Non-linear magnetorheologyMultibody and multipole effects on the yield stress

Resumen

Por lo general, los fluidos magnetorreológicos (FMR) son suspensiones de micropartículas ferromagnéticas dispersas en un líquido Newtoniano no magnético. Bajo la presencia de un campo magnético externo, las partículas se magnetizan y comienzan a interaccionar a través de fuerzas magnetoestáticas. Como resultado de dicha interacción, las partículas se ensamblan formando agregados en la dirección del campo externo dotando al sistema de una estructura interna. Esta estructuración tiene lugar en pocos milisegundos y da como resultado un notable incremento en la viscosidad de la suspensión (efecto MR). De hecho, para campos externos y concentraciones de partículas suficientemente elevados, la estructura interna es capaz de soportar esfuerzos (por debajo de un cierto valor conocido como esfuerzo umbral) sin romperse o fluir, comportándose entonces como un material sólido o viscoplástico [1]. La capacidad de controlar el comportamiento reológico (transición liquido-sólido) de forma rápida y precisa ha hecho de los FMR materiales muy apreciados como transmisores inteligentes de esfuerzo/torque en diversas ramas de la ingeniería [2]. Sin embargo, los FMR aún adolecen de diversas limitaciones que impiden su completa aplicación comercial. Entre otros: (i) no son fáciles de modelar cuantitativamente por lo que no es sencillo optimizar/predecir sus propiedades reológicas [3] y (ii) tienden a sedimentar y compactar con el tiempo lo que acaba convirtiéndolos en una pasta inmanejable [1]. Debido a las altas concentraciones de partículas comúnmente utilizadas en sus aplicaciones y la fuerte respuesta magnética de las partículas ferromagnéticas, el comportamiento reológico de los FMR está dictado por efectos multicuerpo, multipolares y no-lineales [4]. Sin embargo, por la complejidad de los mismos, dichos efectos no suelen contemplarse conjuntamente en los modelos numéricos/teóricos actuales lo que lleva a subestimar las propiedades reológicas del FMR. En la primera parte de esta tesis doctoral se propone un modelo numérico, basado en el método de elementos finitos, para el cálculo del esfuerzo umbral de FMR suponiendo que los mismos se estructuran en redes periódicas tridimensionales bajo la acción del campo externo. El método tiene en cuenta los ya mencionados efectos multicuerpo, multipolar y no-lineales, y es aplicable independientemente de la concentración, campo externo y/o respuesta magnética de las partículas. Seguidamente, el modelo propuesto se compara con modelos tradicionales demostrando que estos últimos sólo son válidos a bajas concentraciones (ausencia de interacciones multicuerpo) y a bajos campos magnéticos externos (régimen lineal). Por su parte, el buen acuerdo encontrado entre los resultados del modelo propuesto y las medidas experimentales (independientemente de la concentración o el campo externo) demuestran que los efectos multicuerpo, multipolar y no-lineales son los principales responsables del comportamiento reológico de los FMR y su inclusión se hace necesaria cuando se pretende realizar un modelado con capacidad de predicción cuantitativa. El modelo propuesto también se valida a campos externos altos (en el régimen de saturación donde no hay efectos multipolares) tanto teórica como experimentalmente. El desarrollo teórico demuestra la necesidad de incorporar efectos multicuerpo de largo alcance en este régimen mientras que la comprobación experimental requiere de una celda reológica diseñada específicamente para tal fin. El uso de celdas comerciales convencionales introduce errores en la medida experimental asociados a la aparición de gradientes de campo que invalidan la caracterización reológica en saturación. En la segunda parte de la tesis se presenta una nueva ruta para solventar la inestabilidad coloidal propia de los FMR: debido a la gran diferencia de densidades entre las partículas dispersadas y el líquido dispersante las primeras tienden a sedimentar. Además, la presencia de otras interacciones coloidales favorece que las partículas agreguen irreversiblemente dificultando su posterior redispersión. Tradicionalmente estos problemas se han solucionado parcialmente añadiendo a los FMR una segunda población de partículas más pequeñas, del orden de nanómetros, las cuales ralentizan la velocidad de sedimentación. Sin embargo, esta segunda población también es responsable de una disminución no deseada del efecto MR [5]. Para evitar esta desventaja, en esta tesis doctoral, se propone el uso de partículas con un tamaño del orden de cien nanómetros como segunda población de FMR bimodales. La clave de esta formulación consiste en que, precisamente para esos tamaños, las partículas secundarias se encuentran en el límite mono-multidominio, presentando propiedades magnéticas mejoradas (en concreto, mayores niveles de remanencia y magnetización). Como resultado se obtienen FMR bimodales más estables (menor velocidad de sedimentación y más fáciles de redispersar) y, al mismo tiempo, con mayores niveles de esfuerzo umbral. Referencias: [1] J. de Vicente, D. J. Klingenberg y R. Hidalgo-Álvarez (2011). Magnetorheological fluids: a review. Soft Matter, 7(8), 3701-3710. [2] R. Ahamed, S. B. Choi y M. M. Ferdaus (2018). A state of art on magneto-rheological materials and their potential applications. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 29(10), 2051-2095. [3] A. Ghaffari, S. H. Hashemabadi y M. Ashtiani (2015). A review on the simulation and modeling of magnetorheological fluids. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 26(8), 881-904. [4] T. B. Jones y B. Saha (1990). Nonlinear interactions of particles in chains. Journal of Applied Physics, 68(2), 404-410. [5] G. T. Ngatu. y N. M. Wereley (2007). Viscometric and sedimentation characterization of bidisperse magnetorheological fluids. IEEE Transactions on Magnetics, 43(6), 2474-2476.