Endüstri TEKNOLOJİ

Manyeto-Reolojik Akışkanların Araştırılması

ÖZET

Manyeto-Reolojik (MR) sıvılar ilk keşfedikleri 1940’lı yıllardan bu yana sürekli gelişim gösteren akıllı malzeme olarak sınıflandırılan bir temelde kompozit malzeme sistemidir. İstenilen öznel niteliklere farklı kombinasyonlar ve karışımların hazırlanması sureti ile robotik dış iskelet sistemleri, biyomimetrik eklem çalışmalrı, ağır yük damperleri, piston sistemleri, motor takozları, titreşim önleyiciler, sönümleyici raylı sitem elmanların da ve süspansiyon sistemlerinde kullanılmaktadır.

Tarihsel gelişim sürecinde elektro –reolojik sıvıların gölgesinde kalan MR sıvılar son dönemde yeniden araştırılan ve kullanım alanları hızla gelişen bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır. Bunların yanı sıra otomotiv, köprü ve yapıların deprem sarsıntıların karşı korunması, uzay teknolojileri, mekatronik sistemler içerisinde önemli bir araştırma konusu olarak 1990 sonrası dönemde göze çarpmaktadır.

GİRİŞ

Manyetoreolojik (MR) sıvılar, manyetik olmayan taşıyıcı sıvılar içersinde dağılmış haldeki manyetik parçacıklardan (1-10µm) oluşan ve manyetik alana maruz bırakıldığında reolojik özelliklerinde hızlı ve tersinir bir değişimin meydana geldiği akıllı sıvılardır . MR sıvılar, manyetik alan altında viskozite değişiminden dolayı sıvı halden katı ya da yarı-katı hale geçebilmektedir. MR sıvıların üzerine uygulanan manyetik alanın kontrolü ile sıvının viskozitesi ve diğer reolojik özellikleri istenilen şekilde ayarlanabilmektedir [1].

Bu tür akışkanlar dışarıdan manyetik alan uygulanmadığında normal sıvı karakteri (genellikle Newtonian akışkan davranışı) gösterirler. Bu durumda katı tanecikler sıvı içerisinde rasgele konumlarda bulunurlar. Dışarıdan manyetik alan uygulanmasıyla bu katı tanecikler düşey kolonlar (zincir yapı) oluştururlar ve tıpkı bir elek görevi görerek akışkanın manyetik alan uygulanan bölgeden geçişini zorlaştırırlar. Bu sayede sıvı haldeki akışkan sanki çok yüksek bir viskoziteye sahip bir davranış sergiler. Uygulanan manyetik alanın şiddeti süspansiyon şeklindeki akışkanın viskozitesinin kontrol edilmesini sağlar. MR akışkanlar önemli bazı avantajları sayesinde son yıllarda teknolojide geniş uygulama alanı bulmuştur. Bu avantajları arasında hızlı cevap süresi, yüksek dinamik akma gerilmesi, düşük plastik viskozite, geniş sıcaklık bandında çalışabilme (-40 °C – 150 °C), zor çökelme ve kolay ve homojen karışım oluşturma sayılabilir. MR sıvılar manyetik veya elektrik alana maruz kaldıklarında sıvı halden yarı-katı hale birkaç milisaniyede geçebilir ve etkinin kalkmasıyla aynı hızda sıvı durumuna geri dönebilirler . Ayrıca 100 kPa civarında olan maksimum kayma gerilmeleri yukarıdaki çalışma sıcaklığı bandında hemen hemen hiç değişmemektedir. Ayrıca bu sıvılar imalat ve kullanımdan kaynaklanabilecek kirlenmelerden olumsuz etkilenmezler. Bunun yanında MR sıvılar zehirli olmayıp sıvı kararlılığını sağlamak üzere çeşitli katkı maddeleri güvenle kullanılabilmektedir. 12-24 V gibi düşük voltajlar altında sadece 1-2 A akım ile çalışabildiklerinden aktif edildiklerindeki güç tüketimleri düşüktür [2].

LİTERATÜR ARAŞTIRMASI

MR sıvılarının keşfi 1940’lara dayanmakla birlikte genellikle bu konudaki araştırmaların çoğu 1990 ve sonrasında gerçekleşmiştir. Günümüzde MR akışkanların kavrama, fren, kilitleme, servo-valf, titreşim sönümleme (süspansiyon), şok emme sistemlerinde kullanımına yönelik yoğun araştırmalar yapılmaktadır.Bunda şüphesiz bu sistemlerin hem aktif hem de pasif kontrol sistem özelliklerini bir arada bulundurması önemli rol oynamıştır. MR sıvılı süspansiyon sistemlerine yönelik çalışmalar önemli ölçüde otomotiv endüstrisine, uzay çalışmalarına, köprü ve yapıların deprem sarsıntılarından korunmasına yönelmiş durumda olup hızla gelişmektedir. Bu durum, Mekatronik disiplini içerisinde son yıllarda önemli araştırmaların yapıldığı Mikro-Elektro-Mekanik-Sistemler (MEMS) alanında da kendisini göstermeye başlamış olup bu konuda yapılan önemli iki çalışmaya başvurulabilir. Ülkemizde bu konuda yapılmış deneysel ve teorik bir çalışma bulunmamaktadır. Özellikle bu türsistemlerin tasarım kriterleri ve prosedürü taşıdıkları yüksek ticari değerlerden ötürü literatürde yer almamaktadır. MR sıvılarının imal edilmesi ve karakterizasyonu ise sadece birkaç şirket veya kurumun tekelindedir. Lord firması ile yine ABD’de bulunan Nevada Üniversitesi Reno, bu tür sistemleri ve MR sıvısını tasarımdan prototip üretimine kadar götürebilen sayılı kurumlardandır. Yine de bu konuda önemli bir çalışma Pittsburgh Üniversitesi’nde (ABD) doktora tezi olarak yapılmıştır. Bütün bunların yanında MR damperleri için tasarım prosedürü ve optimizasyonu konularında literatürde tatminkar bir bilgiye ulaşmak mümkün değildir ve bu konular yeterince incelenmemişlerdir. Özellikle belirlenmiş bir uygulama için bir MR damperin sıfırdan başlanarak nasıl ürün haline getirileceği, tasarıma etki eden değişkenler kullanılarak nasıl parametrik optimizasyon yapılacağı ve elde edilen sistemin hangi testlerden ne koşullarda geçmesi gerektiği konuları bu projede sistematik olarak araştırılıp ortaya konulması şu anda kabul edilen TÜBİTAK projesinin konusudur [2].

MR AKIŞKANLAR

MR sıvılar; silikon, hidrokarbon gibi özel bir taşıyıcı sıvı içerinde, 1-5 µm çaplarında, manyetize olabilen demir-penta-karbonil parçacıkları ve çeşitli eklentilerden oluşan karışımlardır. MR sıvı üzerine uygun tarzda bir manyetik alan oluşturulduğu takdirde, birkaç milisaniye içinde sıvının akma gerilmesi 100 kPa’a kadar çıkartılabilmektedir. Sıvının görünür viskozitesindeki bu etkileyici değişim, elektronik kontrol cihazları ile sessiz ve hızlı bir birliktelik sağlamaktadır. – 16 -MR sıvı üzerine bir manyetik alan uygulanması durumunda, sıvı içerisindeki manyetize olabilir parçacıklar, manyetik akı çizgileri boyunca dizilerek, bir zincir yapı oluştururlar. Bu yapının oluşumu Şekil 1.1’de gösterilmiştir. Şekil 1.1a’da taşıyıcı sıvı içerinde parçacıklar gelişigüzel olarak dağılmış durumdadır. Manyetik alan uygulandığında, sıvı içerisindeki parçacıklar manyetik akı çizgileri boyunca dizilirler (Şekil 1.1b). Eğer bu zincir yapı üzerine bir basınç kuvveti uygulanırsa, basıncın ve manyetik alanın büyüklüğüne göre, zincir yapı şekil değiştirir (Şekil 1.1c). MR sıvının uygulanan basınca gösterdiği bu tepki “MR etki” olarak adlandırılır.

Şekil 1. 1. MR Etkinin Oluşumu

MR sıvılar Şekil 1.2’de gösterildiği gibi, üç farklı tipte çalıştırılabilmektedir. İlk çalışma tipinde sıvıyı sınırlandıran plakalardan birine bir kuvvet uygulanır. MR etki, kayma gerilmesinden dolayı, sıvı plakanın hareketine karşı koyacak şekilde bir tepki kuvveti oluşturur ve bu “kayma tipi” çalışma olarak adlandırılır (Şekil 1.2a). Bu tür çalışma genellikle MR fren ve kavramalarda görülür. Eğer sıvı üzerine bir basınç uygulanacak olursa, zincir yapı sıvı akışına engel olmaya çalışır. “Valf tipi” çalışma olarak adlandırılan bu tip sistemler ise genelde MR damperlerde görülmektedir (Şekil 1.2b). Son tip ise, sınırlandırma plakalarına dik olarak bir kuvvet uygulanması durumunda, zincir yapıda küçük hareket kabiliyeti görülür. (Şekil 1.2c) ve “sıkıştırma tipi” çalışma olarak adlandırılır.

Şekil 1.2

MR sıvılar tipik olarak mineral yağ ve silikon yağı gibi organik taşıyıcı bir sıvı veya su içersinde dağılmış manyetik parçacıklardan oluşmaktadır. Yapılmış çalışmalara bakıldığında, demir penta karbonilden ( Fe(CO)5 ) ayrıştırılmış karbonil demir (Fe) ve manyetit (Fe3O4) en yaygın kullanılan manyetik parçacıklardır. Diğer manyetik parçacıklara örnek olarak nikel, kobalt, düşük karbonlu çelik, silikon çeliği, krom dioksit, demir nitrid ve demir karpit verilebilir. Manyetik parçacık yoğunlukları (5,0-8,0 g/cm3 ) ile taşıyıcı sıvı yoğunlukları (0,8-1,0 g/cm3 ) arasındaki büyük farklardan dolayı MR sıvıların çökelme kararlılıkları düşüktür . Bu nedenle, MR sıvılara silika dumanı (SiO2) ve oleik asit gibi katkı maddeleri ilave edilmekte veya manyetik parçacıklar yüzey etken maddelerle kaplanmaktadır. Bu sayede MR sıvıların çökelme kararlılıkları arttırılmaktadır [1].

MR akışkanların katılığı ve şekil alması mukavemete, uygulanan manyetik alana, parçacıkların dağılımına ve parçacıkların hacim oranına bağlıdır. Parçacığın küçük olması çökelmeyi engellerken parçacığın büyük olması akma gerilmesinin değerini de büyütecektir. Taşıyıcı sıvılar, tipik olarak akışkanın reolojik, tribolojik özelliklerine ve sıcaklık değerlerine bağlı olarak seçilir. Genelde taşıyıcı sıvı olarak petrol kaynaklı yağlar, silikonlar, mineral yağlar, polieterler, polisterler, sular, sentetik hidrokarbon yağlar kullanılır. MR akışkanlar, genellikle parçacıkların çökelmesini ve kümeleşmesini engelleyecek ilave yağlama özelliğine sahip katkı maddelerinden meydana gelmektedir. Tipik olarak çökelme; zamk, slika jel, stearatlar ve karboksil asitler gibi tiksotropik katkı ve yüzey aktif maddeler tarafından kontrol edilmektedir. Tiksotropik ağlar, çok küçük kayma oranında (viskozitesi hemen hemen sonsuza yaklaştığında) akışkanın akışını bozar; ancak kayma oranı arttığı zaman akışkanın viskozitesini azaltır. Stearatlar, parçacıkların hareketsiz kalmasını sağlayan mineral yağlar ve sentetik esterler ile kullanıldığı zaman kabarık bir ağ oluşturur. İnce karbon fiberler, fiziksel karışım içindeki viskoziteyi oluşturmak için de kullanılmaktadır; fakat indüklenmiş kayma sıralanması yüzünden akışkanda kayma incelmesi gerçekleştirirler. MR köpüklü cihazlar; sünger, köpük ve keçe gibi emici bir matris içerisinde kılcal hareketler ile sınırlandırılmış MR akışkanları içerir. Emici matris, manyetik alanın uygulanması ile oluşan kutuplar arasındaki cihazın aktif bölgesine yerleştirilen MR akışkanı orada tutmaya çalışır. Emici matris; belli mekanik toleransa, desteklere, contalara gerek duymaksızın direkt kayma tipinde çalışan minimum MR akışkan hacmine ihtiyaç duyar. Emici matris normal olarak kutuplardan birine tutturulmuştur. Manyetik alanın uygulanması matris içerisindeki MR akışkanın akma mukavemetinin artmasına ve deformasyona karşı bir direnç göstermesine sebep olur Açık yapıdan dolayı, bir MR akışkan köpüklü cihazın geometrisi, normal kontrol edilebilen ve çoklu serbestlik derecesine sahip bir MR akışkan cihaza göre daha az 4 kısıtlamalara sahiptir. MR akışkan köpüklü cihazlar, yüksek dinamik aralık gerektiren düşük ve orta seviyeli kuvvet uygulamaları için oldukça dayanıklı ve uygundur. Bu cihazlardaki akışkanlar matrisin fitil etkisinden dolayı yer çekimsel çökelmeye karşı direnç göstermektedirler [4].

MR AKIŞKANLARIN ÖZELLİKLERİ

150–250 kAm −1 manyetik alan şiddetinde MR akışkanların akma gerilmesi, 50MPa üzerine çıkmaktadır ve manyetik alanın doyum noktasında 100MPa’ın üzerinde bir dinamik akma gerilmesine sahiptir. 25 0C’de genellikle MR akışkanların “kapalı durum” viskoziteleri 0.1–1 Pa.s’dir. MR akışkanların maksimum gerilmesi, akışkan içerisinde asılı parçacıkların manyetik doyumu ile sınırlanmıştır. Tipik olarak MR akışkanların özellikleri Çizelge 1.1’de verilmiştir. Çizelge 1.1’de 2 ( ) / η τ P y alan çarpanı, belirlenmiş performans seviyesine ulaşmak için verilen büyük bir MR akışkan cihazının nasıl hesaplanacağını gösteren bir başarım ölçüsüdür. Bir cihazın aktif akışkan minimum hacmi bu faktör ile orantılıdır.

Çizelge 1.1. MR akışkanın tipik özellikleri.

MR akışkanların çalışma sıcaklıkları -400C ile +1500C arasındadır. Taşıyıcı akışkanın viskozitesinin artması, MR akışkanın minimum sıcaklığını sınırlar ve MR akışkanın maksimum sıcaklığını ise genellikle polarizasyon mekanizmasından ziyade taşıyıcı akışkanın uçuculuk özelliği ile sınırlıdır. MR akışkanlardan ER akışkanlarından farklı olarak, girdap akımları kaybı ve joule enerji kaybı çok fazla önem arz etmez. MR akışkanların çalışması için hem sürekli mıknatıslar hem de elektromıknatıslar kullanılabilir. MR akışkanlar, genellikle fabrikasyon ve kullanım esnasında karşılaşılan kirliliğe veya kirletici maddelere karşı yüksek bir duyarlılığa sahip değildir. Ayrıca, manyetik kutuplaşma mekanizması yüzey aktif madde ve katkı maddelerinin kimyasal olaylarından etkilenmediği gibi; büyük bir yoğunluk uyumsuzluğuna rağmen parçacık-sıvı ayrılmasına karşın MR akışkanlar kararlıdır. Çoğu MR akışkanlar, yüksek demir parçacık içermelerinden dolayı yoğunlukları 3–4 g/cm 3 arasındadır. MR akışkanların kullanımında bazı kısıtlamalar vardır. MR akışkanlar yüksek demir parçacık hacim oranı içermesinden dolayı ağırdır. Parçacıklar ile sıvı arasındaki büyük yoğunluktan dolayı merkezkaç ayrılma, döner hızın yüksek olduğu uygulamalarda meydana gelebilir. Bu durum ağırlığa duyarlı uygulamalarda ve dönme hareketlerinin yer aldığı merkezkaç etkilerde hesaba katılmalıdır. Parçacık ile akışkan yoğunluk uyumsuzluğu, yerçekimsel çökelmeye yol açabilir; fakat uygun yüzey aktif ve katkı maddeleri sayesinde akışkan içersinde çok az veya hiç çökelmenin olmadığı durumlar sağlanabilir[4].

MR AKIŞKANLARIN ALANA BAĞIMLI DAVRANIŞLARI

Manyetik alan altında MR akışkanların parçacık sıralanması için geliştirilen standart bir model, esas itibariyle manyetik alan yönünde sıralanmış parçacık zincirlerin kübik bir ağ yapısına dayanmaktadır. Malzeme gerindiği zaman, akışkan içersindeki zincirimsi yapılar şekil değiştirecektir. Zincirimsi yapılarda, herhangi bir komşu çiftte parçacıklar arası mesafenin aynı olduğu ve bu mesafenin gerinme ile aynı oranda arttığı kabul edilmiştir. Gerçekte, manyetik alan altında oluşan parçacık 6 yapısı silindire benzeyen kümeleşmeler oluşturduklarından yapıyı daha da karmaşık hale getirir; ancak akışkanlar üzerinde çalışılan standart modeller, akışkanın akma mukavemeti ile ilgili olarak bizlere iyi bir tahmin verir.

Deneysel sonuçlara göre, manyetik alan altında MR akışkanlar, hem elastik bir tepki ile karakterize edilmiş ön-akma rejimi hem de viskoz bir tepki ile karakterize edilmiş son-akma rejimi sergiler. Akma mukavemeti y τ , manyetik alan uygulandığı zaman oluşan parçacık yapısının kayma mukavemetini ölçmek için kullanılır.

Alana bağlı mukavemet y τ ’nin üzerindeki kayma gerilmesi τ için, kayma altındaki daimi akış Bingham eşitliği ile düzenlenmiştir. Manyetik alan uygulanmadığı zaman, MR akışkanlar Newton’iyen akışa benzer bir davranış gösterir. MR akışkanların alana bağımlı davranışları, genellikle değişken bir akma mukavemetine sahip Bingham plastiğinin davranışı gibi modellenmektedir. Bu modelde akış, aşağıda verilen Bingham denklemi ile yönetilir.

τ = τy ( H) +ηγ , τ ≥ τ

Burada τ , y τ ’nin üzerinde yer alan bağımlı akma gerilme değeridir. Akma gerilmesi altında ( 3 10− mertebesindeki gerinmelerde) malzeme aşağıda ifade edilen viskoelastik bir davranış gösterir.

τ = Gγ , τ < τ

Burada γ kayma hızıdır ve G* kompleks kayma modülüdür. Akma mukavemetine ek olarak kompleks modül, manyetik indüksiyonun ortalama değerine de bağlıdır. Akma mukavemetinin alan bağımlılığı, genellikle n τ y ~ H , 1 < n < 2 güç yasası indeksi ile gösterilmektedir. Burada n = 2 olunca manyetik malzeme non-lineer bir özellik gösterir.

MR akışkan tabanlı cihazların tasarım ve karekterizasyonunda Bingham plastik modeli oldukça faydalı olmasına rağmen gerçek MR akışkan davranışı bu basit modelden önemli sapmalar gösterir. En önemli sapmalardan biri, manyetik alanın bulunmadığı durumlarda MR akışkanlarının Newton’iyen olmayan bir davranış göstermesidir[4].

MANYETOREOLOJİK ELASTOMERLER (MRE)

Elastomer bir makro molekül, doldurucu bir parçacık ile etkileştiği zaman, “elastomer-doldurucu mezofaz” olarak da bilinen etkileşim, belirli bir bölgede nano ölçek seviyesinde gerçekleşir. Elastomer bileşikler, elastomer matris içinde dağılmış olan katı sıvı bileşenlerin yer aldığı yüksek derecede kompleks polimer sistemlerden oluşur ve doğal olarak güçlü bir viskoelastik karakter sergilemektedir .

Tipik bir MRE tozlu katılar (metaller); viskoelastik malzemeler ve viskoz sıvılardan oluşur. Tüm bu bileşenler birbirlerine göre tamamen saçılmış olsalar bile, bunların karşılıklı çözünürlükleri bazen sınırlı bir şekilde gerçekleşirken bazen hiç gerçekleşmemekte ya da uyumlu bir formda oluşmaktadır. Matris ve doldurucu parçacıklar arasındaki karşılıklı etkileşim güçlü veya zayıf bir şekilde ortaya çıkabilir, bu etkileşim kompozitin mekanik ve reolojik özelliklerini etkileyecektir. Reolojik deneylere göre, doldurucu içeriğin artmasıyla birlikte lineer viskoelastik bölgenin kaybolması pek çok pratik kauçuk bileşiklerin genel bir karakteristik özelliğidir. Doldurucu içerik belirgin bir değerin üzerinde iken; lineer davranış kaybolur ve kompozit Payne etkisine benzer bir düşme modülü sergiler. Payne etkisi, artan osilasyon genliği ile depolama veya kayma modülünün gerçekleştiği fazda bir azalış olarak tanımlanabilir. Ayrıca, Payne etkisi kompozit matriste doldurucu malzemenin artan yoğunluğu ile artar .

Kompozit davranışı etkileyen tek ve en önemli parametre doldurucu içeriğin ortalama parçacık büyüklüğüdür. Yapısal desteklemelerde 100 nm’den daha küçük büyüklükler kolayca elde edilir; fakat parçacığın geometrisi kompozitin mekaniksel davranışında daha bir kararlı faktör olarak karşımıza çıkmaktadır. Ayrıca, parçacığın yapışması ve dağılması önemli faktörlerdendir. Başlangıç durumlarında dağınık kümeler gerekli potansiyele sahip olmadığı için parçacıklar homojen bir biçimde dağılmış olmalıdır. Polimer zincirleri tarafından parçacıkların iyi yapışması sürekli kompozit yapı oluşturmak için gereklidir. Bu durum metalik parçacıklar da bir problem oluşturabilir.

KAYNAKLAR
  1. Turgay ERGİN , Duran ALTIPARMAK (2013), “KARBONİL DEMİR VE MANYETİT ESASLI MANYETOREOLOJİK SIVILARIN SÖNÜMLEME PERFORMANSI VE KATKI MADDESİ OLARAK SİLİKA DUMANI KULLANIMI” , Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 28, No 4, 695-703, 2013 (Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University Vol 28, No 4, 695-703, 2013)
  2. İ. ŞAHİN, H. R. ÖZ, T. ENGİN, A. İLHAN, A. AKPOLAT (2005), “MANYETİK SIVILI DAMPERLERİN YAPISAL ANALİZİ” , Mühendis ve Makina – Cilt: 46 Sayı: 551 41. Makale.
  1. Yrd. Doç. Dr. Tahsin Engin ,Prof. Dr. Halil R. Öz, Yrd. Doç. Dr.Ömer K. Morgül, Yrd. Doç. Dr. Yavuz Soydan, Yrd. Doç. Dr. İsmail Şahin, Yrd. Doç. Dr. Mehmet Fırat, Arş. Grv. İrfan Yazıcı (2008) “YENİ NESİL YARI−AKTİF BİR SÜSPANSİYON SİSTEMİNİN TASARIMI, İMALATI VE OPTİMİZASYONU”, Proje No: 104M157
  2. Koray ÖZSOY (2008), “MANYETO-REOLOJİK MALZEMELERE AİT MATEMATİKSEL BİR MODEL VE MANYETO-REOLOJİK CİHAZLAR”, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Eğitimi Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi.