Materialele electroreologice (ER)

Materialele electroreologice (ER) au fost descoperite in 1949, de catre W.M. Winslow. Materialele ER sunt solutii de particule coloidale, polarizabile, cu dimensiuni de ordinul a 1-100 m, in solventi izolatori, cu constanta dielectrica ridicata

La aplicarea unui camp electric puternic, de ordinul kV/m, materialele ER , aflate in curgere, isi modifica proprietatile reologice (vascozitate, plasticitate, elasticitate) formand lanturi, in succesiune prezentata schematic in Fig.5.1.

Se constata ca particulele au tendinta de-a forma lanturi chiar si la intensitati reduse ale campului electric aplicat. Odata cu cresterea intensitatii campului, lanturile sunt forfecate din ce in ce mai greu si atunci cand viteza particulelor scade la zero, lanturile devin perpendiculare pe suprafetele electrozilor.

Cresterea vascozitatii, cu pana la trei ordine de marime, este datorata    energiei consumate pentru disocierea lanturilor de particule [363]. Reluarea curgerii are loc numai atunci cand tensiunea de forfecare aplicata depaseste tensiunea de curgere dinamica. Din acel moment, in continuare, materialul ER se comporta ca un fluid obisnuit, cu vascozitate constanta [364].

Asadar materialele ER au comportamente diferite: in regim precurgere si in regim post-curgere. Majoritatea aplicatiilor sunt cu comportare la forfecare controlabila in regim post-curgere. Fig.5.2 prezinta o schema idealizata a comportarii la forfecare a unui material ER.

Regimul pre-curgere exista numai la deformatii mici, γ < γ_y. In regim post-curgere, se observa o dependenta liniara a tensiunii de forfecare (τ) de viteza de deformare (γÿ), conform relatiei:

unde τ_y este tensiunea de curgere dinamica, care este puternic dependenta de campul electric aplicat (E1 < E2 < E3 => τ_y1 < τ_y2 < τ_y3); η - vascozitatea plastica care este putin dependenta de campul electric.

Aplicatiile materialelor ER sunt de doua tipuri: (i) dispozitive controlabile si (ii) structuri adaptive.

Dispozitivele controlabile opereaza cu vascozitate constanta, dupa un principiu de functionare bazat pe doua configuratii fundamentale, de interactiune a materialului ER cu electrodul: 1 - cu electrod fix si 2 - cu electrod mobil. Aceste doua configuratii sunt ilustrate schematic in Fig.5.3.

Dispozitivele controlabile, bazate pe configuratia cu electrod fix, din Fig.5.3(a), contin electrozi stationari, intre care curge materialul ER, cu un anumit flux, produs de un gradient de presiune.

La configuratia cu electrod alunecator, electrozii sunt paraleli si cel putin unul dintre ei se poate deplasa tangential, sub efectul unei forte de forfecare a materialului ER, ca in Fig.5.3(b). Alunecarea este controlata prin viteza electrodului alunecator si prin forta de forfecare a materialului, exercitata intre electrozi [362].

Structurile adaptive au proprietati reologice ajustabile datorita incorporarii a cel putin un component ER. Acesta functioneaza in regim precurgere, fiind supus la doua tipuri de solicitari: forfecare sau extensie. Structurile adaptive au capacitatea de a detecta stimulii externi si de a reactiona astfel incat comportamentul lor sa se incadreze intre anumite criterii de performanta prestabilite. In general, controlul structurilor adaptive se poate realiza in mod activ prin reducerea vibratiilor structurii cu ajutorul unui actuator extern care introduce energie suplimentara in sistem sau in mod semiactiv, prin modificarea rigiditatii si a proprietatilor de amortizare ale structurii cu ajutorul componentului ER..

Un exemplu de structura adaptiva cu control semiactiv se obtine prin incorporarea unui miez din material ER intr-o placa de elastomer. Caracteristicile acestei structuri sunt ilustrate in Fig.5.4.

Placa de elastomer din Fig.5.4(a) are un miez ER cu o grosime de 1,8 mm, straturile exterioare fiind de 0,46 mm. Limita de curgere a materialului ER (τ_y) depinde de intensitatea campului electric (E) conform relatiei:

τ_y = aE + bE²    

unde a = 0,8867 si b = 0,7833 sunt constante determinate experimental. Valoarea uzuala a forfecarii de curgere este γ_y ≈ 1 %.

Relatia (5.2) a fost reprezentata grafic in Fig.5.4(b). Vascozitatea materialului ER este η = 0,25 Pa·s. Elastomerul in care s-a incorporat miezul ER are modulul de forfecare G = 12 MPa si coeficientul Poisson μ = 0,4.

In cadrul celor doua categorii principale de aplicatii ale materialelor ER se regasesc:

1 - dispozitive controlabile tip: supapa, suport pentru motoare si mecanisme; frana si ambreiaj; amortizor, etc.

2 - structuri adaptive tip: poduri, blocuri, etc.

Amortizoarele controlabile pot fi utilizate intr-o gama larga de aplicatii, datorita capacitatii lor de a-si modifica raportul dintre viteza si limita de curgere. In anumite aplicatii se impune ca amortizoarele sa poata dezvolta o gama larga de forte controlabile. Astfel, au fost dezvoltate amortizoare cu cilindri concentrici, multipli, ce pot fi conectati in paralel, in serie sau in moduri combinate. Variatia viteza-forta, a dispozitivului controlabil, este dependenta de modul in care se realizeaza legatura dintre traseele hidraulice ale amortizorului. In Fig.5.7 este prezentata schematic o configuratie tipica de amortizor controlabil, cu cilindri concentrici.

Se observa ca electrozii sunt legati in mod alternativ, fie la pamant (1) fie la sursa de inalta tensiune (2). Invelisul amortizorului (3) reprezinta electrodul exterior, legat la pamant. Atunci cand sunt alimentati, electrozii formeaza un set de condensatori paraleli. Canalele de trecere a fluidului printre electrozi pot fi conectate si altfel, decat in paralel. Legarea in paralel asigura cel mai mare interval de forte controlabile. Performantele amortizorului depind de: marimea spatiului dintre electrozi; grosimea electrozilor; razele pistonului, arborelui si invelisului si lungimea amortizorului. Aceasta configuratie de amortizor asigura o compactitate mai mare, in raport cu amortizoarele clasice [367].

In mod curent, amortizoarele ER controlabile clasice, ilustrate in Fig.5.8, au fost dezvoltate cu configuratii cu electrod fix sau alunecator.

La amortizorul cu electrozi ficsi, din Fig.5.8(a), forta de amortizare a pistonului (1) este controlata prin pierderea de presiune din canalele de descarcare (3) prin care este fortat sa treaca fluidul ER (2). Electrozii (4) sunt placi fixe.

La amortizorul cu electrozi alunecatori, ilustrat in Fig.5.8(b), forta de amortizare este controlata prin modificarea rezistentei la frecare a fluidului ER, la trecerea prin canalele de descarcare. In acest caz, pistonul (1) joaca rol de electrod alunecator.

Structurile adaptive se obtin prin incorporarea amortizoarelor ER in zonele concentratoare de eforturi. Rolul materialelor ER este de a controla si modifica frecarea din lagarele amortizoarelor, regland complianta constructiilor mari (blocuri, poduri, etc.) din zonele cu activitate seismica ridicata [362].