Магнітореологі́чна рідина або МР-рідина чи МРР ( або MRF) — це магніточутлива (магнітокерована) , що є колоїдним розчином у рідинах-носіях (олива, органічний розчинник) мікрометричних частинок магнетиків, стабілізованих поверхнево-активними речовинами. Коли така рідина зазнає впливу магнітного поля, вона значно збільшує свою уявну (ефективну) в'язкість, аж до перетворення у в'язкопружну тверду речовину. Важливо відзначити, що границю плинності рідини в її активному («увімкненому») стані можна дуже точно контролювати, змінюючи напруженість магнітного поля. В результаті здатність рідини передавати зусилля можна контролювати за допомогою керованого електромагніту, що дає початок безлічі можливих застосувань. Відмінність магнітореологічної рідини від феромагнітної полягає у розмірі феромагнітних частинок. На практиці до складу феромагнітної рідини входять наночастинки, що знаходяться у завішаному стані за рахунок броунівського руху й загалом не схильні до седиментації за нормальних умов. До складу МР рідин входять частинки мікрометрового розміру, які є досить важкими, щоб підтримуватися у завішаному стані броунівським рухом, тому вони з часом будуть осідати за рахунок сил гравітації внаслідок різної густини частинок та власне рідини. Відповідно, ці дві різного типу рідини мають різне застосування на практиці.

Принцип роботи

Магнітні частинки, які зазвичай за формою являють собою сфери або еліпсоїди мікрометрового або нанометрового масштабу, завішані в оливі-носії та випадковим чином розподілені в суспензії за нормальних умов, як показано на зображенні.

Однак при появі магнітного поля мікроскопічні частинки (зазвичай у діапазоні розмірів 0,1…10 мкм) вишиковуються уздовж ліній магнітного потоку (див. нижче).

Ефект впливу магнітного поля зберігається в широкому діапазоні температур, що визначається плинністю рідкої фази при понижених температурах і точкою Кюрі — температурою втрати магнітних властивостей дисперсного магнітоактивного наповнювача. Однак слід зазначити, що гранична температура застосування магнітної рідини залежить, в основному, від теплової стійкості рідини-носія.

Поведінка матеріалу Щоб зрозуміти і спрогнозувати поведінку МР-рідини, слід змоделювати рідину математично, що трохи ускладнене через змінні властивості матеріалу (наприклад, границя плинності). Як згадувалося вище, розумні рідини є такими, що вони мають низьку в'язкість без прикладеного магнітного поля, але стають квазітвердими після прикладення такого поля. У цьому випадку МР-рідина фактично набуває властивостей, порівнянних з твердим тілом, коли знаходиться в активованому («увімкненому») стані, аж до точки плинності (напруження зсуву, вище від якого настає зсув). Ця границя плинності (зазвичай носить назву — «уявна границя плинності» або «ефективна границя плинності») залежить від магнітного поля, прикладеного до рідини, але досягне максимальної точки, після якої збільшення густини магнітного потоку не буде мати подальшого впливу, оскільки рідина тоді магнітно насичується. Отже, поведінку МР-рідини можна вважати аналогічною до поведінки пластика Бінгама, моделі матеріалу, що була добре досліджена.

Однак МР-рідина не зовсім відповідає характеристикам бінгамівського пластика. Наприклад, при напруженнях нижчих за межу плинності (в активованому чи «увімкненому» стані) рідина поводиться як в'язкопружний матеріал з комплексним модулем, який також, як відомо, залежить від напруженості магнітного поля. Також відомо, що МР-рідини схильні до розрідження при зсуві, в результаті чого в'язкість при напруженнях вищих від границі плинності зменшується зі збільшенням швидкості зсуву. Крім того, поведінка МР-рідин у «вимкненому» стані також неньютонівська і залежить від температури, проте вона відхиляється досить мало, щоб рідину зрештою можна було розглядати як пластик Бінгема для простого аналізу.

Отже, модель поведінки МР-рідини у режимі зсуву набуде такого вигляду:

де  — напруження зсуву;  — границя плинності;  — напруженість магнітного поля = ньютонівська в'язкість;  — градієнт швидкості у напрямі z.

Дотичні напруження Малі дотичні напруження були основною причиною обмеженого діапазону застосувань. За відсутності зовнішнього тиску максимальна міцність на зсув становить близько 100 кПа«Mechanical properties of magnetorheological fluids under squeeze-shear mode» by Wang, Hong-yun; Zheng, Hui-qiang; Li, Yong-xian; Lu, Shuang. Якщо рідина стискається в напрямку магнітного поля і стискувальне напруження становить 2 МПа, міцність на зсув зростає до 1100 кПа. Якщо стандартні магнітні частинки замінюються подовженими магнітними частинками, міцність на зсув також підвищується«Physical Properties of Elongated Magnetic Particles» by Fernando Vereda, Juan de Vicente, Roque Hidalgo-Álvarez.

Осадження частинок Ферочастинки осаджуються із суспензії з часом через внутрішню різницю густини між частинками та рідиною-носієм. Швидкість та ступінь, у якому це відбувається, є одним з основних атрибутів, які враховуються у промисловості при реалізації або проєктуванні МР-пристрою. Поверхнево-активні речовини зазвичай використовуються для компенсації цього ефекту, але за рахунок скорішого магнітного насичення рідини і, отже, зниження максимального напруження плинності, що проявляється в її активованому стані.

Поверхнево-активні речовини для МР-рідин MR-рідини часто містять поверхнево-активні речовини, до яких належать: олеїнова кислота, , лимонна кислота, соєвий лецитин.

Поверхнево-активні речовини служать для зменшення швидкості осадження ферочастинок, висока швидкість якої є несприятливою характеристикою МР-рідин. Ідеальна МР-рідина ніколи не осяде, але отримання такої ідеальної рідини так само малоймовірне, як розробка вічного двигуна відповідно до нашого нинішнього розуміння законів фізики. Тривале осадження з допомогою поверхнево-активних речовин зазвичай досягається одним із двох способів: додаванням поверхнево-активних речовин та додаванням сферичних феромагнітних наночастинок. Додавання наночастинок призводить до того, що більші частинки залишаються у завішеному стані довше, оскільки наночастки, що не осаджуються, заважають осадженню більших частинок мікрометрового розміру через броунівський рух. Додавання поверхнево-активної речовини дозволяє міцелам утворюватися навколо ферочастинок. Поверхнево-активна речовина має полярну голівку та неполярний хвіст (або навпаки), один з яких адсорбується на ферочастинці, а неполярний хвіст (або полярна голівка) спрямований (-на) назовні у середовище-носій, утворюючи навколо частинки відповідно обернену або правильну міцелу. Це підвищує ефективний діаметр частинок. Стеричне відштовхування таким чином запобігає сильній агломерації частинок у їх обложеному стані, внаслідок чого повторне перемішування рідини (редиспергування частинок) відбувається набагато швидше та при менших зусиллях. Наприклад, МР-рідину у можна повторно змішувати за один цикл при додаванні поверхнево-активної речовини, але її майже неможливо повторно змішати без них.

Хоча поверхнево-активні речовини корисні для зниження швидкості осадження в МР-рідинах, вони роблять згубний вплив на магнітні властивості рідини (зокрема, магнітне насичення), що зазвичай є параметром, який користувачі хочуть максимізувати, щоб збільшити максимальну уявну границю плинності. Незалежно від того, чи добавки, що перешкоджають осадженню, створені на основі наносфер чи на основі поверхнево-активної речовини, їх додавання знижує щільність упаковки ферочастинок в активованому стані, тим самим зменшуючи активовану в'язкість плинного середовища, в результаті чого виходить «м'якша» активована рідина з нижчою максимальною уявною границею плинності. У той час досяжний ступінь в'язкого стану («твердість» активованої рідини) є основною проблемою для багатьох застосувань МР-рідин, він є основною властивістю рідини для більшості її комерційних та промислових застосувань, і тому необхідно шукати компроміс між в'язкістю у робочому стані, уявною границею плинності та швидкістю осадження МР-рідини.

Режими роботи і застосування МР-рідина може використовуватись в одному із трьох основних режимів: режимі потоку, режимі зсуву та режимі стиснення-потоку. Ці режими передбачають, відповідно, рухому рідину в результаті градієнта тиску між двома нерухомими пластинами; рідину між двома пластинами, що рухаються одна відносно одної; і рідину між двома паралельними пластинами, що рухається в напрямку, перпендикулярному до їх площини. У всіх випадках магнітне поле є перпендикулярним до площини пластин, щоб обмежувати потік рідини в напрямку, паралельному до пластин.

Режим потоку (також відомий як режим клапана)

Режим зсуву

Режим стиснення-потоку

Ці різні режими можуть мати різноманітні застосування. Режим потоку можна використовувати в амортизаторах та демпферах, використовуючи рух для проштовхування рідини через канали, до яких прикладається магнітне поле. Режим зсуву особливо корисний у муфтах зчеплення та гальмах — у місцях, де необхідно контролювати обертальний рух. З іншого боку, режим стиснення-потоку найбільше підходить для застосувань, що управляють невеликими переміщеннями міліметрового порядку, але з більшими силами. Цей конкретний режим потоку вивчений найменше. У цілому в цих трьох режимах роботи МР-рідини може успішно використовуватися в широкому діапазоні застосувань. Однак є деякі обмеження, про які слід згадати.

Обмеження Хоча розумні рідини справедливо вважаються такими, що мають безліч потенційних застосувань, їх комерційна здійснимість обмежена з таких причин: висока густина через присутність заліза робить їх важкими, хоча при малих робочих об'ємах ця проблема не є суттєвою; високоякісні рідини є дорогими; рідини можуть загуснути після тривалого використання та потребують заміни; осідання ферочастинок може бути серйозною проблемою для деяких застосувань; неможливість працювати при надзвичайно високих/низьких температурах. Комерційні застосування МР існують, але їх буде небагато поки не будуть вирішені ці проблеми (зокрема, вартість).

Досягнення 2000-х років