Fluidi intelligenti: definizione e applicazioni – Parte I

Articolo a cura di Vincenzo PEPE

Ad oggi si conoscono vari tipi di fluidi intelligenti, ma particolare attenzione è riservata a quelli elettro-reologici (ER) e magneto-reologici (MR). Un fluido intelligente è una sospensione di particelle micrometriche in un liquido vettore dielettrico. Questi due tipi di fluidi hanno in comune il vettore dielettrico liquido, generalmente olio di silicone. La differenza sta nelle particelle sospese e nel tipo di campo applicato al fluido per renderlo “intelligente”.

ER ed MR appartengono alla categoria dei fluidi controllabili poiché riescono a variare in modo semplice e rapido la loro reologia. Ciò dipende dall’intensità del campo, elettrico per ER e magnetico per MR, al quale sono sottoposti. In assenza di un campo, i fluidi si comportano come liquidi con viscosità paragonabile a quella di un olio. Invece, in presenza di un campo, assumono l’aspetto di solidi gelatinosi perché aumenta la resistenza al flusso.

Fluidi ER

I fluidi ER sono costituiti da particelle semiconduttive, di forma approssimativamente sferica e con un diametro compreso nell’intervallo 5-50 mm. L’effetto ER è realizzato racchiudendo il fluido tra elettrodi posizionati ad una distanza di 0.5-2 mm e applicando quindi un campo elettrico di intensità fino a 4 kV·mm^-1. Questa applicazione induce una polarizzazione delle particelle che progressivamente si dispongono in strutture a catena (figura in basso). La formazione di tali strutture induce nei fluidi ER lo sviluppo di una significativa resistenza al flusso. L’aumento è istantaneo ed è reversibile poiché si annulla rimuovendo il campo elettrico.

Fluidi MR

I fluidi MR, invece, sono costituiti da particelle magnetiche di diametro minore rispetto a quello delle particelle ER, compreso nell’intervallo 0.1-10 mm. Il meccanismo di aumento della resistenza al flusso è lo stesso dei fluidi ER ma l’effetto MR deriva dall’applicazione di un campo magnetico con intensità di circa 1 Tesla. Un buon fluido MR è costituito da particelle con un elevato valore della massima magnetizzazione. Le migliori particelle disponibili sono in lega di ferro e cobalto (con una magnetizzazione massima di circa 2.4 T). Il loro costo è però eccessivo mentre utilizzando particelle di ferro (la cui magnetizzazione massima è di circa 2.15 T) il costo è inferiore.

Modello macroscopico dei fluidi intelligenti

Il comportamento di tali fluidi può essere studiato approssimativamente utilizzando il modello di Bingham. Come risulta dalla figura che segue, infatti, quando il campo applicato è nullo, i fluidi assumono un comportamento newtoniano. Esiste cioè una relazione lineare tra shear stress e shear rate. Il coefficiente di proporzionalità, che in tal caso è la viscosità, resta costante. Invece, quando è applicato il campo, la formazione delle strutture a catena induce i fluidi a sviluppare lo sforzo di soglia (o yield stress) τ_b. Per valori di shear stress minori dello yield stress non si ha scorrimento e il fluido MR si comporta come un solido. In caso contrario il fluido comincia a muoversi.

I fluidi ER hanno un valore massimo di yield stress compreso tra 3 e 5 kPa e operano a temperature comprese tra 15 e 90°C. I fluidi MR, invece, hanno un limite di sforzo di soglia di 100 kPa e operano a temperature comprese tra -40 e 150°C.

Inoltre, mentre i fluidi ER richiedono una sorgente elettrica di circa 10 kV per eccitare il fluido, i fluidi MR ne richiedono una di 12 V. Risulta evidente che i fluidi MR sono quelli più utilizzati per le applicazioni commerciali.

Segue la seconda parte con le possibili applicazioni in un prossimo futuro.