Ciecze magnetoreologiczne, ich charakterystyka reologiczna i możliwość aplikacji w pancerzach ochronnych

Transkrypt

1 2 czasopismo naukowo-techniczne redagowane przy współudziale POLSKIEGO TOWARZYSTWA MATERIAŁOZNAWCZEGO NR 2 (92) ROK XXXIV MARZEC KWIECIEŃ 203 ORGAN NACZELNEJ ORGANIZACJI TECHNICZNEJ Joanna Kozłowska, Marcin Leonowicz, Łukasz Wierzbicki, Karolina Olszewska, Dorota Zielińska, Marcin Struszczyk Ciecze magnetoreologiczne, ich charakterystyka reologiczna i możliwość aplikacji w pancerzach ochronnych Wprowadzenie Mgr. inż. Joanna Kozłowska (jkozlowska@inmat.pw.edu.pl), prof. dr hab. inż. Marcin Leonowicz, mgr. inż. Łukasz Wierzbicki Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska, dr inż. Karolina Olszewska, mgr inż. Dorota Zielińska, dr hab. inż. Marcin Struszczyk Instytut Technologii Bezpieczeństwa Moratex, Łódź Rosnące zapotrzebowanie techniki na zaawansowane materiały o specyficznych właściwościach przyczyniło się do rozwoju grupy materiałów określanych mianem inteligentnych. Materiały te odpowiadają na bodziec zewnętrzny (np. pole magnetyczne lub elektryczne, temperatura, ph), zmieniając swoje właściwości w istotny sposób, przy czym zmiana ta powinna być w pełni kontrolowana dla osiągnięcia pożądanej charakterystyki użytkowej. Zgodnie z nomenklaturą literaturową materiał inteligentny powinien spełniać rolę czujnika (sensora), procesora oraz urządzenia uruchamiającego (aktuatora). Istotną grupę materiałów inteligentnych stanowią ciecze magnetoreologiczne (MRF magnetorheological fluids) wykazujące diametralną zmianę właściwości pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego []. Konwencjonalna ciecz magnetoreologiczna jest układem dwufazowym niemagnetycznej cieczy nośnej i zawieszonej w niej fazy stałej w postaci cząstek magnetycznych. Zawiesinę MRF stanowią ferromagnetyczne cząstki o wielkości rzędu 0 μm. Stosuje się proszki żelaza lub jego stopów z kobaltem lub niklem. Udział objętościowy proszków dochodzi do 50% cieczy []. Jako ciecze nośne stosowane są oleje naturalne lub syntetyczne, nafta, ciekłe węglowodory lub woda. Dodatkowym składnikiem cieczy magnetoreologicznych są odpowiednio dobrane stabilizatory przeciwdziałające procesom sedymentacji grawitacyjnej cząstek magnetycznych oraz ich aglomeracji. Wśród znanych stabilizatorów cieczy magnetoreologicznych można wyróżnić środki tiksotropowe (krzemionka koloidalna, nieorganiczne glinki, włókna węglowe) oraz środki powierzchniowo czynne [2, 3]. Metodą zwiększenia stabilności cieczy magnetoreologicznych jest również stosowanie cząstek magnetycznych pokrytych izolującymi warstwami polimerowymi (polimetakrylan metylu PMMA, poli-wynylobutyral PVB) lub nieorganicznymi (fosforanowanie) [3 7]. Obecnie nie ma uniwersalnej teorii opisującej zjawiska w cieczach MRF. Istnieje jednak powszechny pogląd, że zmiana właściwości mechanicznych jest wywołana ukierunkowaniem cząstek ferromagnetycznych wzdłuż linii pola magnetycznego i tworzeniem anizotropowej struktury agregatów cząstek w postaci ścieżek lub kolumn []. Siłą napędową tego procesu jest obniżenie lokalnej energii potencjalnej układu. Ukierunkowanie struktury mieszaniny w polu magnetycznym wywołuje wzrost lepkości i wytrzymałości na ścinanie. Typowe ciecze magnetoreologiczne wykazują dynamiczną granicę plastyczności na poziomie kpa w polach magnetycznych ka/m. Granica plastyczności tych cieczy może być kontrolowana natężeniem pola magnetycznego. Ciecze MRF mogą pracować w zakresie temperatury od 40 do 50 C. Zmiana właściwości mechanicznych zachodzi w czasie rzędu kilku ms [, 8, 9] Charakterystyka właściwości cieczy magnetoreologicznych predysponuje je, jako ważnego przedstawiciela materiałów inteligentnych, do potencjalnych zastosowań w kontrolowanym tłumieniu drgań, w konstrukcjach sprzęgieł, hamulców, aktuatorów oraz innych aplikacjach inżynierskich [8 0]. Głównym obszarem, w którym ciecze magnetoreologiczne są z powodzeniem stosowane na skalę komercyjną jest motoryzacja [9]. W prezentowanym opracowaniu przedstawiono wyniki badań reologicznych cieczy magnetoreologicznych na bazie olejów syntetycznych z cząstkami żelaza karbonylkowego. W celu określenia wpływu składu chemicznego na wskaźniki właściwości reologicznych zastosowano trzy ciecze nośne o różnej lepkości, a także trzy różne stabilizatory. Dodatkowo wytworzono dwie ciecze o takim samym składzie, lecz różniące się średnią wielkością cząstek. Wyselekcjonowano jedną ciecz magnetoreologiczną, którą zaimpregnowano piankę poliuretanową i wykorzystano w konstrukcjach kompozytowych z wysokowytrzymałymi tkaninami balistycznymi. Wytworzone pakiety poddano badaniom odporności na przekłucie w celu określenia możliwości ich wykorzystania w obszarze pasyw- 62 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIV

2 nych pancerzy ochronnych. Koncepcja potencjalnego zastosowania cieczy magnetoreologicznej w kompozytowych osłonach osobistych wynika z ich charakterystycznych właściwości, a przede wszystkim możliwości kontrolowania sztywności układu w szerokim zakresie i zdolności cieczy do pochłaniania energii. Tabela. Skład wytworzonych cieczy magnetoreologicznych Table. Composition of synthesized magnetorheological fluids Lp. Oznaczenie cieczy OM.00.A200 Składnik Zawartość, % mas. Proszek żelaza OM Olej o klasie lepkości 00 Materiał do badań Metodą mieszania mechanicznego wytworzono ciecze magnetoreologiczne o różnym składzie, wielkości cząstek magnetycznych, lepkości cieczy nośnej oraz rodzaju stabilizatora. Wszystkie ciecze zawierały cząstki proszku żelaza karbonylkowego o zawartości masowej %. Zastosowano dwa rodzaje proszku żelaza karbonylkowego (BASF): o średniej wielkości,6 μm (HQ) oraz 5,7 μm (OM). Rysunek prezentuje obraz ich mikrostruktury. Ciecz nośną stanowiły oleje syntetyczne (OKS) o klasach lepkości 5 (lepkość kinetyczna 4 mm2/s), 00 (lepkość kinetyczna 95 mm2/s) i 320 (lepkość kinetyczna 260 mm2/s). Jako stabilizatory cieczy magnetoreologicznych wybrano krzemionkę koloidalną hydrofilową Aerosil A200, hydrofobową Aerosil R972 oraz kwas oleinowy (KO). Skład wytworzonych cieczy magnetoreologicznych przedstawiono w tabeli. Spośród otrzymanych cieczy magnetoreologicznych wybrano jedną, którą zaimpregnowano piankę poliuretanową i wytworzono trzy kompozyty z materiałami z włóknistymi. Zastosowano dwie tkaniny z wysokowytrzymałych włókien para-aramidowych o splocie płóciennym: Kevlar Correctional (DuPont) i Twaron CT 76 (Teijin) oraz nietkany wyrób z włókien polietylenowych Dyneema SB2 (DSM). Dwie z wytworzonych konstrukcji zawierały jeden rodzaj tkaniny Twaron CT 76 lub materiału balistycznego Dyneema SB2. Dodatkowo wytworzono konstrukcję hybrydową z na bazie tkaniny nietkanego wyrobu z włókien polietylenowych Dyneema SB2 oraz tkaniny z włókien para-aramidowych Kevlar a) HQ.00.A200 OM.5.A200 OM.320.A200 HQ.00.R972 HQ.00.KO Olej o klasie lepkości 00 Stabilizator A200 Proszek żelaza OM Olej o klasie lepkości 5 Stabilizator A200 Proszek żelaza OM Olej o klasie lepkości 00 Stabilizator A200 Proszek żelaza HQ Olej o klasie lepkości 00 Stabilizator R972 Proszek żelaza HQ Olej o klasie lepkości 00 Stabilizator KO Correctional, pomiędzy którymi umieszczono piankę z cieczą magnetoreologiczną. Próbki do badań na przekłucie zostały wytworzone przez Instytut Technologii Bezpieczeństwa Moratex. Metodyka badań b) Rys.. Mikrostruktura proszków żelaza karbonylkowego: a) HQ, b) OM; SEM, elektrony wtórne, napięcie 0 kv Fig.. Microstructure of carbonyl iron powders: a) HQ, b) OM; SEM, secondary electrons, voltage 0 kv NR 2/203 2 Stabilizator A200 Proszek żelaza HQ Obserwacje mikrostruktury pianki poliuretanowej (PU) z cieczą magnetoreologiczną przeprowadzono za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego Hitachi S-3500N. Zastosowano technikę elektronów wtórnych. Charakterystykę cieczy magnetoreologicznych w funkcji szybkości ścinania oraz pola magnetycznego wykonano z wykorzystaniem reometru rotacyjnego ARES TA Instruments z przystawką do badań w polu magnetycznym. Pomiary przeprowadzono w układzie płytka-płytka (średnica płytki ø = 20 mm) przy stałej szczelinie między płytkami mm w dwóch trybach: statycznym i dynamicznym (oscylacyjnym). W trybie statycznym wyznaczono wartości lepkości i naprężenia ścinającego w funkcji szybkości ścinania w zewnętrznym polu magnetycznym 60 ka/m oraz bez pola. Zakres szybkości ścinania wynosił 0, 650 /s. Tryb dynamiczny umożliwił natomiast pomiar zmian wskaźników właściwości reologicznych modułów dynamicznych: zespolonego G*, zachowawczego G oraz stratności G w funkcji pola magnetycznego przy stałej częstotliwości oscylacji 0,99 Hz oraz amplitudzie odkształcenia 0,5%. Pomiary w trybie dynamicznym przeprowadzono w stałym polu magnetycznym liniowo narastającym od wartości 0 do 230 ka/m. Badanie odporności na przekłucie bronią białą wytworzonych konstrukcji z cieczą magnetoreologiczną przeprowadzono na specjalnie skonstruowanym stanowisku (rys. 2). Układ zawierał elektromagnes umożliwiający przeprowadzanie badań odporności na przekłucie materiałów magnetoreologicznych w polu magnetycznym (477 ka/m). W skonstruowanym układzie linie pola magnetycznego były skierowane prostopadle do osi zrzucanego ostrza. Wymiary badanych próbek wynosiły mm. Badania na przekłucie bronią białą w skonstruowanym stanowisku realizowano za pomocą ostrza tytanowego o długości 00 mm z obciążnikiem zrzucanym z wysokości 000 mm (energia J) na powierzchnię INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 63

3 próbki umieszczonej na podłożu balistycznym (rys. 3). Po wykonaniu zrzutu mierzono głębokość odkształcenia podłoża balistycznego oraz głębokość wnikania w przypadku przekłucia badanego pakietu. Badania zostały przeprowadzone w stałej temperaturze pokojowej 2 C. Wyniki i ich omówienie Obserwacje mikrostruktury Obrazy mikroskopowe pianek poliuretanowych bez cieczy magnetoreologicznej oraz po impregnacji przedstawiono na rysunku 4. Wykazano wnikanie cieczy magnetoreologicznej w otwarte pory pianki. Nastąpiło osasdzenie cząstek żelaza karbonylkowego na powierzchni ścianek. Rys. 2. Stanowisko do badania odporności na przekłucie w polu magnetycznym Fig. 2. Workstation for testing the puncture resistance of samples under magnetic field a) b) Rys. 3. Podłoże balistyczne (a) oraz próbka poddana badaniu odporności na przekłucie (b) Fig. 3. The ballistic surface (a) and the specimen after puncture resistance testing (b) Badania właściwości reologicznych Wpływ wielkości cząstek na właściwości reologiczne cieczy magnetoreologicznych Wpływ wielkości cząstek wyznaczono dla dwóch cieczy na bazie oleju OKS 3760 o klasie lepkości 00, z proszkami żelaza karbonylkowego żelaza OM i HQ, odpowiednio o średniej wielkości cząstek 5 μm i,6 μm oraz tej samej zawartości masowej %. Obie porównywane ciecze zawierały stabilizator w postaci krzemionki hydrofilowej A200. Zgodnie z wynikami przedstawionymi na rysunkach 5 i 6 ciecz magnetoreologiczna OM.00.A200 z cząstkami o średniej wielkości 5 μm wykazuje zmianę lepkości i naprężenia ścinającego przy szybkości ścinania 0, s od wartości wyjściowych (bez pola magnetycznego) odpowiednio 35 Pa s i 3,5 Pa do wartości 86,7 kpa s i 8,67 kpa w polu 59 ka/m. Zwiększenie lepkości i naprężenia ścinającego w polu magnetycznym 59 ka/m o dwa rzędy wielkości dla cieczy z większymi cząstkami OM jest porównywalne z cieczą z mniejszymi cząstkami HQ. Analizując wpływ wielkości cząstek na lepkość i naprężenie wyjściowe cieczy magnetoreologicznych bez pola magnetycznego, można zauważyć, że większe wartości osiąga ciecz z cząstkami HQ o rozmiarze,6 μm. Taki wynik jest w pełni zrozumiały, ponieważ w układzie o takiej samej zawartości masowej liczba cząstek ferromagnetycznych o mniejszym rozmiarze jest większa, wskutek czego maleje średnia odległość pomiędzy nimi i występują ich silniejsze oddziaływania. W efekcie następuje ograniczenie płynięcia cieczy, co makroskopowo uwidacznia się w zwiększeniu lepkości takiego układu. Taki wynik obserwowano również w pracy []. Jednocześnie wyniki uzyskane w polu magnetycznym 59 ka/m są zbliżone dla obu wielkości cząstek, co świadczy o mniejszym wpływie wielkości cząstek na wartości osiągane w polu magnetycznym. Zestawienie wyników modułów dynamicznych (zespolony G*, zachowawczy G, stratności G ) w funkcji pola magnetycznego dla cieczy magnetoreologicznych z cząstkami o różnej średniej wielkości przedstawiono na rysunku 7. Moduł zachowawczy G obrazuje właściwości sprężyste i wyraża ilość energii, jaką materiał magazynuje podczas procesu odkształcania. Moduł stratności G natomiast reprezentuje właściwości lepkie oraz ilość energii rozpraszanej przez materiał. Moduły te mogą służyć do oceny zdolności tłumiących cieczy magnetoreologicznej i jej przydatności pod katem aplikacyjnegozastosowania w tłumikach drgań. W sensie matematycznym moduł zespolony G* składa się z części rzeczywistej modułu zachowawczego G oraz części urojonej modułu stratności G. Dla ciał doskonale lepkich moduł zespolony jest równy modułowi stratności G. Natomiast gdy ciało wykazuje jedynie odkształcenia sprężyste wartość tego modułu jest równa modułowi zachowawczemu G. Jak można zauważyć, obie ciecze wykazują podobne wartości modułów zespolonego G*, zachowawczego G oraz stratności G w zakresie pola magnetycznego ka/m. W przypadku cieczy HQ.00.A200 z mniejszymi cząstkami HQ o średniej wielkości,6 μm, intensywniejszy wzrost modułów dynamicznych następuje przy mniejszych wartościach pola magnetycznego. Jednocześnie przy większych natężeniach pola ciecz ta wykazuje efekt plateau, który nie jest zauważalny dla cieczy z większymi cząstkami. Efekt plateau modułów dynamicznych dla większych wartości pola magnetycznego cieczy z mniejszymi cząstkami może wskazywać na osiągany stan nasycenia magnetycznego. Dalszy wzrost natężenia pola nie wpływa na zwiększenie wartości modułów. W przypadku cieczy magnetoreologicznej OM.00.A200 z większymi cząstkami żelaza karbonylkowego moduły dynamiczne wykazywały intensywny wzrost w funkcji pola magnetycznego, jednak maksymalne zastosowane natężenie 230 ka/m nie wywołało efektu stabilizacji ich wartości. Taki efekt świadczy o możliwości osiągnięcia nasycenia magnetycznego tej cieczy (powiązanego z utworzeniem anizotropowej struktury ukierunkowanych ścieżek o gęstej sieci) przy większych natężeniach pola magnetycznego niż 230 ka/m 64 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIV

4 a) c) b) d) Rys. 4. Wyjściowa, nieimpregnowana pianka poliuretanowa (a, b) i po impregnacji cieczą magnetoreologiczną (c, d); SEM, elektrony wtórne, napięcie 5 kv Fig. 4. Initial non-impregnated polyurethane foam (a, b) and impregnated with the magnetorheological fluid (c, d); SEM, secondary electrons, voltage 5 kv Rys. 5. Zestawienie wyników lepkości w funkcji szybkości ścinania dla cieczy magnetoreologicznych z cząstkami żelaza o średniej wielkości 5 μm (OM) oraz,6 μm (HQ), bez zewnętrznego pola magnetycznego (znaczniki wypełnione) i w polu magnetycznym o natężeniu 59 ka/m (znaczniki puste); tryb statyczny; szybkość ścinania 0, 650 s Fig. 5. Viscosity versus shear rate for magnetorheological fluids with carbonyl iron particles with mean size 5 μm (OM) and.6 μm (HQ), respectively, without magnetic field (closed symbols) and in the field of 59 ka/m (open symbols); static mode, shear rate s Rys. 6. Zestawienie wyników naprężenia ścinającego w funkcji szybkości ścinania dla cieczy magnetoreologicznych z cząstkami żelaza o różnej średniej wielkości 5 μm (OM) i,6 μm (HQ), bez zewnętrznego pola magnetycznego (znaczniki wypełnione) i w polu magnetycznym o natężeniu 59 ka/m (znaczniki puste); tryb statyczny, szybkość ścinania 0, 650 s Fig. 6. Shear stress versus shear rate for magnetorheological fluids with carbonyl iron particles with mean size respectively 5 μm (OM) and.6 μm (HQ), without magnetic field (closed symbols) and in the field of 59 ka/m (open symbols); static mode, shear rate s Ponadto mniejsze cząstki wpływają na przesunięcie przemiany ciało lepkie-ciało stałe (G > G ) w kierunku większego natężenia pola magnetycznego. Dla cieczy HQ.00.A200 z mniejszymi cząstkami moduł zachowawczy osiąga większą wartość niż moduł stratności G > G w polu o natężeniu powyżej 27 ka/m, podczas gdy dla cieczy OM.00.A200 z większymi cząstkami taka transformacja następuje już przy 2 ka/m. NR 2/203 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 65

5 Rys. 8. Zestawienie wyników lepkości w funkcji szybkości ścinania dla cieczy magnetoreologicznych na bazie olejów o klasie lepkości 5, 00, 320, bez zewnętrznego pola magnetycznego (znaczniki wypełnione) i w polu magnetycznym o natężeniu 59 ka/m (znaczniki puste); tryb statyczny, szybkość ścinania 0, 650 s Fig. 8. Viscosity versus shear rate for magnetorheological fluids with different viscosity classes of carriers fluids, without magnetic field (closed symbols) and in the field of 59 ka/m (open symbols); static mode, shear rate s Rys. 7. Zestawienie wyników modułów zespolonego G*, zachowawczego G oraz stratności G w funkcji natężenia pola magnetycznego ka/m dla cieczy magnetoreologicznych z cząstkami żelaza o średniej wielkości 5 μm (OM) oraz,6 μm (HQ); tryb oscylacyjny, odkształcenie 0,5%, częstotliwość 0,99 Hz Fig. 7. Results of complex G*, storage G and loss G modules versus magnetic field of ka/m for magnetorheological fluids with carbonyl iron particles with mean size respectively 5 μm (OM) and.6 μm (HQ); oscillatory mode, strain 0.5%, frequency 0.99 Hz Wpływ lepkości cieczy nośnej na właściwości reologiczne cieczy magnetoreologicznych W celu wyznaczenia wpływu lepkości cieczy nośnej na właściwości reologiczne cieczy magnetoreologicznych porównano trzy ciecze zawierające proszek żelaza OM o średniej wielkości 5 μm i zawartości masowej %, na bazie olejów syntetycznych o klasach lepkości: 5, 00 i 320. Wszystkie ciecze na bazie olejów o różnej lepkości zawierały stabilizator w postaci krzemionki koloidalnej hydrofilowej A200. Wyniki badań reologicznych lepkości i naprężenia stycznego w funkcji szybkości ścinania, przeprowadzonych w trybie statycznym w polu 59 ka/m oraz bez pola, dla cieczy magnetoreologicznych na bazie olejów nośnych o różnej lepkości, przedstawiono na rysunkach 8 i 9. Świadczą one o charakterystyce nienewtonowskiej wszystkich badanych cieczy na bazie olejów o różnej lepkości. Wzrost szybkości ścinania wywołuje efekt zmniejszania wartości Rys. 9. Zestawienie wyników naprężenia ścinającego w funkcji szybkości ścinania dla cieczy magnetoreologicznych na bazie olejów o klasie lepkości 5, 00, 320, bez zewnętrznego pola magnetycznego (znaczniki wypełnione) i w polu magnetycznym o natężeniu 59 ka/m (znaczniki puste); tryb statyczny, szybkość ścinania 0, 650 s Fig. 9. Shear rate versus shear rate for magnetorheological fluids with carriers fluids in different viscosity class without magnetic field (closed symbols) and in the field of 59 ka/m (open symbols); static mode, shear rate s lepkości badanych cieczy magnetoreologicznych zarówno w polu 59 ka/m, jak i bez zewnętrznego pola. Naprężenie ścinające rośnie w funkcji szybkości ścinania bez zewnętrznego pola magnetycznego, natomiast w polu magnetycznym utrzymuje się na stałym poziomie bliskim wartości dynamicznej granicy plastyczności. Najmniejsze wartości lepkości i naprężenia ścinającego uzyskano dla cieczy magnetoreologicznej OM.5.A200 z olejem o klasie lepkości 5. Lepkość i naprężenie ścinające tej cieczy zmieniają się dla najmniejszej szybkości ścinania odpowiednio od wartości wyjściowej (bez pola magnetycznego) 7,03 Pa s i 0,7 Pa do poziomu 38,4 kpa s i 3,8 kpa w polu magnetycznym 59 ka/m, co oznacza wzrost o cztery rzędy wielkości. Ciecz OM.00.A200 na bazie oleju o klasie lepkości 00 wykazuje zmianę lepkości i naprężenia ścinającego odpowiednio 66 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIV

6 od wartości wyjściowych 35 Pa s i 5 Pa do wartości 86,7 kpa s i 8,7 kpa w polu magnetycznym 59 ka/m przy szybkości ścinania 0, s. Wartość zmiany tych parametrów odpowiada wzrostowi o dwa rzędy wielkości. Ciecz magnetoreologiczna OM.320. A200 na bazie oleju o klasie lepkości 320 również wykazuje zmianę lepkości i naprężenia ścinającego o dwa rzędy wielkości od wartości wyjściowych 70 Pa s i 7 Pa do 9,2 kpa s i 8,9 kpa. Na podstawie tych wyników można stwierdzić, że zastosowanie oleju o mniejszej lepkości umożliwia osiągnięcie większej różnicy wartości lepkości i naprężenia ścinającego (efektu magnetoreologicznego) cieczy magnetoreologicznej w funkcji szybkości ścinania w porównaniu z wartościami uzyskiwanymi w polu i bez pola. Efekt ten można wytłumaczyć podobnie jak wpływ stabilizatora w postaci krzemionki i kwasu oleinowego. Mniejsza lepkość cieczy magnetoreologicznej wpływa na ułatwienie procesu powstawania struktur ukierunkowanych łańcuchów cząsteczek w polu magnetycznym, co jest związane z mniejszym oporem dla przemieszczeń cząstek ferromagnetycznych w objętości cieczy nośnej i w efekcie większą różnicą wartości uzyskiwaną przy wyłączonym i włączonym polu dla tej samej szybkości ścinania. Jednocześnie większa lepkość oleju bazowego przyczyniła się do osiągnięcia znacznie większych lepkości i naprężenia ścinającego w polu magnetycznym. Zatem, dobierając lepkość cieczy nośnej w konkretnym zastosowaniu, należy mieć na uwadze, jakiego rzędu wielkości parametry reologiczne czy mechaniczne będą wymagane. W przypadku gdy w funkcji szybkości ścinania jest pożądana jak największa różnica wartości lepkości czy naprężenia ścinającego (efekt magnetoreologiczny) pomiędzy stanem wyjściowym a osiągniętym w polu magnetycznym, korzystniejsza będzie mniejsza lepkość oleju bazowego cieczy magnetoreologicznej. Wyniki badania modułów dynamicznych w funkcji pola magnetycznego w trybie oscylacyjnym dla cieczy magnetoreologicznych z olejami nośnymi o różnej klasie lepkości prezentuje rysunek 0. Dla wszystkich badanych cieczy na bazie olejów o różnych klasach lepkości charakter zmian modułów dynamicznych w funkcji pola magnetycznego jest taki sam zwiększenie natężenia pola magnetycznego powoduje nieliniowy wzrost modułów. Jednocześnie po przekroczeniu krytycznego natężenia pola magnetycznego następuje przejście badanych cieczy magnetoreologicznych ze stanu ciała lepkiego do stanu, w którym moduł zachowawczy jest większy od modułu stratności (G > G ), świadcząc o przewadze właściwości sprężystych. Zjawisko przemiany ciało lepkie-ciecz po przekroczeniu określonego natężenia pola magnetycznego jest związane z tworzeniem agregatów cząstek ferromagnetycznych w postaci kolumn lub ścieżek determinujących właściwości lepkosprężyste płynu magnetoreologicznego. Przyrost modułów dynamicznych w funkcji natężenia pola magnetycznego następuje do momentu uzyskania nasycenia magnetycznego namagnesowania. Dalsze zwiększanie natężenia pola magnetycznego nie wpływa na zwiększenie wartości modułów. Jak można zauważyć z rysunku 0, plateau modułów dynamicznych świadczące o nasyceniu magnetycznym struktury ukierunkowanych łańcuchów cząstek ferromagnetycznych występuje dla cieczy magnetoreologicznych z olejami o najmniejszej (klasa lepkości 5) i największej (klasa lepkości 320) lepkości. Dla cieczy magnetoreologicznej z olejem o klasie lepkości 00 występuje intensywny wzrost modułów, nawet dla największego natężenia pola magnetycznego 230 ka/m. Dla cieczy tej uzyskano maksymalne wartości modułów zespolonego, zachowawczego i stratności, odpowiednio G* =,2, G =,9, G = 0,3 MPa. Pozostałe ciecze na bazie olejów o największej i najmniejszej lepkości uzyskały maksymalne wartości modułów zespolonych G*, odpowiednio 0,9 i 0,7 MPa. Analizując uzyskane wyniki modułów zachowawczego G i stratności G w funkcji pola magnetycznego, można zauważyć, że ciecz magnetoreologiczna na bazie oleju nośnego o klasie lepkości 5 wykazuje w całym badanym zakresie przewagę właściwości sprężystych nad lepkimi (G > G ). Ciecze magnetoreologiczne na bazie olejów nośnych o większych lepkościach wykazują Rys. 0. Zestawienie wyników modułów zespolonego G*, zachowawczego G oraz stratności G w funkcji natężenia pola magnetycznego ka/m dla cieczy magnetoreologicznych na bazie olejów o klasie lepkości 5, 00, 320; tryb oscylacyjny, odkształcenie 0,5%, częstotliwość 0,99 Hz Fig. 0. Results of complex G*, storage G and loss G modules versus magnetic field of ka/m for magnetorheological fluids with carriers fluids in different viscosity class; oscillatory mode, strain 0.5%, frequency 0.99 Hz w początkowym etapie przewagę wartości lepkich nad sprężystymi. W przypadku cieczy OM.00.A200 na bazie oleju o klasie lepkości 00 zmiana charakteru zachowania występuje przy natężeniu pola magnetycznego powyżej 4 ka/m. Natomiast dla cieczy OM.320.A200 transformacja taka następuje po przekroczeniu natężenia pola magnetycznego 2 ka/m. Wpływ rodzaju stabilizatora na właściwości reologiczne cieczy magnetoreologicznych W celu przeanalizowania wpływu rodzaju stabilizatora na właściwości reologiczne cieczy magnetoreologicznych zestawiono wyniki dla cieczy zawierających ten sam proszek żelaza karbonylkowego o średniej wielkości,6 μm (HQ) i zawartości masowej %, olej syntetyczny OKS 3760 o klasie lepkości 00 oraz trzy rodzaje stabilizatorów w postaci krzemionki koloidalnej hydrofilowej R972, hydrofobowej A200 oraz kwasu oleinowego. NR 2/203 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 67

7 Przebieg zmian lepkości (krzywych lepkości) i naprężenia ścinającego (krzywych płynięcia) w funkcji szybkości ścinania, bez pola i w polu magnetycznym 59 ka/m dla cieczy magnetoreologicznych z trzema rodzajami stabilizatorów przedstawiono na rysunkach i 2. Krzywe lepkości uzyskane dla cieczy magnetoreologicznych z różnymi stabilizatorami świadczą o ich charakterze nienewtonowskim (rys. 2). W badanym zakresie szybkości ścinania s występuje efekt zmniejszania wartości lepkości zarówno w polu magnetycznym, jak i bez pola. Taki charakter krzywych lepkości badanych cieczy bez pola magnetycznego jest znamienny dla płynów o właściwościach pseudoplastycznych rozrzedzanych ścinaniem. Analizując wpływ stabilizatora na wartości wyjściowe (uzyskane przy wyłączonym polu magnetycznym) lepkości i naprężenia Rys.. Zestawienie wyników lepkości w funkcji szybkości ścinania dla cieczy magnetoreologicznych z różnymi stabilizatorami, bez zewnętrznego pola magnetycznego (znaczniki wypełnione) i w polu magnetyczny o natężeniu 59 ka/m (znaczniki puste); tryb statyczny, zakres szybkości ścinania 0, 650 s Fig.. Viscosity versus shear rate for magnetorheological fluids with different stabilizers, without magnetic field (closed symbols) and in the field of 59 ka/m (open symbols); static mode, shear rate s Rys. 2. Zestawienie wyników naprężenia ścinającego w funkcji szybkości ścinania dla cieczy magnetoreologicznych z różnymi stabilizatorami, bez zewnętrznego pola magnetycznego (znaczniki wypełnione) i w polu magnetycznym o natężeniu 59 ka/m (znaczniki puste); tryb statyczny, zakres szybkości ścinania 0, 650 s Fig. 2. Shear stress versus shear rate for magnetorheological fluids with different stabilizers, without magnetic field (closed symbols) and in the field of 59 ka/m (open symbols); static mode, shear rate s ścinającego, można zauważyć, że najmniejsze wartości odpowiednio 37 Pa s i 3,68 Pa uzyskano dla cieczy z kwasem oleinowym (HQ.00.KO). Stabilizator w postaci krzemionki koloidalnej hydrofilowej A200 i hydrofobowej R972 wpłynął na znaczące zwiększenie lepkości wyjściowej odpowiednio do 570 Pa s i 922 Pa s dla szybkości ścinania 0, s. Natomiast naprężenia ścinające uzyskane dla najmniejszej szybkości ścinania w przypadku cieczy z krzemionką koloidalną hydrofilową i hydrofobową wynoszą odpowiednio 59 i 26 Pa. Efekt większych wartości naprężenia i lepkości dla tych cieczy można uzasadnić zwiększeniem udziału zawartości fazy stałej w cieczy magnetoreologicznej przez wprowadzenie krzemionki koloidalnej. W zewnętrznym polu magnetycznym wartości lepkości cieczy ze stabilizatorem w postaci krzemionki koloidalnej A200 i R972 zwiększają się odpowiednio do wartości 69,9 i 47,2 kpa s, natomiast naprężenia ścinającego odpowiednio do 6,9 i 4,7 kpa. Oznacza to zwiększenie tych właściwości o dwa rzędy wielkości. W przypadku stabilizatora w postaci kwasu oleinowego lepkość w polu magnetycznym wzrasta do wartości 2, kpa s i w porównaniu z wartością wyjściową jest większa o trzy rzędy wielkości. Na tej podstawie można stwierdzić, że stabilizator w postaci kwasu oleinowego umożliwia skuteczniejsze wzmocnienie efektu magnetoreologicznego niż krzemionka koloidalna. Jest to spowodowane mniejszymi oporami dla kierunkujących się cząstek żelaza karbonylkowego w objętości cieczy podczas działania zewnętrznego pola magnetycznego w układzie o mniejszych wartościach lepkości, jaki stanowi ciecz z kwasem oleinowym. Ponadto stosowanie kwasu oleinowego jako stabilizatora cieczy magnetoreologicznych, nie zwiększającego sumarycznego udziału objętościowego fazy stałej, umożliwia zwiększenie zawartości cząstek magnetycznych. Większa zawartość cząstek magnetycznych sprzyja z kolei większym zmianom lepkości i naprężenia ścinającego w polu magnetycznym (efektowi magnetoreolgicznemu). Uzyskane wyniki lepkości w funkcji szybkości ścinania świadczą o osłabieniu różnicy zmiany lepkości osiągniętej w polu magnetycznym w porównaniu z wartościami wyjściowymi. Efekt wpływu rodzaju stabilizatora na wartości modułów dynamicznych: zespolonego G*, zachowawczego G oraz stratności G w funkcji pola magnetycznego cieczy magnetoreologicznych z cząstkami żelaza karbonylkowego o średniej wielkości,6 μm, prezentuje rysunek 3. Charakter zmian modułów dynamicznych w funkcji pola magnetycznego jest podobny dla wszystkich badanych cieczy (rys. 3). Wraz ze wzrostem natężenia zewnętrznego pola magnetycznego zwiększają się wartości modułów z różnym nasileniem w zależności od rodzaju stabilizatora. Wzrost modułów z natężeniem pola magnetycznego jest związany z indukowaniem silniejszych oddziaływań między cząstkami magnetycznymi kierunkującymi się wzdłuż linii pola w cieczy nośnej. Im silniejsze te oddziaływania, tym intensywniejsza zmiana i większe wartości osiąganych modułów dynamicznych. Największe zmiany modułów dynamicznych uzyskano dla cieczy HQ.00.A200 ze stabilizatorem w postaci krzemionki hydrofilowej A200 (rys. 3). W polu magnetycznym 230 ka/m ciecz ta wykazała wartości modułów zespolonego G* =,3 MPa, zachowawczego G =,08 MPa oraz stratności G = 0,33 MPa. Dopiero zwiększenie natężenia pola magnetycznego powyżej 20 ka/m spowodowało osiągnięcie większej wartości modułu zachowawczego G niż stratności G. Oznacza to, że dla mniejszego natężenia pola magnetycznego w cieczy przeważają właściwości lepkie, natomiast powyżej natężenia pola magnetycznego 20 ka/m dominują właściwości sprężyste. Efekt ten jest bezpośrednio związany z indukowaniem dipoli magnetycznych i kierunkowaniem cząstek żelaza karbonylkowego wzdłuż linii zewnętrznego pola magnetycznego, co w konsekwencji prowadzi do zmiany charakterystyki lepkosprężystej płynu. Ciecz HQ.00.R972 ze stabilizatorem w postaci krzemionki hydrofobowej wykazuje najmniejsze zmiany wartości modułów dynamicznych. Moduły zespolony, zachowawczy i stratności dla tej cieczy w polu magnetycznym o natężeniu 230 ka/m uzyskały odpowiednio wartości 0,33 MPa, 0,30 MPa i 0,29 MPa. Jednocześnie w całym zakresie natężenia pola magnetycznego moduł stratności 68 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIV

8 Tabela 2. Wyniki badań odporności na przekłucie konstrukcji kompozytowych z tkaninami balistycznymi i pianką PU zaimpregnowaną cieczą magnetoreologiczną Table 2. Results of resistance to puncture of composite structures with ballistic fabrics and PU foam filled with magnetorheological fluid Lp. Liczba warstw Masa układu g Głębokość wnikania mm Łączna głębokość odkształcenia i wnikania mm Nośnik włókienniczy: Dyneema UDSB2/Kevlar Correctional Natężenie pola mag. ka/m , Nośnik włókienniczy: Twaron CT , Nośnik włókienniczy: Dyneema UDSB , czą magnetoreologiczną nastąpiło zmniejszenie głębokości wnikania ostrza badawczego w podłoże balistyczne po wprowadzeniu pola magnetycznego. Najbardziej intensywny efekt wpływu cieczy magnetoreologicznej wypełniającej piankę poliuretanową wystąpił dla konstrukcji hybrydowej: tkanina z włókien para-aramidowych Kevlar Correctional oraz nietkany materiał balistyczny z włókien polietylenowych o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (UHMWPE) Dyneema SB2. Łączna głębokość wnikania i odkształcenia po włączeniu pola magnetycznego została zredukowana z wartości 28 do 7 mm przy jednoczesnym zmniejszeniu wnikania o 7 mm. W przypadku konstrukcji zawierającej warstwy Dyneema SB2 nastąpiło zwiększenie łącznej głębokości i odkształcenia podłoża po włączeniu pola magnetycznego, jednak nie wystąpiło całkowite przekłucie. Podsumowanie Rys. 3. Zestawienie wyników modułów zespolonego G*, zachowawczego G oraz stratności G w funkcji pola magnetycznego ka/m dla cieczy magnetoreologicznych z różnymi stabilizatorami; tryb oscylacyjny, odkształcenie 0,5, częstotliwość 0,99 Hz Fig. 3. Results of complex G*, storage G and loss G modules versus magnetic field of ka/m for magnetorheological fluids with different stabilizers; oscillatory mode, strain 0.5%, frequency 0.99 Hz G osiągnął wartość większą niż moduł zachowawczy G, świadcząc o przewadze właściwości sprężystych nad lepkimi tej cieczy. Pośrednie wartości modułów w funkcji natężenia pola magnetycznego wykazała ciecz HQ.00.KO z kwasem oleinowym. Osiągnięte przez nią wartości modułów w polu 230 ka/m wynoszą odpowiednio: zespolonego G* = 0,57 MPa, zachowawczego G = 0,53 MPa oraz stratności G = 0,2 MPa. Podobnie jak dla cieczy z krzemionką hydrofilową, w początkowym zakresie pola magnetycznego występuje przewaga właściwości lepkich. Przekroczenie pola 2 ka/m wywołuje przejście cieczy w stan, w którym przeważają właściwości sprężyste. Badania odporności na przekłucie pakietów kompozytowych Wyniki badań na przekłucie ostrzem pancerzy kompozytowych o konstrukcjach zawierających warstwy tkanin balistycznych z piankami zaimpregnowanymi cieczą magnetoreologiczną przedstawiono w tabeli 2. Dla wszystkich badanych próbek z pianką i cie- Wytworzono ciecze magnetoreologiczne o różnym składzie, wielkości cząstek magnetycznych, lepkości cieczy nośnej oraz rodzaju stabilizatora. Wszystkie badane ciecze wykazały charakterystykę płynów pseudoplastycznych rozrzedzanych ścinaniem bez pola magnetycznego. Badania reologiczne wykazały wpływ składu chemicznego na osiągane wartości lepkości i naprężenia ścinającego w funkcji szybkości ścinania oraz modułów zespolonych w polu magnetycznym. Największe wartości naprężenia ścinającego, lepkości i modułów dynamicznych uzyskała ciecz OM.00.A200. Wartości lepkości i naprężenia ścinającego tej cieczy w polu magnetycznym o natężeniu 59 ka/m (0,2 T) osiągnęły odpowiednio wartości 86,6 kpa s i 8,6 kpa dla szybkości ścinania 0, s. Maksymalne wartości modułów zespolonego G*, zachowawczego G i stratności G, jakie osiągnięto dla tej cieczy w polu magnetycznym o natężeniu 230 ka/m (0,3 T) wynosiły odpowiednio,20 MPa,,9 MPa oraz 0,35 MPa. Rodzaj stabilizatora w dużym stopniu determinuje wartości lepkości i naprężenia ścinającego cieczy magnetoreologicznych. Największe wartości tych parametrów uzyskano dla cieczy z krzemionką koloidalną hydrofilową i hydrofobową. Uzyskane wyniki świadczą o niejednoznacznym wpływie obecności stabilizatora na wyniki modułów dynamicznych w polu magnetycznym. Największe wartości modułu zespolonego osiągnięto dla cieczy ze stabilizatorem w postaci krzemionki hydrofilowej. Pośrednie wartości modułów dynamicznych wykazała ciecz z kwasem oleinowym. Natomiast najmniejszymi wartościami charakteryzowała się ciecz z krzemionką hydrofobową. NR 2/203 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 69

9 Rozmiar cząstek wpływa na osiągane wartości lepkości wyjściowej i naprężenia stycznego cieczy magnetoreologicznej bez pola magnetycznego. Badania w trybie oscylacyjnym w funkcji natężenia pola magnetycznego wykazały, że moduły dynamiczne (zespolony G*, zachowawczy G, stratności G ) cieczy magnetoreologicznej HQ.00.A200 z mniejszymi cząstkami ulegają zjawisku stabilizacji przy mniejszych natężeniach pola magnetycznego. Dla maksymalnego pola, jakie zastosowano w tym badaniu, nie uzyskano efektu stabilizacji wartości modułów dynamicznych cieczy OM.00.A200 z większymi cząstkami. Świadczy to o tym, że nasycenie magnetyczne tej cieczy, objawiające się plateau na wykresie zależności modułów dynamicznych w funkcji pola, następuje dla większego natężenia pola magnetycznego niż 230 ka/m. Ponadto zaobserwowano zjawisko wcześniejszego przejścia cieczy od stanu lepkiego do sprężystego dla cząstek magnetycznych o mniejszej wielkości. Lepkość oleju nośnego wpływa na wartości uzyskiwanych lepkości, naprężenia ścinającego i modułów dynamicznych badanych cieczy magnetoreologicznych. Mniejsza lepkość oleju nośnego umożliwiła osiągnięcie znacznie większych zmian lepkości i naprężenia ścinającego dla analogicznej szybkości ścinania pomiędzy stanem przy wyłączonym i włączonym polu magnetycznym większy efekt magnetoreologiczny niż w przypadku oleju o większej lepkości. Jednocześnie ciecze magnetoreologiczne na bazie olejów o większej lepkości wykazały znacznie większe wartości tych parametrów w polu magnetycznym, choć charakteryzowały się słabszym efektem magnetoreologicznym. Dobierając lepkość oleju nośnego, wielkość cząstek i rodzaj stabilizatora można modyfikować właściwości reologiczne cieczy magnetoreologicznych w zależności od wymaganych wartości odpowiednich dla określonego zastosowania. Badania odporności na przekłucie bronią białą konstrukcji kompozytowych zawierających warstwy materiałów balistycznych oraz pianki PU zaimpregnowane cieczą magnetoreologiczną wykazały, że obecność cieczy magnetoreologicznej przyczyniła się do uzyskania mniejszych wartości wnikania i odkształcenia. Największy efekt zmniejszenia odkształcenia i wnikania uzyskano dla konstrukcji kompozytowej składającej się z warstw materiałów z włókien para-aramidowych i UHMWPE, między którymi umieszczono piankę z cieczą magnetoreologiczną. Podziękowania Artykuł powstał w ramach projektu Inteligentne pancerze pasywne z zastosowaniem cieczy reologicznych ze strukturami nano, współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka, lata , Priorytet. Badania i rozwój nowoczesnych technologii, Działanie.3 Wsparcie projektów B+R na rzecz przedsiębiorców realizowanych przez jednostki naukowe, Poddziałanie.3. Projekty rozwojowe. Umowa z MNiSW nr UDA-PO- IG /08-00 z dnia r. Literatura [] Vicente J., Klingenberg D. J., Hidalgo-Alvarez R.: Magnetorheological fluids: a review. Soft Matter 7 (20) [2] Kozłowska J., Leonowicz M.: Synthesis and properties of magnetorheological fluids. Inżynieria Materiałowa 3 () (200) [3] Vicente J., Lopez-Lopez M. T., Gonzalez-Caballero F., Duran J. D. G.: Rheological study of the stabilization of magnetizable colloidal suspensions by addition of silica nanoparticles. J. Rheol. 47 (2003) [4] Park B. J., Park C. W., Yang S. W., Kim H. B., Choi H. J.: Core-shell typed polymer coated-carbonyl iron suspensions and their magnetorheology. J. Phys. Conf. Ser. 49 (02078) (2009) 5. [5] Jang I. B., Kim H. B., Lee J. Y., You J. L., Choi H. J.: Role of organic coating on carbonyl iron suspended particles in magnetorheological fluid. J. Appl. Phys. 97 (0Q92) (2005) 3. [6] Hong M. K., Park B. J., Choi H. J.: Preparation and characterization of MR fluid consisting of magnetite particle coated with PMMA. J. Phys. Conference Series 49 (02055) (2009) 5. [7] Viota J. L., Vicente J., Duran J. D. G., Delgado A. V.: Stabilization of magnetorheological suspensions by polyacrylic acid polymers. J. Colloid Interface Sci. 284 (2005) [8] Muc A., Barski M.: Ciecze magnetoreologiczne i ich zastosowania praktyczne. Czasopismo Techniczne (2008) 3 4. [9] Milecki A.: Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowanie w technice. Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań (200). [0] Carlson J. D., Jolly M. R.: MR fluid, foam and elastomer devices. Mechatronics 0 (4-5) (2000) [] Tang H. Z.: Particle size polydispersity of the rheological properties in magnetorheological fluids. Science China Physics, Mechanics and Astronomy 54 (7) (20) INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXIV