Химия

В Институте химии растворов им. Г.А. Крестова (ИХР, Иваново) и Институте общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова (ИОНХ, Москва) синтезированы новые типы электрореологических жидкостей, которые открывают перспективы создания широкого спектра более эффективных электроуправляемых демпфирующих систем — от гасящих динамические нагрузки в военной технике и автомобилях до тактильных силовых датчиков в робототехнике и джойстиков с обратной связью.

Езда по стиральной доске

Про амортизаторы мы невольно думаем, наверное, ежедневно и по много раз при наезде на каждую выбоину на дороге или на "лежачего полицейского". Но едва ли кто-то при этом вспоминает, как устроен амортизатор.

Обычно он представляет собой комбинацию пружины с жидкостным демпфером. Пружина упруго принимает ударные нагрузки на колеса, а демпфер снижает нагрузку и "успокаивает" колебания пружины. Мощности демпфирующей системы зачастую не хватает, но если ее наращивать, то амортизатор перестанет замечать мелкие препятствия, итог — езда словно по стиральной доске. Выход очевиден — регулируемый демпфер, который может изменять мощность применительно к условиям движения.

Конструкция современных демпфирующих устройств основана на передавливании при возникновении нагрузки жидкости из рабочего цилиндра в сообщающийся сосуд через маленькое отверстие поршнем, шток которого связан с базой автомобиля. Пружина возвращает систему в исходное состояние. Для управления работой демпфера необходимо менять его исходные характеристики — регулировать поток жидкости через отверстие в зависимости от приложенной нагрузки.

Электрореологический эффект открывает новые возможности при конструировании адаптивных систем транспорта, например, ABS тормозных систем

Это можно сделать двумя путями. Первый заключается в регулировке размера отверстия, через которое продавливается рабочая жидкость. Отверстие может работать, например, как диафрагма фотоаппарата. Так иногда и поступают, однако механические системы могут выходить из строя, особенно при длительной эксплуатации.

Второй путь — менять не геометрию демпфера, а вязкость рабочей жидкости. Чем выше нагрузка на демпфер — тем выше вязкость жидкости, а с уменьшением нагрузки вязкость вновь уменьшается. Но где взять такую жидкость?

Умная жидкость

В 1947 году американец Уиллис Уинслоу запатентовал "Метод и средства для перевода электрических импульсов в механическую силу". В основе изобретения лежал открытый им эффект изменения вязкости суспензий частиц в диэлектрических жидкостях при наложении электрического поля. Вязкость суспензий изменялась пропорционально напряженности поля очень быстро — в течение миллисекунд. Переход из состояния текучести к вязкопластическому сопровождался значительным ростом механических свойств материала, таких как предел текучести и напряжение сдвига, при очень незначительных затратах электрической мощности.

Теоретический и практический интерес к этому эффекту, названному электрореологическим, и к жидкостям, названным электрореологическими, не угасает уже 70 лет. За эти годы было установлено, что величина эффекта сильно зависит от типа материала-наполнителя, от используемой диэлектрической жидкости, а также от разнообразных добавок-модификаторов. Учеными всего мира были исследованы самые разнообразные материалы в качестве компонентов электрореологических жидкостей.

От муки до наноматериалов

На начальном этапе в состав электрореологических жидкостей вводили природные соединения: пористые и слоистые алюмосиликаты типа цеолитов и глин, полисахариды — крахмал и муку и т. д. Впоследствии были апробированы и более экзотические материалы — фуллерены, высокотемпературные сверхпроводники, полупроводниковые полимеры. Однако механические характеристики электрореологических жидкостей были недостаточными для их практического применения.

Только в 2003 году был совершен прорыв в области создания электрореологических жидкостей и устройств на их основе. Уникальные свойства проявили наночастицы оксалатотитанила бария, покрытые слоем легко поляризуемых молекул мочевины. Суспензия, содержавшая 30% таких частиц в силиконовом масле, в электрическом поле теряла текучесть и фактически приобретала свойства твердого тела. Но такая электрореологическая жидкость имеет относительно медленную скорость электрореологического отклика и обладает высокой коррозионной активностью.

Струя "умной жидкости" с абразивными наполнителями и регулируемой вязкостью может быть рабочим телом при сверлении отверстий в алмазах

В последующие годы появилось значительное число новых наноматериалов, использованных в качестве наполнителей электрореологических жидкостей, показавших высокую эффективность. В частности, нашей группой при выполнении исследований по гранту Российского научного фонда было впервые обнаружено, что одним из таких наполнителей может стать наноразмерный диоксид церия, сравнительно недорогой материал, широко применяемый в современной промышленности в составе полирующих смесей, катализаторов.

Полученные нами суспензии с содержанием 60 масс.% диоксида церия обладали исключительно высокой стабильностью. При этом значения напряжений сдвига для них достигали в три-четыре раза больших значений, чем для электрореологических жидкостей на основе традиционно используемого диоксида титана с добавками поверхностно-активных веществ (для тех же напряженностей электрического поля и концентрации наполнителя) и примерно в 40 раз больших значений, чем для электрореологических жидкостей на основе немодифицированного диоксида титана.

Управление отдачей

Сравнительный анализ седиментационных (скорость оседания частиц), диэлектрических и электрореологических характеристик полученных нами материалов позволил выявить ряд составов, представляющих непосредственный практический интерес.

Во-первых, это высококонцентрированные суспензии (60 масс.%) нанокристаллического диоксида церия в полидиметилсилоксане ПМС-20. Для них характерны высокая седиментационная устойчивость и значительная величина электрореологического эффекта (предел текучести 20 кПа при напряженности электрического поля 5 кВ/мм). Во-вторых, суспензии нанокомпозитов CeO2-TiO2 (40 масс.%) в полидиметилсилоксане ПМС-20, обладающие наибольшей чувствительностью к напряженности электрического поля в процессе растяжения и сжатия при электрореологических испытаниях. Значение предела текучести для данной системы, определенное при напряженности поля 5 кВ/мм, составило 14 кПа.

Эти результаты открывают новые перспективы для создания электроуправляемых реологических систем гашения динамических нагрузок в военной технике, например, при создании платформ для запуска ракет, снижения отдачи орудий и снайперских винтовок высокой мощности. Электрореологические жидкости можно использовать для щадящего закрепления нежестких деталей при их механической обработке, при полировке сложнопрофильных деталей, а также при создании тактильных датчиков для роботов, тактильных силовых дисплеев, силовых джойстиков с обратной связью. И многих других устройств, где требуется автоматически регулировать приложенные силы.

Александр Агафонов, доктор химических наук, ИХР РАН, Иваново; Владимир Иванов, член-корреспондент РАН, ИОНХ РАН, Москва