetischer Stahl; Eisen-Silizium und/oder deren Mischungen.
8. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierba- ren Partikel aus weichmagnetischen oxidkerami¬ schen Werkstoffen ausgewählt sind, insbesondere aus kubischen Ferriten, Perowskiten und Granaten der allgemeinen Formel
MO-Fe2O3
mit einem oder mehreren Metallen aus der Gruppe
M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ti, Cd oder Mg und/oder deren Mischungen.
9. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierba- ren Partikel aus Mischferriten wie MnZn-, NiZn-,
NiCo-, NiCuCo-, NiMg-, CuMg-Ferriten und/oder deren Mischungen ausgewählt sind.
10. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierba- ren Partikel ausgewählt sind aus Eisencarbid o- der Eisennitrid sowie aus Legierungen von Vana- dium, Wolfram, Kupfer und Mangan und/oder deren Mischungen.
11. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierba- ren Partikel in reiner und/oder verunreinigter
Form vorliegen.
12. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermedium ausgewählt ist aus
- Trägerflüssigkeiten wie Wasser, Mineralöle, synthetische Öle wie Polyalphaolefine, Kohlen¬ wasserstoffe, Siliconöle, Ester, Polyether, fluorierte Polyether, Polyglykole, fluorierte Kohlenwasserstoffe, halogenierte Kohlenwasser¬ stoffe, fluorierte Silicone, organisch modifi¬ zierte Silicone sowie Copolymere daraus oder aus Flüssigkeitsmischungen hiervon,
- Fetten oder Gelen oder
- aus Elastomeren.
13. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Additive Disper¬ giermittel, Antioxidantien, Entschäumer und/oder Antiverschleißmittel enthalten.
14. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als weitere Additive, zur Herabsetzung der Sedimentation, anorganische Partikel wie SiO2, TiO2, Eisenoxide, Schichtsi- licate oder organische Zusatzstoffe sowie Kombi¬ nationen daraus, enthalten.
15. Magnetorheologische Materialien nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die anorgani- sehen Partikel zumindest zum Teil organisch mo¬ difiziert sind.
16. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als weitere Additive, zur Herabsetzung von Abrasionserscheinungen, partikelförmige Zusätze wie Graphit, Perfluo- rethylen oder Molybdänverbindungen wie Molybdän¬ disulfit sowie Kombinationen daraus enthalten.
17. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als weitere Additive, zum Einsatz für die Oberflächenbehandlung von Werkstücken, abrasiv wirkende und/oder chemisch ätzende Zusatzstoffe wie z.B. Korund, Ceroxide, Siliziumcarbid und/oder Diamant enthalten.
18. Magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Anteil der magnetisierbaren Partikel zwi- sehen 10 und 70 Vol.-%, bevorzugt zwischen 20 und 60 Vol.-%, liegt,
der Anteil des Trägermediums zwischen 20 und 90 Vol.-%, bevorzugt zwischen 30 und 80 Vol.-%, liegt,
- der Anteil der Additive zwischen 0,001 und 20
Massen-%, bevorzugt zwischen 0,01 und 15 Mas- sen-% (bezogen auf die magnetisierbaren Fest¬ stoffe) , liegt.
19. Verwendung der magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18 in adaptiven Stoß- und Schwingungsdämpfern, steuerbaren Bremsen, Kupplungen sowie in Sport¬ oder Trainingsgeräten.
20. Verwendung der magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18 zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken.
21. Verwendung der magnetorheologische Materialien nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18 zur Erzeugung und/oder Darstellung haptischer Informationen wie Schriftzeichen, computersimu- lierte Objekte, Sensorsignale oder Bilder; zur
Simulation von viskosen, elastischen und/oder visko-elastischen Eigenschaften bzw. der Konsis¬ tenzverteilung eines Objekts, insbesondere zu Trainings- und/oder Forschungszwecken und/oder für medizinische Anwendungen.
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