Squeeze flow and polydispersity effects in magnetorheology

Resumen

Los fluidos magneto-reológicos se pueden considerar generalmente como suspensiones de partículas ferromagnéticas en un medio continuo no magnético. Cuando se aplica un campo magnético externo, las partículas se alinean en la dirección del campo formando agregados. Las propiedades mecánicas de los fluidos magneto-reológicos en presencia de un campo magnético externo cambian significativamente. Particularmente, si la concentración de partículas y el campo magnético son suficientemente grandes, es necesario superar una barrera de esfuerzo, llamada esfuerzo umbral, para que el sistema fluya. Además, los fluidos magneto-reológicos se vuelven altamente viscoelásticos. Las propiedades mecánicas de estos materiales son fácil y rápidamente controlables mediante el campo magnético externo. Debido al control de sus propiedades mecánicas, los fluidos magneto-reológicos están siendo usados en varias aplicaciones comerciales que implican el control de vibraciones, la absorción de impactos, el pulido de precisión e incluso aplicaciones biomédicas. Actualmente, para un funcionamiento adecuado de estos dispositivos, se requiere un esfuerzo umbral alto en el modo operativo y el uso de fluidos magneto-reológicos altamente concentrados. El estudio exhaustivo del comportamiento de estos sistemas en compresión puede ser de gran utilidad ya que se ha demostrado que los esfuerzos umbrales en compresión son mayores que los esfuerzos umbrales en cizalla para la misma concentración. Una extensa investigación de las propiedades magneto-reológicas en compresión ha sido realizada en esta tesis desde el punto de vista experimental, usando desarrollos teóricos y realizando simulaciones a nivel de partícula. Los resultados experimentales mostraron que la fuerza normal y el esfuerzo de compresión se incrementan mientras el sistema se comprime. Se encontró una dependencia cuadrática con el campo magnético aplicado y una dependencia lineal con la concentración para el régimen diluido y cuadrática para el régimen concentrado. Debido al hecho de que las partículas magnéticas empleadas en las formulaciones comerciales de fluidos magneto-reológicos son altamente polidispersas en tamaño, la investigación del efecto de la polidispersidad en la respuesta magneto-reológica es de gran interés. Se realizaron experimentos y simulaciones a nivel de partícula para distintas distribuciones de tamaños con el mismo diámetro medio pero diferentes índices de polidispersidad. Los resultados indican que, aunque la estructura microscópica de los fluidos magneto-reológicos cambia profundamente con la polidispersidad, el esfuerzo umbral no cambia significativamente en el caso de sistemas polidispersos.