Картинка Freepik

Многие видели такой интересный состав, как ферромагнитная жидкость. Обычно она мелькает в тех или иных любительских видео, демонстрирующих её занимательные свойства. Однако у ферромагнитной жидкости есть и более полезные применения...

Но для начала небольшое видео, которое даёт обзорное понимание сути ферромагнитной жидкости:

Некоторое время назад мне стало интересно, особенно после этого видео (ниже), где на базе ферромагнитной жидкости были представлены действующие «электронные» часы, а какие ещё возможны применения для подобных жидкостей. Ведь это очень интересно — возможность управлять жидкостью с помощью магнитного поля, например, контролируемого компьютером!

И, как и следовало ожидать, таких применений нашлось достаточно большое количество (часть из этих применений уже перечислена в первом видео, приведённом выше).

Тем не менее, так как сложно охватить такую большую область в рамках одной статьи, ограничимся в основном её небольшой частью, которая имеет дело с так называемыми магнитореологическими жидкостями.

Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой темы. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то недостаточно подробны. В любом случае, надеюсь, что будет интересно!

▍ Что такое магнитореологическая жидкость?

Несмотря на одинаковую природу, между ферромагнитными и магнитореологическими жидкостями имеется разница, которая заключается в размере частиц, содержащихся в них. Так, если в ферромагнитной жидкости частицы имеют нанометровый размер, то в магнитореологической жидкости содержатся частицы уже микрометрового размера.

Если говорить о самом эффекте, то в общем случае под магнитореологическим эффектом понимается изменение механических свойств под воздействием приложенного внешнего магнитного поля.

Практическое применение подобных жидкостей началось ещё в конце 60-х годов XX века, и к настоящему времени сфер их применения насчитывается достаточно большое количество.

Подобные жидкости представляют собой коллоидные растворы, в которых содержатся частицы магнетиков, взвешенных в жидкости (в качестве которой обычно выступают масло, вода, растворитель), с поверхностно-активными веществами и иными добавками для стабилизации.

Основным качеством подобного класса жидкостей является способность управляться внешним магнитным полем и практически моментально (в течение нескольких миллисекунд) изменять свои свойства (вязкость, пластичность, упругость, оптические). Также изменяются теплопроводность, электропроводность, магнитная проницаемость.

Интересным моментом является тот, что вязкость магнитореологической жидкости увеличивается при увеличении магнитного поля более чем в 100 раз (в некоторых источниках упоминается цифра в 100 раз, а в некоторых — более чем тысячу раз; поэтому, полагаю, что мы не сильно ошибёмся, если напишем компромиссное значение «в более чем 100 раз» — прим. автора статьи), и этим она отличается от магнитных жидкостей, где вязкость увеличивается только до 30% (здесь дополнительных пояснений в источнике не приводится, однако, видимо, подразумеваются ферромагнитные жидкости, у которых размер частиц меньше, чем у магнитореологических — прим. автора статьи).

Подобные жидкости обладают эффектом выталкивания из своего объёма немагнитных тел, а также частично сохраняют структуру, возникшую под воздействием магнитного поля, и для её разрушения требуют перемешивания.

Реакция на магнитное поле сохраняется в большом диапазоне температур, где минимальная температура определяется той, при которой ещё сохраняется жидкое состояние раствора, а максимальная — точкой Кюри, при которой уже происходит потеря магнитных свойств реагирующего на магнитное поле наполнителя раствора.

Магнитореологические жидкости отличаются большой устойчивостью и отсутствием слипания составляющих их частиц, даже если к ним прикладывается большое по силе магнитное поле.

Так как для каждого конкретного применения к подобной жидкости предъявляются разные требования, они могут быть изготовлены с различающимися свойствами под конкретные задачи.

▍ Магнитореологическое полирование

Жидкости, управляемые с помощью внешнего магнитного поля, дают хорошие преимущества перед стандартными способами обработки поверхностей при их применении для этих целей:

сила обработки поверхности регулируется с помощью силы магнитного поля;
жидкость не даёт перегреваться точке контакта с обрабатываемой поверхностью и удаляет из неё тепло и возникающие продукты обработки;
более прецизионная обработка, по сравнению со стандартными абразивными инструментами;
форма жидкости сама подстраивается под форму обрабатываемой поверхности.

Благодаря тонкому манипулированию электромагнитным полем, управляемым компьютером, магнитореологическое полирование позволяет обрабатывать поверхности с точностью до 10-100 нм и даёт новые возможности при обработке оптики, недоступные ранее. С его помощью производится финишная обработка поверхностей, корректируется как финальная форма, так и её шероховатость (кликабельно):

Для обработки поверхностей используется жидкость, содержащая железные частицы, абразивные добавки и воду (содержащую подавители коррозии, противомикробные стабилизаторы и другие добавки).

В общем случае системы магнитореологического полирования работают следующим образом. Жидкость подают на немагнитную поверхность с помощью сопла (например, соединённого с перистальтическими насосом), эта поверхность движется и входит в зону действия электромагнита, где на жидкость начинает воздействовать сильное поле порядка 0,3 Тл.

Под воздействием этого поля вязкость жидкости существенно возрастает, при этом происходит разделение жидкости на 2 отдельных слоя: во внешнем слое содержатся ферромагнитные частицы, а во внутреннем слое находится жидкая часть с абразивом.

Так как не вся жидкость с абразивом осталась внутри этой капли, снаружи она покрыта тонким слоем жидкости с абразивом, которая продолжает постоянно поступать из-за движения рабочего инструмента. Благодаря этим абразивным частицам и происходит обработка рабочей поверхности, а постоянное движение инструмента способствует уносу продуктов обработки из пятна контакта.

При этом заключённая внутри капли часть жидкости с абразивными частицами выступает в роли своеобразного амортизатора, который позволяет этой твёрдообразной капле автоматически подстраиваться под поверхность обрабатываемой детали и не требует какой-то дополнительной притирки детали к инструменту.

Для оптимальной обработки деталь движется по определённому алгоритму, контролируемому компьютером. В основном используется два типа алгоритмов: по спирали Архимеда (слева) и по растровой траектории (справа):

При этом обработку по спирали Архимеда используют в основном для осесимметричных деталей, а по растровой траектории — не для осесимметричных.

Если обрабатывающая система снабжена устройством рециркуляции магнитореологической жидкости (очистки от продуктов обработки, охлаждения и т. д.), то в распоряжении будет устройство, постоянно имеющее как бы «нетупящийся резец», что позволяет прогнозируемо и продолжительно производить обработку в течение заданного времени со стабильным результатом.

▍ А если не обработка, то для чего ещё годятся жидкости, управляемые магнитным полем?

Учёными всего мира проводятся исследования по возможности внедрения магнитоуправляемых жидкостей в разные сферы человеческой жизнедеятельности. В литературе этот момент не оговаривается, однако, по моим соображениям, здесь и далее речь идёт о ферромагнитных жидкостях, которые благодаря нанометровым размерам своих частиц могут неограниченно долго удерживаться в виде взвеси, не оседая, т. к. упоминается, что этому способствует броуновское движение; в противовес им магнитореологические жидкости через какое-то время показывают оседание своих крупных частиц — прим. автора статьи..

Например, был успешно разработан ножной протез, содержащий гидравлический амортизатор, заполненный магнитореологической жидкостью, который позволяет за весьма короткое время (в 20 раз быстрее, чем предыдущие варианты) реагировать на показания датчиков. Время реакции составляет порядка 40 мс, что равно такому же по времени отклику, как и у человеческого коленного сустава.

Ещё одним применением является демпфирование двигателей у некоторых автомобилей, где двигатель снабжается дополнительными активными опорами, гасящими его вибрации, так как стандартная система амортизации не справляется с этой работой. Ещё одним примером из автомобильной сферы является применение активных опор для подвески автомобиля, где жёсткость подвески меняется всего лишь нажатием кнопки!

Нашли своё применение магнитные жидкости и в апгрейде отката артиллерийских систем, где для торможения ствола после выстрела начинают использовать активные амортизаторы вместо пассивных на основе масла/глицерина, использовавшихся в предыдущие периоды.

Проявляют свои качества магнитные жидкости и в области уплотнения разнообразных вращающихся валов (проще говоря, ставят уплотняющие «прокладки»), где с их помощью удаётся успешно уплотнять такие среды, как вакуум, воздух, водяной пар, инертные газы и т. д. При этом уплотнение даёт абсолютную герметичность и обеспечивает низкое трение.

Подытоживая, можно сказать, магнитореологическая обработка даёт совершенно новые возможности по обработке поверхности, так как позволяет снимать тончайшие слои материала, и этот процесс даже сравнивают с процессом, обратным аддитивным технологиям, настолько тонкие слои снимаются при обработке.

Постоянный унос продуктов обработки из пятна контакта, малый перегрев поверхности (увеличение температуры не превышает 2-3 градусов), контролируемая сила воздействия обрабатывающего «инструмента» на поверхность, зависящая от силы прикладываемого магнитного поля, даёт совершенно уникальный подход для прецизионной финишной обработки поверхностей и поэтому используется в оптической области и позволяет обрабатывать сферические, асферические, а также плоские детали.

Кроме того, этот подход позволяет существенно ускорить процессы. Например, полутораметровое космическое зеркало может быть обработано с применением стандартных методов приблизительно за полтора года, в то время как с применением рассмотренной технологии — всего за 2 недели.

Особую ценность технология приобрела в последние десятилетия в связи с повсеместным распространением станков с ЧПУ, что даёт возможность не только тонкого воздействия на поверхность, но и обработки её по сложной компьютерной программе.

Однако применение подобных магнитных жидкостей не ограничивается только обработкой, так как сфера применения их достаточно велика, как и было рассмотрено выше.

▍ Список использованной литературы

Е.С.Беляев и др. — «Магнитореологические жидкости: технологиии создания и применение», Москва, 2018.
А.Худолей — «Магнитореологическая обработка точных изделий»/Наука и инновации, №11, ноябрь, 2018.
А.Худолей и др. — «Высокоточная обработка поверхностей материалов магнитореологическими жидкостями»/Наука и инновации, №6, июнь, 2015.

Пол-лимона подарков от RUVDS. Отвечай на вопросы и получай призы 🍋

Феррожидкости на службе человечества: магнитореологическое полирование и не только