Resumen de Viscoelasticity, structural models and flow instabilities in magnetic suspensions
1. Introducción, motivación y objetivos Los sistemas estudiados en esta tesis doctoral son suspensiones de partículas de materiales magnetizables que, en general, se conocen como fluidos magnetorreológicos (MR). Cuando estas suspensiones se someten a la aplicación de un campo magnético externo, las partículas dispersas se polarizan e interaccionan formando cadenas y otros agregados más complejos alineados en la dirección del campo. Desde el punto de vista macroscópico, la formación de estos agregados provoca que el fluido pase a comportarse como un sólido elástico cuando se aplican esfuerzos de cizalla por debajo del llamado esfuerzo umbral. Una vez superado el esfuerzo umbral, los agregados de partículas se rompen y el material comienza a fluir como un líquido cuya viscosidad depende del tamaño y la orientación de los fragmentos de los agregados [1-3]. Este cambio de las propiedades reológicas causado por la aplicación de un campo magnético se conoce como efecto magnetorreológico y facilita el uso de los fluidos MR en múltiples aplicaciones, pertenecientes a campos tan diferentes como la ingeniería mecánica, aplicaciones aerospaciales, medicina u óptica [4-8].
La formulación de los fluidos MR empleados en estas aplicaciones es bastante compleja [9-12]. Sin embargo, la mayor parte de los fluidos utilizados para el desarrollo de modelos teóricos en este campo pueden considerarse prácticamente ideales. Así, suelen ser suspensiones de partículas con una distribución de tamaños muy estrecha (suspensiones monodispersas), bastante diluidos, sin apenas aditivos.
En esta tesis doctoral se han estudiado dos tipos de sistemas que se alejan de esa concepción ideal de los fluidos MR, a saber: (i) fluidos MR que contienen partículas diamagnéticas, y ii) fluidos MR altamente concentrados. En el primer caso, se ha estudiado la influencia de las partículas diamagnéticas sobre las propiedades magnéticas y reológicas de la suspensión. En el segundo caso, se han investigado las propiedades reológicas y las inestabilidades de flujo asociadas a este tipo de fluidos concentrados.
2. Resultados obtenidos 2.1. Fluidos MR que contienen partículas diamagnéticas En primer lugar se ha obtenido que la respuesta magnetorreológica de fluidos MR convencionales se puede mejorar mediante la inclusión de partículas diamagnéticas no-Brownianas en la formulación del fluido. En concreto, se observa que el esfuerzo umbral bajo campo magnético de estas suspensiones aumenta con la concentración de dichas partículas, para una fracción volumétrica de partículas ferromagnéticas dada.
El aumento del esfuerzo umbral señalado en el punto anterior se podría atribuir, al menos parcialmente, a una mejora de la permeabilidad magnética de la suspensión causada por la formación de estructuras de núcleo diamagnético y corteza ferromagnética. Idénticos resultados se obtendrían empleando partículas de núcleo diamagnético y corteza ferromagnética o partículas ferromagnéticas huecas. Este resultado es altamente prometedor, dado que abriría la puerta a la fabricación de fluidos MR con partículas de menor densidad media y, por tanto, con menor grado de sedimentación, manteniendo una elevada respuesta magnetorreológica.
Además de la mejora de la permeabilidad magnética, la inclusión de partículas diamagnéticas en la formulación de fluidos MR provoca un aumento de la difusión rotacional de los agregados magnéticos debido a colisiones con las partículas diamagnéticas no-Brownianas bajo flujo de cizalla. En suspensiones reales ambos mecanismos (mejora de las propiedades magnéticas y aumento de la difusión rotacional) deben de contribuir al aumento del esfuerzo umbral cuando se adicionan partículas diamagnéticas a fluidos MR.
Además de estudiar el efecto de la adición de partículas diamagnéticas en fluidos MR convencionales, también lo hemos investigado para fluidos MR en los que el líquido portador es un ferrofluido (es decir, una suspensión de nanopartículas ferromagnéticas en un líquido diamagnético). A este tipo de suspensiones se le han denominado fluidos magnetorreológicos inversos, estando constituidas por micropartículas ferro- y diamagnéticas dispersas en un ferrofluido. Debido a la estructuración de ambos tipos de partículas bajo la aplicación de campo magnético, las propiedades magnetorreológicas de este tipo de suspensiones mejora con respecto a suspensiones compuestas enteramente por partículas ferromagnéticas en un ferrofluido, a igual concentración de material ferromagnético. Este aumento, sin embargo, no se puede atribuir exclusivamente a la contribución de las estructuras formadas por las partículas diamagnéticas, puesto que es mayor que el que correspondería a dicha contribución. Por tanto, la mezcla de ambas partículas da lugar a un efecto sinérgico en lo que a las propiedades magnetorreológicas concierne.
2.1. Fluidos MR altamente concentrados e inestabilidades de flujo En primer lugar se ha estudiado el comportamiento magnetorreológico de fluidos MR con concentración cercana a la de máximo empaquetamiento. Además se ha desarrollado un nuevo modelo teórico para explicar el esfuerzo umbral estático de fluidos MR altamente concentrados que está basado en hipótesis de partida realistas para este tipo de suspensiones. La principal contribución del modelo es que el factor clave para el desarrollo del esfuerzo umbral de estos fluidos es la disminución de la permeabilidad magnética de la suspensión cuando las estructuras inducidas por el campo magnético se estiran por esfuerzos de cizalla.
Asimismo se ha observado que los fluidos MR concentrados dan lugar a fenómenos de inestabilidades de flujo cuando se cizallan a muy bajas velocidades de deformación en presencia de campos magnéticos orientados a lo largo del gradiente de velocidad. Dichas inestabilidades se manifiestan en forma de oscilaciones temporales del esfuerzo de cizalla, cuya amplitud y periodo dependen de la intensidad del campo aplicado. Además, la forma de los reogramas obtenidos en estas condiciones es un tanto atípica, puesto que dichas gráficas presentan un mínimo que se corresponde con la velocidad de deformación crítica por debajo de la cual aparecen las irregularidades. Este fenómeno se ha observado tanto en geometría plato-plato como en el flujo de Poiseuille a través de capilares, siendo la explicación microscópica diferente en cada caso, pero siempre relacionada con procesos periódicos de ruptura/formación de los agregados de partículas magnéticas- 3. Conclusiones Como conclusión general podemos afirmar que en esta tesis se han establecido algunos de los mecanismos que controlan las propiedades macroscópicas de fluidos magnetorreológicos reales. Hemos hallado que ciertos fenómenos indeseables, como las inestabilidades de flujo, pueden aparecer bajo la aplicación de determinadas condiciones experimentales. Sin embargo, también hemos proporcionado algunas claves para mejorar la respuesta tecnológica de los dispositivos basados en fluidos magnetorreológicos (mejor reproducibilidad y efecto magnetorreológico más intenso). En el futuro, los trabajos en este campo de investigación deberían aclarar el papel que juegan otros factores relacionados con la formulación real de los fluidos magnetorreológicos. Casi con toda certeza podemos afirmar que durante el transcurso de estos estudios se descubrirán nuevos e interesantes fenómenos dependientes del campo magnético.
4. Referencias [1] G. Bossis, S. Lacis, A. Meunier, and O. Volkova. Magnetorheological fluids. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 252:224 ¿ 228, 2002.
[2] J. de Vicente, D. J. Klingenberg, and R. Hidalgo-Álvarez. Magnetorheological fluids: a review. Soft Matter, 7:3701¿3710, 2011.
[3] B. J. Park, F. F. Fang, and H. J. Choi. Magnetorheology: materials and application. Soft Matter, 6:5246¿5253, 2010.
[4] J. D. Carlson. What makes a good MR fluid? Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 13:431¿435, 2002.
[5] G. A. Flores, R. Sheng, and J. Liu. Medical applications of magnetorheological fluids - a possible new cancer therapy. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 10:708¿713, 2000.
[6] M. R. Jolly, J. W. Bender, and J. D. Carlson. Properties and applications of commercial magnetorheological fluids. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 10:5¿13, 1999.
[7] D. J. Klingenberg. Magnetorheology: applications and challenges. AIChE Journal, 47:246¿249, 2001.
[8] H. J. Schneider, M. Shahinpoor, G. Bossis, R. Bell, M. Zrinyi, D .J. Klingenberg, F. Gordaninejad, J. de Vicente, H.J. Choi, R. Tao, W. Hu, H. Boese, W.Kordonski, Y. T. Choi, G.Ngatu,W. H. Liao, S. B. Choi, and D. E. Barber. Magnetorheology. The Royal Society of Chemistry, 2014. ISBN 978-1-84973- 667-1.
[9] J. D. Carlson, D. M. Catanzarite, and K. A. St. Clair. Commercial magnetorheological fluid devices. International Journal of Modern Physics B, 10:2857¿2865, 1996.
[10] R. T. Foister. Magnetorheological fluids, 1997. US Patent 5,667,715.
[11] T. L. Forehand and D. E. Barber. High durabilitymagnetorheological fluids, 2012. EP Patent App. EP20,100,727,540.
[12] J. D. G. Durán, F. González-Caballero, A. V. Delgado, G. R. Iglesias, M. T. López-López, M. L. Jiménez-Olivares, Fernández Ruiz-Morón L., Insa-Monesma J., and E. Romero-Palazón. Fluido magnetorreológico, 2009. Patente ES 2301390.
