Magnetorreología en presencia de campos magnéticos triaxiales: formación de estructuras coloidales y análisis de imagen

Abstract

En este trabajo se propone ampliar el abanico de técnicas experimentales disponibles para el estudio de suspensiones de partículas magnéticas y en concreto de fluidos magnetorreológicos (FMR). Por ello, en primer lugar, se introducen conceptos relativos a la reología y el magnetismo, los cuales serán necesarios para definir las especificaciones de nuestro método y finalmente comprobar su correcto funcionamiento. Por esta razón es indispensable entender cómo se caracterizan los fluidos, cómo se clasifican, qué modelos matemáticos explican su comportamiento y cómo se miden las propiedades reológicas de estos materiales. De la misma forma también es necesario conocer los mecanismos físicos que intervienen en la dinámica de estas suspensiones coloidales, por lo que también se hablará de conceptos como la magnetización, el momento magnético inducido sobre una partícula y la fuerza dipolar magnética. Además, cuando se combinan las ecuaciones de la reología y el magnetismo se pueden definir parámetros como el número de Mason, que nos permite relacionar la fuerza hidrodinámica con la fuerza magnética de forma compacta. Sin embargo, a pesar de todos los esfuerzos realizados en los últimos años por entender el comportamiento de los FMR, actualmente existe una limitación en los métodos experimentales para su estudio. Esto se debe a que la mayoría de las investigaciones en este campo se realizan en condiciones de campo magnético DC unidimensional y en pocas ocasiones se lleva a cabo un análisis de las microestructuras de partículas que se forman en el seno del coloide. Por ello, en esta memoria se propone, en primer lugar, el diseño y la implementación de un sistema de generación de campos magnéticos tridimensionales para la realización de experimentos magnetorreológicos. Este generador triaxial permite controlar un vector de campo magnético en las tres dimensiones del espacio y también en el tiempo. El campo magnético es generado por tres circuitos de potencia de tipo LR, o resonantes LCR de capacidad variable que permiten operar a alta frecuencia. Las bobinas de cada circuito se orientan por pares enfrentados siguiendo un sistema de referencia Cartesiano, quedando un hueco en el centro para la colocación de muestras. Los circuitos resonantes permiten alcanzar frecuencias del orden de varios kHz, evitando el efecto de filtrado que provocan las bobinas a alta frecuencia. Para el desarrollo de este equipo se ha utilizado una tarjeta de entrada/salida multifunción que se usa para generar y adquirir las señales eléctricas que alimentan los circuitos de potencia. Las características de estas señales y en general todas las funcionalidades del generador triaxial se controlan desde una interfaz de usuario que ha sido diseñada para facilitar el manejo del equipo y monitorizar la corriente en tiempo real. En segundo lugar, se propone una técnica de análisis de imagen para el estudio de la formación de patrones de bandas concéntricas de partículas en flujos de cizalla generados en geometrías plato-plato y cono-plato, con un reómetro torsional, y campos magnéticos en la dirección del gradiente de la velocidad. Para ello será necesaria la realización de experimentos magnetorreológicos en los que se sincronice la adquisición de medidas reológicas, con el campo magnético generado y la captura de imágenes de una muestra sometida al mismo. Mediante el uso de esta herramienta de software es posible observar la evolución del sistema de partículas a lo largo del tiempo gracias a la composición de una sola imagen a partir de numerosas capturas obtenidas durante la realización de cada experimento, así como la extracción de parámetros característicos de las estructuras coloidales que se forman. Esto permite hallar correlaciones entre la estructura interna del material y su respuesta reológica.

In this work, we propose an improvement to the experimental techniques for the study of magnetic particle suspensions and specifically of magnetorheological fluids (MRF). First, concepts related to rheology and magnetism are introduced, which will be necessary to define the specifications of our method and to verify its correct operation. For this reason, it is essential to understand how fluids are characterized, how they are classified, what mathematical models explain their behavior and how the rheological properties of these materials are measured. It is also necessary to know the physical mechanisms that intervene in the dynamics of these colloidal suspensions. Concepts such as magnetization, or the magnetic moment induced on a particle and the magnetic dipole force, will also be discussed. In addition, when the equations of rheology and magnetism are combined, parameters such as the Mason number can be defined, which allows us to relate the hydrodynamic force with the magnetic force in a compact way. However, despite all the efforts to understand the behavior of MRF, there is currently a limitation in the experimental methods for their study. This is because most of the research in this field is carried out under one-dimensional DC magnetic field conditions and an analysis of the microstructures of particles that are formed within the colloid is rarely carried out. For this reason, this dissertation first addresses the design and implementation of a threedimensional magnetic field generation system for carrying out magnetorheological experiments. This triaxial generator allows to control a magnetic field vector in the three dimensions of space and also in time. The magnetic field is generated by three LR-type power circuits, or resonant LCRs with variable capacity that allow high-frequency operation. The coils of each circuit are oriented in opposing pairs following a Cartesian reference system, leaving a hole in the center for the placement of samples. Resonant circuits allow frequencies of the order of several kHz to be reached, avoiding the filtering effect caused by the coils at high frequency. For the development of this equipment, a multifunction input/output card has been used to generate and acquire the electrical signals that feed the power circuits. The characteristics of these signals and all the functionalities of the triaxial generator are controlled from a user interface that has been designed to facilitate the handling of the equipment and to monitor the current in real time. Second, an image analysis technique is proposed to study the formation of concentric band patterns of particles in shear flows generated using a torsional rheometer in plate-plate and cone-plate geometries and magnetic fields in the velocity gradient direction. For this, it will be necessary to carry out magnetorheological experiments in which the acquisition of rheological measurements is synchronized with the generated magnetic field and the capture of images of a sample subjected to it. Through the use of this software tool it is possible to observe the evolution of the particle system over time thanks to the composition of a single image from numerous captures obtained during the performance of each experiment, as well as the extraction of characteristic parameters of the colloidal structures that are formed. This allows finding correlations between the internal structure of the material and its rheological response.