Đo điện áp V ta có thể xác định được thônglượng ánh sáng F.Hiệu ứng áp điện: Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện như thạch anh chẳng hạn khi bị biến dạng dước tác động của lực
Tổng quan về cảm biến
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý và phi điện thành các tín hiệu điện có thể đo và xử lý Các đại lượng cần đo, như nhiệt độ và áp suất, tác động lên cảm biến, tạo ra một đặc trưng điện, bao gồm điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng Đặc trưng này chứa thông tin quan trọng để xác định giá trị của đại lượng đo, được biểu diễn bằng hàm số: $$s = F(m) \quad (1.1)$$
Trong lĩnh vực cảm biến, đại lượng đầu ra (s) phản ánh phản ứng của cảm biến, trong khi đại lượng đầu vào (m) là kích thích từ đại lượng cần đo Việc đo đạc đại lượng đầu ra (s) giúp xác định giá trị của đại lượng đầu vào (m).
Cảm biến có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên các đặc trưng phân loại Chúng được phân chia theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích, cũng như theo dạng kích thích.
Bảng 1.1: Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng-kích thích
Nhiệt điện Quang điện Quang từ Điện từ Quang đàn hồi
Hoá học Biến đổi hoá học
Biến đổi điện hoá Phân tích phổ Sinh học
Biến đổi sinh hoá Biến đổi vật lý Hiệu ứng trên cơ thể sống
Cảm biến được phân loại theo dạng kích thích, bao gồm các loại như âm thanh với biên pha, phân cực, phổ và tốc độ truyền sóng; điện với điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp và điện trường.
(biên, pha, phân cực,phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi
Từ trường bao gồm các yếu tố như biên, pha, phân cực và phổ, trong khi từ thông và cường độ từ trường liên quan đến độ từ thẩm Về quang học, các khái niệm như biên, pha, phân cực và phổ cũng rất quan trọng, cùng với tốc độ truyền ánh sáng Hệ số phát xạ, khúc xạ, hệ số hấp thụ và hệ số bức xạ là những yếu tố cần xem xét để hiểu rõ hơn về tính chất của ánh sáng.
Cơ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng-
Mô men - Khối lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớt Nhiệt - Nhiệt độ - Thông lượng - Nhiệt dung, tỉ nhiệt
Bức xạ - Kiểu - Năng lượng - Cường độ
Chuẩn cảm biến là quá trình xác định mối quan hệ giữa giá trị đo được $s$ ở đầu ra và giá trị thực $m$ của đại lượng đo, đồng thời xem xét các yếu tố ảnh hưởng Mục tiêu là xây dựng đường cong chuẩn một cách rõ ràng, thông qua đồ thị hoặc biểu thức đại số Trong quá trình này, các giá trị chính xác của $m$ được sử dụng để đo giá trị tương ứng $s$, từ đó tạo ra đường cong chuẩn.
Độ nhạy của cảm biến tuyến tính được thể hiện qua mối liên hệ giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm, được mô tả bằng công thức Δs = S.Δm (1.2), trong đó đại lượng S được xác định bởi biểu thức cụ thể.
∆ m ( 1.3) được gọi là độ nhạy của cảm biến.
Trong trường hợp tổng quát, độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị mi.
Để đạt được độ chính xác cao trong phép đo, cần thiết kế và sử dụng cảm biến sao cho độ nhạy $S$ không thay đổi nhiều, tức là ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố vật lý khác trong môi trường Thông thường, nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy $S$ dựa trên các điều kiện làm việc nhất định Đường chuẩn của cảm biến được xây dựng dựa trên việc đo các giá trị $s_i$ ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi $m_i$ của đại lượng đo khi đạt đến chế độ làm việc danh định, được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến Một điểm $Q_i (m_i, s_i)$ trên đặc trưng tĩnh xác định điểm làm việc của cảm biến trong chế độ tĩnh.
Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S được xác định theo công thức (1.3) là độ đốc của đặc trưng tĩnh tại điểm làm việc cụ thể Nếu đặc trưng tĩnh không tuyến tính, độ nhạy sẽ phụ thuộc vào điểm làm việc Tỷ số chuyển đổi tĩnh, ký hiệu là r i, được tính bằng tỷ số giữa giá trị s i ở đầu ra và giá trị m i ở đầu vào, được thể hiện qua công thức: $$r i = \frac{m s i}{Q i} \quad (1.5)$$
Tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc tọa độ Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian.
Cảm biến tuyến tính trong một dải đo xác định khi độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính thể hiện sự không phụ thuộc của độ nhạy vào giá trị đại lượng đo, với các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến Hoạt động của cảm biến được coi là tuyến tính khi đại lượng đo nằm trong vùng này Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy tĩnh S(0) và các thông số như tần số riêng f 0 và hệ số tắt dần Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta sử dụng thiết bị hiệu chỉnh trong mạch đo để đảm bảo tín hiệu điện đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo, quá trình này được gọi là tuyến tính hoá.
Các bộ cảm biến và dụng cụ đo lường không chỉ đo đại lượng cần thiết mà còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố vật lý khác, dẫn đến sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực Độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực được ký hiệu là Δx, trong khi sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng công thức: $$\delta = \frac{\Delta x}{x} \cdot 100 \, [\%] \, (1.6)$$
Sai số của bộ cảm biến là ước tính vì không thể xác định chính xác giá trị thực của đại lượng đo Trong quá trình đánh giá sai số cảm biến, người ta phân loại thành hai loại chính: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
Sai số hệ thống là loại sai số không phụ thuộc vào số lần đo, với giá trị ổn định hoặc thay đổi chậm theo thời gian, tạo ra một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được Nguyên nhân chính của sai số hệ thống thường là do thiếu hiểu biết về hệ đo hoặc điều kiện sử dụng không tốt Độ nhanh của cảm biến phản ánh khả năng theo kịp biến đổi của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào thay đổi, trong khi thời gian hồi đáp xác định khoảng thời gian cần thiết để đạt được độ chính xác mong muốn sau khi có sự biến thiên Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và phụ thuộc vào các thông số thời gian liên quan.
Nguyên lý chung cảm biến
Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được phân làm hai loạ i:
- Cảm biến tích cực: là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tíc h, điện áp hay dòng.
- Cảm biến thụ động: là các cảm biến hoạt động như một trở kháng trong đó đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung.
Cảm biến tích cực chuyển đổi các dạng năng lượng như nhiệt, cơ hoặc bức xạ thành năng lượng điện thông qua các hiệu ứng vật lý Bài viết này sẽ mô tả khái quát về ứng dụng của một số hiệu ứng vật lý trong quá trình chế tạo cảm biến.
Hiệu ứng nhiệt điện xảy ra khi hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại thành một mạch điện kín Nếu nhiệt độ tại hai mối hàn T1 và T2 khác nhau, sẽ xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) trong mạch, mà độ lớn của nó phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2.
Hình 1.1: Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện
Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 0 0 C
Hiệu ứng hoả điện xảy ra ở một số tinh thể, như tinh thể sulfate triglycine, khi chúng có tính phân cực điện tự phát Độ phân cực này thay đổi theo nhiệt độ, dẫn đến sự xuất hiện điện tích trái dấu trên các mặt đối diện của tinh thể Độ lớn điện áp giữa hai mặt của tinh thể hoả điện phụ thuộc vào mức độ phân cực của chúng.
Hình 1.2: Ứng dụng hiệu ứng hoả điện
Hiệu ứng hoả điện được sử dụng để đo thông lượng bức xạ ánh sáng Khi chiếu ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ và thay đổi phân cực điện Bằng cách đo điện áp V, chúng ta có thể xác định thông lượng ánh sáng F.
Hiệu ứng áp điện xảy ra khi các vật liệu như thạch anh bị biến dạng dưới tác động của lực cơ học, dẫn đến sự xuất hiện của điện tích trái dấu trên các mặt đối diện của vật liệu Các vật liệu này được gọi là vật liệu áp điện.
V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F.
Hiệu ứng cảm ứng điện từ xảy ra khi dây dẫn di chuyển trong từ trường không đổi, tạo ra suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây theo thời gian, tức là tỷ lệ với tốc độ di chuyển Tương tự, khi khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên, suất điện động cũng xuất hiện tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây.
Hình 1.4: ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ
Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng.
Hiệu ứng quang điện, hay còn gọi là hiệu ứng quang dẫn, là hiện tượng giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu, thường là bán dẫn, khi tiếp xúc với bức xạ ánh sáng hoặc bức xạ điện từ có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định.
Hiệu ứng quang phát xạ điện tử, hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài, là hiện tượng mà các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu, tạo thành dòng điện có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.
Khi một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng tác động lên vật liệu bán dẫn, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế vuông góc với cả từ trường và hướng bức xạ.
Hình 1.5: ứng dụng hiệu ứng quang - điện - từ
Hiệu ứng Hall xảy ra khi một tấm mỏng vật liệu, thường là bán dẫn, có dòng điện I chạy qua, được đặt trong một từ trường B tạo với dòng điện một góc θ Kết quả là xuất hiện một hiệu điện thế V_H theo hướng vuông góc với cả B và I Biểu thức mô tả hiệu điện thế này được xác định bởi mối quan hệ giữa các yếu tố trên.
Trong đó K H là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu
Hình 1.6: Ứng dụng hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall được sử dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động liên kết với thanh nam châm Vị trí của thanh nam châm xác định giá trị từ trường B và góc, ảnh hưởng đến tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian Do đó, hiệu điện thế V_H đo được giữa hai cạnh của tấm bán dẫn phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian.
Cảm biến thụ động được chế tạo từ một trở kháng nhạy với đại lượng cần đo, với giá trị phụ thuộc vào kích thước hình học và tính chất điện của vật liệu như điện trở suất ρ, độ từ thẩm μ và hằng số điện môi ε Do đó, tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc cả hai yếu tố này.
Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng trong cảm biến xảy ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc biến dạng Mỗi vị trí của phần tử động tương ứng với một giá trị trở kháng xác định, cho phép xác định vị trí của đối tượng Đối với cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng dưới tác động của lực gây ra sự thay đổi trở kháng, liên quan đến đại lượng cần đo Do đó, việc xác định trở kháng giúp chúng ta nhận biết được đại lượng cần đo.
Cảm biến đo lực
Xác định ứng lực cơ học tác động lên cấu trúc trong các điều kiện cụ thể là yếu tố quan trọng để đánh giá độ an toàn của máy móc và thiết bị Theo định luật cơ bản của động lực học, lực được xác định thông qua một biểu thức cụ thể.
M - khối lượng của vật (kg). a - gia tốc của vật ( m / s 2 )
Theo công thức (1.8), khi một lực có cường độ F(N) tác động vào một vật có khối lượng
M (kg) gây ra gia tốc a (m/s²) Nguyên tắc đo lực là cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng, đảm bảo tổng lực và momen bằng không Các cảm biến đo lực sử dụng một vật trung gian chịu tác động của lực, dẫn đến biến dạng Biến dạng này tạo ra lực đối kháng, và trong giới hạn đàn hồi, biến dạng tỉ lệ với lực đối kháng.
Biến dạng và lực gây ra biến dạng có thể được đo trực tiếp bằng cảm biến biến dạng hoặc gián tiếp thông qua các tính chất điện của vật liệu Ngoài ra, một lực cũng có thể được xác định bằng cách cân bằng với một lực đã biết Công thức xác định trọng lực của một vật trong trọng trường trái đất là một phương pháp quan trọng trong việc đo lường này.
Trong môi trường có trọng lực g biết trước, việc xác định trọng lực của vật có khối lượng M là khả thi Ngược lại, khi sử dụng vật có khối lượng đã biết, ta có thể xác định một lực cụ thể Đây chính là nguyên tắc của cảm biến sử dụng máy đo với khối lượng treo Bài viết này sẽ nghiên cứu các loại cảm biến đo lực phổ biến, bao gồm cảm biến áp điện, cảm biến từ giảo, cảm biến dựa trên phép đo dịch chuyển và cảm biến xúc giác.
Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, với cấu trúc tương tự một tụ điện Phần tử cơ bản được chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt của phiến vật liệu áp điện mỏng Thạch anh là vật liệu phổ biến do tính ổn định và độ cứng cao, nhưng gốm PZT hiện nay cũng được ưa chuộng nhờ độ bền, độ nhạy cao, điện dung lớn và chi phí sản xuất thấp Khi chịu tác động của lực cơ học, tấm áp điện biến dạng, tạo ra điện tích trái dấu trên hai bản cực, với hiệu điện thế tỷ lệ thuận với lực tác dụng.
Hình 1.7: Các dạng biến dạng cơ bản: a) Theo chiều dọc b) Theo chiều ngang c) Cắt theo bề dày d) Cắt theo bề mặt
Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghép nối tiếp hoặc song song.
Khi ghép các phần tử áp điện, có hai phương pháp chính: ghép song song và ghép nối tiếp Trong trường hợp ghép song song (hình 1.8a), điện dung của cảm biến sẽ tăng gấp đôi so với khi chỉ sử dụng một bản áp điện Ngược lại, khi ghép nối tiếp (hình 1.8b), điện áp hở mạch và trở kháng tăng gấp đôi, nhưng điện dung lại giảm xuống còn một nửa Các nguyên tắc này cũng áp dụng cho việc ghép nhiều bản áp điện, như thể hiện trong hình 1.8c.
Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm, như mô tả trong hình 1.9, được cấu tạo từ các phiến cắt hình vòng đệm được ghép lại với nhau Chúng có đặc tính nhạy cảm với lực nén tác động dọc theo trục.
Cảm biến vòng đệm thạch anh bao gồm các thành phần chính như các vòng đệm, các tấm đế và đầu nối dây Giới hạn đo của cảm biến phụ thuộc vào diện tích bề mặt của các vòng đệm, với khả năng đo lực từ vài kN (đường kính ~ 1 cm) đến 103 kN (đường kính ~ 10 cm) Cảm biến này cũng có thể được sử dụng để đo lực kéo thông qua việc tạo lực nén đặt trước, mặc dù độ nhạy sẽ giảm 5 - 10% Đối với cảm biến thạch anh nhiều thành phần, các vòng đệm được cắt theo hướng khác nhau, giúp chúng chỉ nhạy với một hướng xác định của lực.
Cảm biến thạch anh nhiều thành phần, như hình 1.10, bao gồm các ký hiệu trục và các phiến cắt đặc biệt Thạch anh có năm hệ số điện áp d11, d12, d14, d25, d26 Vòng đệm cắt theo phương trục X nhạy với lực nén nhờ có d11, trong khi các lực ký sinh tác động bên cạnh không gây hiệu ứng Tương tự, vòng đệm cắt theo phương Y nhạy với lực cắt theo bề dày với hệ số d26, và có thể loại trừ hiệu ứng của các ứng lực liên quan đến d25 thông qua lắp ghép hợp lý.
Dưới tác động của từ trường, các vật liệu sắt từ có thể thay đổi tính chất hình học và cơ học, cụ thể là hệ số Young, hiện tượng này được gọi là hiệu ứng từ giảo Khi lực cơ học tác động lên vật liệu sắt từ, ứng lực sinh ra sẽ làm thay đổi đường cong từ hoá, từ đó cho phép xác định độ lớn của lực tác dụng thông qua sự thay đổi của độ từ thẩm hoặc từ dư Đây chính là hiệu ứng từ giảo nghịch.
Cơ chế từ hoá trong vật liệu sắt từ liên quan đến mômen từ của từng nguyên tử Để giảm năng lượng tổng cộng, các mômen từ trong cùng một miền từ hoá phải hướng theo một hướng chung, được gọi là hướng dễ từ hoá Hướng này phụ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể, trong khi các mômen từ trong các miền cạnh nhau không cùng hướng.
Khi từ trường ngoài H tác động, sự định hướng của mô men từ trong một domen theo hướng chung tăng dần Ở mức H nhỏ, các vách domen từ dịch chuyển, làm cho kích thước của các domen từ có hướng từ hoá thuận lợi tăng lên Khi từ trường ngoài tăng đến một mức nhất định, các domen sẽ đảo hướng theo từ trường ngoài Khi từ trường đủ mạnh, nó sẽ làm quay hướng dễ từ hoá của các domen theo hướng từ trường, dẫn đến hiện tượng bảo hoà.
Hiện tượng từ trễ xảy ra khi sau lần từ hoá đầu tiên đến trạng thái bão hòa (H = Hm), nếu giữ nguyên phương từ trường và thực hiện chu trình khép kín (Hm, 0, -Hm, 0), ta thu được đường cong từ hoá, được gọi là đường cong từ trễ Độ từ dư Br trong hiện tượng này là kháng từ Hc.
Hình 1.11 : Đường cong từ hoá a) Từ hoá lần đầu b) Chu trình từ trễ
Khi vật liệu sắt từ chịu ứng lực, kích thước mạng tinh thể và các hướng dễ từ hoá sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đổi trong định hướng của các domen Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng từ giảo nghịch Hình 1.11 minh họa ảnh hưởng của ứng lực đến đường cong từ hoá của permalloy 68.
Hình 1.12: Sự biến dạng của đường cong từ hoá dưới tác dụng của lực kéo
Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển hoạt động bằng cách ghi nhận sự thay đổi kích thước Δl của vật trung gian khi lực tác dụng lên nó Sự thay đổi này được đo bằng một cảm biến dịch chuyển, và tín hiệu ra Vm cùng với lực tác dụng được thể hiện qua một biểu thức cụ thể.
- Vm/Δl gọi là tỉ số truyền đạt của cảm biến.
- Δl/F gọi là độ mềm của vật trung gian.
Tổng quan về vật liệu MRE
Vật liệu từ biến MR (Magnetorheological material) là loại vật liệu đặc biệt có khả năng thay đổi tính chất vật lý khi có tác động của trường từ Cấu trúc cơ bản của MR bao gồm các hạt sắt từ siêu nhỏ, thường chỉ vài micromet, được làm từ kim loại như sắt, nickel, hoặc cobalt, phân tán trong ma trận chất lỏng hoặc cao su đàn hồi Một trong những đặc điểm quan trọng của MR là khả năng thay đổi cấu trúc và tính chất dưới tác động của lực từ, nhờ vào độ từ thẩm cao của các hạt sắt từ, cho phép chúng tương tác mạnh với từ trường khi được áp dụng Ma trận các hạt sắt là yếu tố thiết yếu trong cấu trúc của MR.
Ma trận này cho phép nó thay đổi hình dạng và cấu trúc dưới tác động của lực từ.
Nghiên cứu này tập trung vào sự thay đổi trở kháng trong vật liệu lưu biết từ đàn hồi (MRE), với các tính chất bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như kích thước, hình học và tỷ lệ khối lượng của các hạt sắt Tỷ lệ khối lượng hạt sắt có ảnh hưởng lớn nhất đến tính cứng hoặc mềm của MRE, với việc tăng tỷ lệ này làm tăng độ cứng dưới tác động của lực từ Việc điều chỉnh tỷ lệ khối lượng cho phép MREs đáp ứng các yêu cầu cụ thể của ứng dụng, ảnh hưởng đến tính đàn hồi, độ nhớt và khả năng đáp ứng với lực từ Trong MRE không đồng nhất, tỷ lệ khối lượng cũng ảnh hưởng đến cấu trúc chuỗi hạt sắt, tạo ra những đặc điểm như độ nhạy với lực từ và tính ổn định Hiệu suất và khả năng ứng dụng của MREs, đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô, phụ thuộc vào tỷ lệ khối lượng này, giúp cải thiện khả năng điều chỉnh và đáp ứng của hệ thống giảm sóc.
Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng các tính chất cơ học của vật liệu MRE rất hiệu quả khi các hạt sắt hoàn toàn bị từ hóa, với khoảng cách giữa các hạt và khuyết điểm trong chuỗi hạt cũng ảnh hưởng đến tính chất này Tỷ lệ khối lượng của hạt lớn là mong muốn để tăng cường độ nhạy với từ trường, nhưng mật độ hạt không nên quá cao để tránh dính kết Nồng độ hạt từ trường cần đạt tối thiểu 20% theo thể tích để hình thành chuỗi và tập hợp cá thể, với tỷ lệ hiệu quả từ 27% đến 40% tùy thuộc vào vật liệu cơ bản và đường kính hạt Đặc tính cơ học của MREs được cải thiện khi các hạt sắt có độ từ thẩm cao, nhờ vào sự tương tác mạnh mẽ giữa chúng trong môi trường từ trường Khoảng cách giữa các hạt cũng ảnh hưởng đến tính cơ học, với tỷ lệ khối lượng cao tạo điều kiện cho tương tác mạnh hơn Độ đàn hồi động của MRE phụ thuộc vào tần số và được đặc trưng bởi độ đàn hồi và độ tiêu hao, với hệ số tiêu hao đo lường khả năng tiêu hao năng lượng MREs phản ứng với cường độ từ trường bằng cách thay đổi tính chất cơ học và độ nhớt, trong đó mật độ dòng từ trường và hiện tượng từ trễ là những yếu tố quan trọng trong đánh giá hiệu suất của chúng Tính cứng của MREs phụ thuộc vào mật độ dòng từ trường áp dụng, với cường độ từ trường ảnh hưởng đến cả tính chất cơ học và độ nhớt.
Tại mật độ từ thông thấp, vật liệu có khả năng đáp ứng điện từ (MREs) thường mềm và dễ uốn cong Tuy nhiên, khi mật độ từ thông tăng cao, MREs trở nên cứng và ít biến dạng hơn, cho thấy sự thay đổi rõ rệt trong tính chất của chúng Ở tần số nhất định, hiện tượng từ trễ của MREs trở nên phi tuyến và gia tăng đáng kể khi mật độ từ thông tăng Hiện tượng này xuất hiện do ma sát trong MREs khi chúng thay đổi khả năng phản ứng với từ trường Để mô tả hiện tượng từ trễ, nhiều mô hình toán học như mô hình ma sát Bingham, mô hình ma sát Dahn, mô hình Bouc-Wen và mô hình ma sát Coulomb mượt đã được phát triển, giúp mô phỏng và dự đoán phản ứng của MREs trong các tình huống khác nhau, đồng thời làm cho hiện tượng hysteresis trở nên dễ hiểu hơn cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư.
Tính chất của vật liệu lưu biến phụ thuộc vào biên độ, cho thấy khả năng thay đổi tính chất dưới tác động của các biên độ khác nhau Độ đàn hồi của vật liệu, theo tính chất Fletcher-Gent hoặc Payne, có thể tăng hoặc giảm khi thay đổi biên độ Đặc biệt, tính chất của MRE còn chịu ảnh hưởng từ kích thước và tỷ lệ khối lượng của các hạt sắt, cùng với cấu trúc hạt trong MRE Hơn nữa, góc nghiêng của từ trường so với chuỗi hạt được cho là có tác động đáng kể đến độ cứng và hiện tượng từ trễ, điều này cần được làm sáng tỏ.
Các hạt sắt trong vật liệu lưu biến từ (MRE) tương tác dưới tác động của từ trường mạnh, dẫn đến việc từ hóa và phân cực hóa chúng Sự tương tác này cùng với lực từ trường làm thay đổi các tính chất của vật liệu, điều này đã được nhiều nghiên cứu chỉ ra nhằm cải thiện tính chất cơ học trong quá trình sản xuất Việc phân tích phân bố đường sức từ và cường độ từ trường trong MRE thông qua phần mềm FEMM đã cho thấy tầm quan trọng của từ thông đối với các hạt sắt Cấu trúc và phân bố của các hạt sắt ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của vật liệu Tuy nhiên, việc nghiên cứu mô hình MRE ở chế độ nén với các góc nghiêng khác nhau vẫn chưa được quan tâm nhiều Một mô hình từ trường cho MRE không đồng nhất đã được phát triển, cho thấy khoảng cách và góc nghiêng giữa các hạt sắt có ảnh hưởng lớn đến cường độ dòng từ trường và lực tương tác Nghiên cứu về tác động của từ trường lên các hạt trong MRE vẫn là một thách thức lớn, thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học.
Các ứng dụng vật liệu MRE trong lĩnh vực cảm biến
Vật liệu lưu biến từ (MRE) có tiềm năng lớn trong ứng dụng cảm biến nhờ khả năng thay đổi tính chất cơ học một cách thuận nghịch dưới tác động của từ trường bên ngoài Trong lĩnh vực công nghệ cảm biến, MRE được sử dụng làm thành phần chính trong nhiều loại cảm biến để đo lường các thông số cơ, từ và môi trường.
Cảm biến biến dạng dựa trên MRE sử dụng sự thay đổi về độ cứng và độ giảm chấn của vật liệu để phản ứng với biến dạng cơ học Khi MRE được nhúng vào các cấu trúc chịu biến dạng, các biến thể trong biến dạng ứng dụng có thể được phát hiện thông qua sự thay đổi tính chất cơ học Điều này cho phép phát triển cảm biến biến dạng với độ nhạy cao và khả năng thích ứng tốt cho các ứng dụng giám sát sức khỏe kết cấu và thử nghiệm vật liệu.
Cảm biến áp suất sử dụng MRE để điều chế độ nén và độ cứng của vật liệu dưới áp suất, cho phép phát hiện và đo lường chính xác các biến thể về mức áp suất Những cảm biến này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như kỹ thuật ô tô, hàng không vũ trụ và thiết bị y sinh.
Cảm biến xúc giác dựa trên MRE được thiết kế để đo áp suất tiếp xúc và phân bổ lực, cho phép phát hiện những thay đổi tinh tế trong áp suất trên bề mặt vật liệu Việc kết hợp MRE vào lớp cảm biến của mảng xúc giác giúp nâng cao khả năng phản hồi chạm và thao tác đối tượng, rất hữu ích trong các ứng dụng như robot, chân tay giả và giao diện người-máy.
Cảm biến từ trường MRE hoạt động dựa trên phản ứng của vật liệu với từ trường bên ngoài, cho phép theo dõi sự thay đổi về tính chất cơ học do biến đổi cường độ và hướng từ trường Nhờ đó, các cảm biến này có khả năng phát hiện và đo chính xác từ trường Chúng được ứng dụng trong hệ thống định vị, hệ thống bay từ trường và thiết bị chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI).
Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào sự thay đổi trở kháng của vật liệu MRE khi chịu tác động của ngoại lực Đầu tiên, vật liệu MRE đã được chế tạo, sau đó tiến hành tính toán trở kháng của nó Cuối cùng, một mô hình cảm biến lực đã được thử nghiệm.
Chế tạo vật liệu và phát triển thiết bị cảm biến lực
Vật liệu MRE
MRE được xem là chất tương tự rắn của MRF, bao gồm các hạt từ hóa trong môi trường polyme, với quy trình sản xuất tương tự như cao su thông thường Thành phần chính của MRE bao gồm hạt từ mềm, chất đàn hồi và chất phụ gia, và được phân loại thành hai loại: đẳng hướng và dị hướng, tùy thuộc vào điều kiện lưu hóa và sự tác động của từ trường Quy trình chế tạo MRE bao gồm ba bước: trộn, lưu hóa và căn chỉnh hạt từ dưới từ trường Trong đó, MRE đẳng hướng không cần từ trường, trong khi MRE dị hướng yêu cầu từ trường tác dụng Các hạt từ được phân tán trong dầu silicon và trộn với SR và chất xúc tác ở nhiệt độ phòng, với yêu cầu quy trình trộn cao để giảm lắng đọng Quá trình lưu hóa diễn ra trong vòng 12 giờ trong môi trường chân không để tránh xốp, và hỗn hợp đồng nhất được tiếp xúc với mật độ từ thông 7 mT cho các mẫu gia cố dị hướng Sau 20 phút lưu hóa, hỗn hợp đạt trạng thái bán rắn, giúp giảm thiểu sự lắng đọng hạt từ.
Hình 2.1 Sơ đồ các bước sản xuất của cả elastomer từ lưu biến đẳng hướng và dị hướng
(MRE) (khuấy, trộn và căn chỉnh có hoặc không có từ trường)
Cấu trúc vi mô của Graphitic-MRE (Elastomer từ lưu biến) bao gồm một ma trận elastomer chứa các hạt từ tính và chất độn graphite Elastomer, thường là cao su silicon, mang lại tính linh hoạt và đàn hồi cho vật liệu composite Các hạt sắt từ, làm bằng sắt hoặc niken, tương tác với từ trường bên ngoài, thay đổi các tính chất cơ học của vật liệu Chất độn graphite, ở dạng vảy hoặc sợi, tăng cường độ dẫn điện, tính chất nhiệt và độ bền cơ học Sự phân bố của các hạt này có thể đồng đều hoặc cấu trúc, tạo thành dạng chuỗi khi chịu tác động của từ trường trong quá trình đóng rắn Liên kết giữa ma trận và các hạt đóng vai trò quan trọng trong việc truyền ứng suất và đảm bảo tính toàn vẹn của vật liệu composite Dưới tác động của từ trường, các hạt từ tính thẳng hàng, tạo ra hành vi dị hướng và các tính chất có thể điều chỉnh Việc giảm thiểu độ xốp và lỗ rỗng trong cấu trúc vi mô là cần thiết để đạt được hiệu suất nhất quán, làm cho vật liệu trở nên đa năng cho các ứng dụng tiên tiến.
Các hạt từ mềm
MRE được chế tạo bằng cách thêm các hạt có độ từ thẩm cao vào vật liệu nhớt đàn hồi.
Các hạt từ được thêm vào elastomer MR đóng vai trò quan trọng trong hiệu ứng MR, với yêu cầu về độ từ hóa bão hòa cao, độ từ hóa dư thấp và lực hút giữa các hạt cao Hạt CI, được BASF phát hiện vào năm 1925, là hạt từ mềm phổ biến nhất trong vật liệu MR nhờ vào đặc tính độ từ hóa bão hòa cao và không có hiện tượng trễ từ Các hạt CI được phân loại thành hai nhóm dựa trên hình dạng: hình cầu và dạng vảy, với kích thước lần lượt là 1–7 μm và 5–50 μm Để cải thiện vấn đề lắng đọng trong MRF do sự khác biệt mật độ lớn giữa dầu và hạt CI, mật độ của chúng đã được giảm bằng cách phủ các vật liệu hữu cơ như poly(methyl methacrylate) (PMMA) và polyaniline Tuy nhiên, đối với MRE, vấn đề chính là khả năng tương thích giữa các hạt từ tính và ma trận đàn hồi, do hạt CI ưa nước trong khi ma trận đàn hồi thường kỵ nước, dẫn đến nhiều nghiên cứu nhằm tăng cường khả năng tương thích bề mặt.
Vật liệu đàn hồi
Cao su silicon (SR) khác biệt với các loại cao su hữu cơ khác nhờ vào sự kết hợp giữa tính chất hữu cơ và vô cơ do liên kết Si-O Những đặc tính nổi bật như khả năng chịu nhiệt, cách điện, chống mài mòn và độ ổn định hóa học của nó vượt trội hơn so với cao su hữu cơ thông thường Vì vậy, cao su silicon đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm chế biến thực phẩm và thiết bị y tế Với những ưu điểm vượt trội này, nó cũng được sử dụng làm ma trận cho MRE.
Polydimethylsiloxanes (PDMS) đã được sử dụng làm ma trận cho MRE nhờ tính trung hòa hóa học và độ ổn định cao, đồng thời có khả năng kết dính tốt với kim loại Cao su PDMS có ưu điểm là khả năng đóng rắn ở nhiệt độ thấp và nhanh chóng ở nhiệt độ cao, cùng với tiền chất có độ nhớt cắt thấp, giúp quá trình sản xuất MRE trở nên dễ dàng hơn Nghiên cứu về MRE dựa trên PDMS tập trung vào cơ chế chuyển động của các hạt từ tính dưới tác động của từ trường, đồng thời xem xét các hiệu ứng cơ học và tính chất MR của ma trận CI và PDMS trong MRE.
Cao su thiên nhiên (NR) là một polyme của isopren, được tạo ra từ mủ cao su của cây Hevea brasiliensis, với các đơn vị C5H8 có liên kết đôi NR có độ bền cao, khả năng chống chịu tốt và độ giãn dài lớn, nhưng nhạy cảm với nhiệt và oxy hóa Để cải thiện độ đàn hồi và độ bền, NR thường được lưu hóa với lưu huỳnh và các chất phụ gia khác, tạo ra mạng lưới ba chiều, giúp tăng hiệu suất cơ học Nghiên cứu của Chen và cộng sự cho thấy NR có tính chất cơ học vượt trội hơn so với cao su tổng hợp (SR), với mô đun cắt của MRE tăng khi hàm lượng CI tăng, nhưng độ bền kéo và độ bền xé góc lại giảm Các tác nhân phân tán thân thiện với môi trường như dầu naphthenic và dầu cọ epoxy hóa đã được khảo sát và cho thấy khả năng cải thiện các tính chất cơ học của MRE, nhờ vào việc tăng mật độ liên kết ngang của ma trận NR.
Chất đàn hồi Polyurethane (PU) có cấu trúc và tính chất tuyệt vời nhờ khả năng tổng hợp từ nhiều loại vật liệu khác nhau, dẫn đến ứng dụng rộng rãi trong giày dép, lốp xe, xây dựng, thể thao và điện Việc tổng hợp PU sử dụng diisocyanate, macrodiol và các chất kéo dài chuỗi để tạo ra đồng trùng hợp, với chuỗi macrodiol mang tính mềm và chuỗi diisocyanate cùng chất kéo dài chuỗi mang tính cứng Để đạt được đặc tính đàn hồi, đoạn mềm cần có nhiệt độ chuyển thủy tinh thấp hơn nhiệt độ sử dụng mong muốn, trong khi đoạn cứng cần có nhiệt độ chuyển thủy tinh hoặc nhiệt độ nóng chảy cao hơn Những đặc điểm này làm cho PU thu hút sự chú ý trong ứng dụng MRE, vì độ bền kéo, độ cứng, khả năng chống hóa chất và hệ số ma sát của elastomer PU có thể được điều chỉnh thông qua loại polyol và diisocyanate phù hợp với từng ứng dụng MRE đẳng hướng được sản xuất qua quy trình trùng ngưng một bước tại chỗ sử dụng CI làm hạt từ tính trong nền.
PU đã được sản xuất với cải tiến trong quá trình tách pha, áp dụng phương pháp nghiền bề mặt và nghiền bi để nâng cao khả năng phân tán của CI trong elastomer Vật liệu lai PU/cao su Si cho thấy hiệu ứng MR cao hơn so với cao su Si hoặc PU nguyên chất.
Etylen/acrylic elastomer (AEM) nổi bật với đặc tính nhiệt độ thấp tốt, khả năng chống nén và khả năng chống lại nhiệt, dầu và thời tiết, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho phớt và miếng đệm trong ngành công nghiệp ô tô Gần đây, AEM đã được ứng dụng trong ma trận đàn hồi của MRE dựa trên CI, với canxi cacbonat được sử dụng làm chất tương thích để nghiên cứu tác động của nó Với đặc điểm thế zeta dương, canxi cacbonat là chất tương thích lý tưởng cho MRE dựa trên AEM, giúp cải thiện độ bền cơ học và tương tác giao diện giữa các hạt CI và ma trận AEM Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của hàm lượng CI khác nhau lên MRE với ma trận AEM, đồng thời kiểm soát phản ứng giao diện qua các phương pháp sản xuất khác nhau Độ nhớt Mooney tương đối thấp của AEM tạo điều kiện cho việc phân tán các hạt CI tốt hơn so với các chất đàn hồi có độ nhớt cao như NR, từ đó so sánh hiệu ứng MR và các tính chất cơ học dựa trên sự khác biệt hàm lượng các hạt CI và phản ứng giao diện với ma trận.
Ubaidillahs et al [84] đã nghiên cứu về vật liệu đàn hồi từ cao su lốp xe thải (MRE) với trọng tâm là môi trường và tái chế Họ đã thành công trong việc xử lý cao su lốp xe thải thông qua quy trình thiêu kết áp suất cao nhiệt độ cao (HTHP), biến lốp xe thải thành cao su tái chế MRE được chế tạo bằng cách thực hiện quy trình thiêu kết HPHT ở 25 MPa và 200◦C trong một giờ, chứng minh khả năng biến lốp xe thải thành các sản phẩm tái chế có giá trị cao.
2.3.6 Cao su Monome Ethylene-Propylene-Dien
Cao su etylen propylen diene monome (EPDM) là một loại cao su tổng hợp phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cáp, ống mềm, lốp ô tô và nhiều sản phẩm khác nhờ vào khả năng chống oxy hóa và lão hóa tốt Mặc dù dễ xử lý và chi phí thấp hơn so với cao su tự nhiên (NR), EPDM lại có độ bền kéo và độ bền mỏi thấp hơn Để cải thiện tính chất của EPDM, muội than thường được sử dụng làm chất gia cường Nghiên cứu về tác động của các hạt từ tính và muội than lên vật liệu MRE dựa trên cao su EPDM cho thấy hạt CI tương thích tốt hơn với EPDM so với hạt BI, dựa trên các đặc tính cơ học và MR Thêm vào đó, việc chế tạo MRE bằng cách phân tán CI trong ma trận cao su EPDM đã chỉ ra rằng mức độ xốp của MRE có thể được kiểm soát thông qua chất tạo bọt, từ đó cải thiện độ dẻo dai và mở rộng ứng dụng của MRE trong các lĩnh vực khác.
2.3.7 Nhựa nhiệt dẻo đàn hồi
Các elastomer nhiệt dẻo (TPE) đã được giới thiệu như những lựa chọn thay thế cho cao su lưu hóa thông thường nhờ vào khả năng gia công dễ dàng ở nhiệt độ cao mà vẫn giữ được độ đàn hồi cao Lu et al [43] đã áp dụng đồng trùng hợp ba khối poly(styrene-ethylene-butylene-styrene) (SEBS) làm TPE để chế tạo MRE SEBS dựa trên CI, cho thấy rằng vật liệu composite đẳng hướng có mô đun lưu trữ lớn hơn so với ma trận SEBS ở nhiệt độ phòng Ngoài ra, vật liệu composite SEBS chế tạo dưới từ trường ở nhiệt độ cao đã cải thiện độ ổn định nhiệt và độ bền cơ học mà không làm giảm độ đàn hồi Hơn nữa, TPE gốc polyolefin cũng được xem như một quy trình đúc phun tiềm năng cho MRE, với nghiên cứu của Cvek et al [44] về MRE dựa trên TPE gốc propylene.
MR của MRE giảm hàng chục phần trăm trong mỗi chu kỳ xử lý Họ hy vọng rằng MRE gốc TPE đúc phun sẽ mở ra một hướng mới trong sản xuất vật liệu composite kỹ thuật thông minh nhờ vào khả năng dễ dàng được xử lý lại.
Bột Graphite
Graphite là một vật liệu carbon tự nhiên với cấu trúc tinh thể phẳng và màu đen, nổi bật với khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cao Nó hình thành từ quá trình biến đổi của cacbon dưới nhiệt độ và áp suất cao, có thể được khai thác từ đá graphite tự nhiên Trong hóa học, graphite đóng vai trò quan trọng nhờ khả năng tạo ra các liên kết carbon-carbon, tạo nên bề mặt lớn Điều này khiến graphite trở thành vật liệu chất lượng cao trong sản xuất bút chì, điện cực, vật liệu chống ma sát và các sản phẩm chịu nhiệt Với khả năng chịu nhiệt độ cao và tính bền vượt trội, graphite được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp luyện kim, sản xuất thép, và pin lithium-ion Tóm lại, graphite là vật liệu carbon quan trọng với nhiều tính chất đặc biệt, góp phần vào sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp.
Graphite là một vật liệu carbon tự nhiên nổi bật với cấu trúc tinh thể đặc biệt, được hình thành từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo mạng lưới ba chiều Mỗi nguyên tử carbon trong Graphite tạo ba liên kết sigma với các nguyên tử khác, hình thành các lớp graphene Các lớp này được cấu thành từ mạng lưới sáu góc, với liên kết sigma và pi giữa các nguyên tử carbon Graphite có khả năng dẫn điện trong mặt phẳng của các lớp graphene nhờ vào cấu trúc bề mặt mờ và liên kết Van der Waals giữa các lớp Tuy nhiên, nó không dẫn điện ở phương vuông góc với mặt phẳng này, cho thấy tính chất đặc biệt và đa dạng của Graphite.
1 Cấu trúc tinh thể: Graphite có cấu trúc tinh thể lớp, trong đó các lớp xếp chồng lên nhau theo hướng song song Cấu trúc này tạo ra một hệ thống liên kết mạnh giữa các nguyên tử carbon, tạo nên tính chất đặc trưng của Graphite.
2 Tính chất dẫn điện: Graphite là chất dẫn điện tốt Điều này bởi vì các nguyên tử carbon trong cấu trúc tinh thể của Graphite được sắp xếp thành các lớp mỏng và có khả năng di chuyển tự do Do đó, electron cũng có thể di chuyển dễ dàng trong cấu trúc Graphite, tạo ra tính chất dẫn điện.
3 Tỷ trọng: Graphite có tỷ trọng thấp, khoảng 2.2 - 2.3 g/cm3 Điều này làm cho Graphite nhẹ và có khả năng nổi trên nước Tỷ trọng thấp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc sử dụng Graphite trong nhiều ứng dụng khác nhau.
4 Độ cứng: Graphite có độ cứng tương đối thấp Điều này có nghĩa là Graphite dễ bị trầy xước và bị tác động bởi lực ngoại lớn Độ cứng của Graphite có thể tăng lên khi nhiệt độ tăng lên, tạo ra các dạng Graphite có tính chất đặc biệt Tóm lại, Graphite có các tính chất vật lý đặc trưng như cấu trúc tinh thể, tính chất dẫn điện, tỷ trọng thấp và độ cứng tương đối thấp Các tính chất này đóng vai trò quan trọng trong việc sử dụng Graphite trong nhiều ứng dụng khác nhau như trong ngành điện tử, công nghiệp và vật liệu xây dựng. Ứng dụng của tính chất Graphite: Phân tích các ứng dụng của tính chất Graphite trong các lĩnh vực như ngành điện tử, công nghiệp, và vật liệu Graphite, với các tính chất đặc biệt của
Tính chất vật liệu từ biến đàn hồi MRE
1 Ngành điện tử: Graphite được sử dụng làm chất dẫn điện trong các ứng dụng điện tử. Với khả năng dẫn điện tốt và khả năng chịu nhiệt cao, Graphite được sử dụng trong các bàn phím điện tử, điện cực, và các bộ phận khác của thiết bị điện tử.
2 Công nghiệp: Graphite được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất các sản phẩm chịu nhiệt, chịu lửa và chống ăn mòn Với tính chất chịu nhiệt và khả năng chống oxi hóa, Graphite được sử dụng trong các ứng dụng như lò nung, cốc chứa chất lỏng ăn mòn, và các bộ phận máy móc trong môi trường nhiệt độ cao.
3 Vật liệu xây dựng: Graphite được sử dụng trong ngành xây dựng để tạo ra các vật liệu cách nhiệt và chịu lửa Với tính chất chịu lửa và khả năng cách nhiệt tốt, Graphite được sử dụng trong các bức bình phong, vật liệu chống cháy, và các bộ phận xây dựng khác.
4 Các ứng dụng khác: Ngoài ra, Graphite còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như trong sản xuất chất bôi trơn, trong ngành sản xuất thép và nhôm, trong các ứng dụng y tế, và trong việc tạo ra các vật liệu composite Tóm lại, tính chất đặc biệt của Graphite đã tạo ra nhiều ứng dụng quan trọng trong ngành điện tử, công nghiệp, và vật liệu xây dựng Sự kết hợp giữa khả năng chịu nhiệt, dẫn điện và chống ăn mòn đã làm cho Graphite trở thành một nguyên liệu quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp.
2.4 Tính chất vật liệu từ biến đàn hồi MRE
Trong MRE, sự treo của các hạt từ tính và độ bám dính giữa các hạt CI với môi trường đóng vai trò quan trọng trong các tính chất của MRE Hình thái của MRE, bao gồm cả đẳng hướng và dị hướng, được quan sát qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) sau khi mẫu được ngâm trong nitơ lỏng và cắt vuông góc Quan sát này cho phép phân tích sự bám dính giữa các hạt từ tính cùng với trạng thái ma trận và sự phân tán của chúng Hình 2.2 trình bày ảnh SEM với bản đồ EDX của MRE dị hướng, cho thấy các hạt sắt cacbonyl phân tán ngẫu nhiên trong SR, trong khi các hạt CI được căn chỉnh trong môi trường đàn hồi, xác nhận tính chất dị hướng của MRE Những đặc điểm hình thái này có mối liên hệ chặt chẽ với các đặc tính cơ học và hiệu ứng MR của MRE, là yếu tố quan trọng cho các ứng dụng thực tiễn.
Khi lượng hạt từ trong MRE tăng lên, hiệu ứng MR cũng tăng, nhưng tính chất cơ học lại giảm Sự suy giảm này ảnh hưởng lớn đến ứng dụng công nghiệp của MRE, do đó việc đo các đặc tính cơ học là rất quan trọng Một phương pháp hiệu quả để đánh giá các đặc tính này là đo độ bền kéo của MRE.
Wu et al [39] đã nghiên cứu sự khác biệt giữa các đặc tính của CI xử lý bề mặt và CI chưa xử lý trên MRE nền PU Bảng 1 chỉ ra rằng độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt của vật liệu composite PU và PU-CI giảm khi hàm lượng CI tăng Đặc biệt, với hàm lượng CI 70%, MRE làm từ sắt cacbonyl đã xử lý bề mặt cho thấy độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt cao hơn so với MRE làm từ CI chưa xử lý Điều này chứng tỏ rằng việc xử lý bề mặt CI cải thiện ái lực giữa ma trận và các hạt từ tính, dẫn đến tính chất cơ học tốt hơn.
Tác động của biến dạng cấu trúc vi mô trong vật liệu composite đàn hồi, như được báo cáo bởi Payne, liên quan đến sự phá vỡ và tái tạo các liên kết vật lý yếu giữa các cụm chất độn lân cận Khi biên độ biến dạng tăng, khoảng cách giữa các hạt CI gia tăng và các liên kết giữa chất đàn hồi và hạt bị phá vỡ, dẫn đến sự giảm của G' Nếu cường độ liên kết giữa các hạt và ma trận mạnh, sự thay đổi của G' sẽ nhỏ; ngược lại, nếu cường độ liên kết yếu, sự thay đổi sẽ lớn hơn Hiệu ứng Payne do đó phản ánh cường độ liên kết giữa môi trường đàn hồi và các hạt chất độn, điều này đã được nhiều nhà nghiên cứu đánh giá trong các đặc tính của MRE thông qua hiệu ứng Payne ở cả MRE dị hướng và đẳng hướng.
2.5.4 Hệ số suy hao giảm chấn
Hệ số mất mát, hay hệ số giảm chấn, được định nghĩa là tan δ = G”/G’, thể hiện tỷ lệ giữa mô đun mất mát (G”) và mức độ tiêu tán năng lượng trong quá trình biến dạng của vật liệu, và được sử dụng để đo hiệu quả giảm chấn của MRE Sự tiêu tán năng lượng chủ yếu xảy ra tại giao diện giữa ma trận và các hạt, với độ bám dính giao diện cao hơn dẫn đến giảm hệ số mất mát Nghiên cứu của Hapipi et al [45] đã xem xét các loại MRE khác nhau, bao gồm MRE dạng tấm (MRE-P) và MRE dạng hình cầu (MRE-S), cho thấy rằng hệ số mất mát tăng theo tần số, với MRE-P có hệ số mất mát thấp hơn so với MRE-S Kết quả cho thấy rằng chuyển động tương đối giữa các hạt gia tăng do liên kết giao diện yếu, dẫn đến tiêu tán năng lượng lớn hơn, và tương tác giao diện mạnh mẽ giữa các hạt và môi trường làm giảm hệ số mất mát Điều này xác nhận rằng CI dạng tấm có liên kết giao diện mạnh hơn với ma trận so với hạt CI hình cầu.
2.5.5 Tính chất từ Đặc tính từ tính của các hạt CI của MRE đóng vai trò quan trọng trong các tính chất MR của chúng Việc biết thông tin từ hóa của các hạt từ cung cấp thông tin quan trọng để áp dụng các hạt từ vào MRE Nghiên cứu từ hóa này thu được dưới dạng các vòng trễ như một đồ thị về giá trị từ hóa so với cường độ từ trường Hình 6a cho thấy các đường cong từ hóa của các hạt CI nguyên sơ và các hạt được phủ PGMA trên bề mặt CI Vì các hạt CI là từ mềm nên chúng cho thấy các vòng trễ từ hẹp Đối với CI nguyên chất, từ hóa bão hòa lần lượt là 198 Am2/kg và CI/PGMA lần lượt là 153 Am2/kg, xác nhận rằng từ hóa bão hòa giảm đi do lớp phủ PGMA Hình 6b là đường cong từ hóa của các hạt CI được phủ poly(trimethylsilyloxyethyl methacrylate) (PHEMATMS) Đường cong này chỉ ra rằng giá trị từ hóa bão hòa giảm khi độ dày lớp phủ PHEMATMS tăng từ 11 nm lên 22 nm.
2.5.6 Đặc tính lưu biến Đặc tính lưu biến của MRE thường được mô tả thông qua hai thông số chính: mô-đun lưu biến động và hệ số suy giảm nội tại (damping ratio) Mô-đun lưu biến động bao gồm mô-đun lưu biến động nhớt (G'') và mô-đun lưu biến động đàn hồi (G'), cho thấy mức độ đàn hồi và độ nhớt của vật liệu dưới tác động của lực biến dạng Khi từ trường tăng, G' của MRE tăng mạnh do lực tương tác giữa các hạt từ trong ma trận đàn hồi tăng lên, giúp vật liệu trở nên cứng hơn Đồng thời, G'' cũng có thể tăng nhẹ hoặc giảm tùy thuộc vào cấu trúc và độ nhớt ban đầu của ma trận đàn hồi.
Tần số kích thích là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính lưu biến của MRE Khi tần số tăng, mô-đun lưu biến của MRE có thể làm tăng hoặc giảm độ nhớt, tùy thuộc vào thành phần polymer và nồng độ hạt sắt từ Đặc tính lưu biến này khiến MRE trở thành vật liệu lý tưởng cho việc chế tạo bộ giảm chấn chủ động hoặc bán chủ động trong ứng dụng điều khiển rung động.
Nhiệt độ và thành phần hóa học của MRE ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính lưu biến Khi nhiệt độ tăng, độ nhớt của ma trận polymer giảm, dẫn đến thay đổi trong đáp ứng lưu biến của vật liệu Sử dụng các loại hạt từ như Fe3O4 hoặc NdFeB giúp điều chỉnh đặc tính từ học và lưu biến, đáp ứng các yêu cầu ứng dụng cụ thể.
Nhờ vào các đặc tính lưu biến độc đáo, MRE được sử dụng phổ biến trong hệ thống kiểm soát rung động, bộ giảm chấn thông minh và các thiết bị điều chỉnh cơ học thích ứng với môi trường làm việc Hiện nay, các nghiên cứu đang tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần vật liệu, nâng cao độ bền cơ học và khả năng phản ứng nhanh của MRE nhằm mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau.
Ứng dụng vật liệu MRE
2.6.1 Ứng dụng bộ hấp thụ
Nhiều bộ hấp thụ rung động động thông thường (DVA) được sử dụng để giảm rung động cưỡng bức tại tần số cụ thể, nhưng chúng gặp khó khăn do băng thông tần số hẹp và thiếu khả năng thích ứng Để khắc phục nhược điểm này, một số giải pháp đã được đề xuất, bao gồm kiểm soát áp suất của lò xo khí, thay đổi số vòng lò xo hiệu dụng, điều chỉnh chiều dài của thanh mềm có ren, và giảm thiểu khoảng cách giữa hai lá lò xo Mặc dù có thể điều chỉnh tần số, nhưng các thách thức như trọng lượng nặng, tốc độ điều chỉnh chậm, kích thước lớn và mức tiêu thụ năng lượng cao vẫn tồn tại Ginder et al [46] đã thực hiện nghiên cứu tiên phong về phát triển bộ hấp thụ rung động MRE có khả năng điều khiển chủ động.
Bộ hấp thụ MRE được thiết kế để hoạt động ở chế độ cắt, với tần số điều chỉnh từ 55 đến 82 Hz Đồng thời, một khái niệm ATVA kết hợp với MRE nhằm giảm thiểu độ rung tự nhiên của hệ thống truyền động xe.
Hình 2.3 Bộ hấp thụ sử dụng MRE
2.4 Bộ cách ly sử dụng MRE
2.6.2 Ứng dụng bộ cách li
Vật liệu lưu biến từ đàn hồi (MRE) đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống giảm chấn cách ly để kiểm soát và giảm thiểu rung động trong các cấu trúc kỹ thuật, từ ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ đến các công trình xây dựng và thiết bị cơ điện tử Với khả năng thay đổi tính chất lưu biến dưới tác động của từ trường, MRE có thể điều chỉnh độ cứng và độ nhớt theo thời gian thực, từ đó tối ưu hóa hiệu quả giảm chấn trong các hệ thống cách ly dao động.
Trong ngành công nghiệp ô tô, bộ giảm chấn truyền thống không thể điều chỉnh tức thời theo điều kiện vận hành MRE mang lại lợi thế nhờ khả năng thay đổi độ cứng khi có từ trường, giúp điều chỉnh hệ thống treo theo địa hình hoặc tải trọng Các bộ giảm chấn sử dụng MRE tự động điều chỉnh để hấp thụ rung động trên địa hình gồ ghề, tăng sự thoải mái cho người lái và giảm hao mòn linh kiện Điều này đặc biệt hữu ích cho phương tiện địa hình, xe quân sự và xe đua, nơi yêu cầu hệ thống treo thích ứng nhanh với điều kiện đường xá thay đổi.
Các công trình xây dựng, đặc biệt là nhà cao tầng và cầu, thường chịu ảnh hưởng từ rung động do gió, động đất hoặc giao thông Bộ giảm chấn sử dụng MRE có thể được tích hợp vào hệ thống cách ly nền móng để hấp thụ và kiểm soát rung động hiệu quả Khi rung động mạnh xảy ra, hệ thống giảm chấn sẽ được kích hoạt bằng từ trường, điều chỉnh độ cứng của MRE nhằm tối ưu hóa khả năng hấp thụ năng lượng Điều này giúp bảo vệ kết cấu công trình, giảm thiểu thiệt hại và kéo dài tuổi thọ sử dụng.
Trong ngành hàng không vũ trụ, rung động và chấn động trong quá trình phóng, hạ cánh và vận hành có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến thiết bị điện tử và cấu trúc máy bay Bộ giảm chấn MRE được sử dụng để giảm thiểu rung động trong các hệ thống gắn kết linh kiện, từ đó nâng cao độ ổn định và kéo dài tuổi thọ của thiết bị trên tàu vũ trụ, vệ tinh và máy bay Thêm vào đó, khả năng điều chỉnh tức thời của MRE hỗ trợ các hệ thống cánh điều chỉnh khí động học và hệ thống hạ cánh trong các điều kiện phức tạp.
MRE không chỉ ứng dụng trong kỹ thuật mà còn có tiềm năng lớn trong thiết bị y sinh, như ghế ngồi chống rung, giường bệnh nhân và thiết bị chỉnh hình điều chỉnh độ cứng theo nhu cầu người dùng Đặc biệt, trong các hệ thống đo lường nhạy cảm với rung động, bộ giảm chấn cách ly sử dụng MRE giúp giảm thiểu ảnh hưởng của dao động từ môi trường, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình đo đạc và phân tích.
2.6.3 Ứng dụng cảm biến từ trở Độ dẫn điện của MRE có thể bị ảnh hưởng bởi cường độ từ trường được áp dụng cho phép chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau Tuy nhiên, MRE không được phân loại là chất dẫn điện MRE có khả năng hoạt động như các thiết bị hoạt động của mạch điện cho phép kiểm soát điện áp đầu ra trong từ trường bằng cách bổ sung các hạt vi sắt và than chì Do đó, một trong những ứng dụng của MRE có thể là thiết bị cảm biến từ trở MRE có thể áp dụng cho từ trở bốn cực và phần tử hoạt động của mạch điện Việc chuẩn bị MRE dẫn điện được thực hiện bằng cách trùng hợp SR với việc bổ sung dầu silicon, các hạt vi CI, bột than chì và chất xúc tác Độ dẫn điện của MRE được phát hiện bị ảnh hưởng bởi cường độ từ trường Do đó, điện áp tại các đầu ra của thiết bị cảm biến MR bị ảnh hưởng đáng kể bởi cường độ từ trường ngang, đối với điện áp điều khiển được giữ không đổi Do đó, độ dẫn điện bị ảnh hưởng bởi cường độ từ trường, điện áp được áp dụng và thời gian.
Hình 2.5 Ứng dụng trong các bộ cảm biến
2.6.4 Ứng dụng bộ hấp thụ sóng điện từ
MRE không chỉ được thử nghiệm trong các bộ cách ly hoặc hấp thụ rung động mà còn được áp dụng để hấp thụ sóng điện từ gần đây Hợp chất F-Fe/MRE, chế tạo bằng phương pháp đúc nén và lưu hóa với các hạt CI dạng vảy và ma trận SR, cho thấy giá trị mất phản xạ tối ưu là −53,3 dB ở 4,8 GHz và băng thông tần số hiệu dụng là 6,0 GHz MRE lai, được tạo ra từ dầu silicon, cao su, hạt CI, hạt nano graphene và vải cotton, có hằng số điện môi và độ dẫn điện tăng lên nhờ vào phân cực giãn nở của SR và phân cực giao diện của graphene Mối quan hệ giữa phản ứng điện môi của MRE và hình thái của các cụm chất độn đã được kiểm tra, cho thấy định hướng của các hạt CI làm tăng độ cho phép và khả năng hấp thụ năng lượng điện từ Các chất hấp thụ vô tuyến dựa trên MRE dị hướng có khả năng che chắn EM vượt trội trong dải tần số vi sóng so với các chất tương tự đẳng hướng.
CHƯƠNG 3 PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN LỰC VÀ ĐO KẾT QUẢ
3.1 Chế tạo vật liệu MRE
Quá trình chế tạo vật liệu MRE bắt đầu bằng việc lựa chọn và cân đo chính xác các thành phần chính như hợp chất polymer và hạt sắt từ đồng nhất Các hạt sắt từ được trộn đều với dung dịch polymer trong máy khuấy công suất cao để đảm bảo sự phân bố đồng nhất, điều này rất quan trọng để tránh sai lệch về độ đàn hồi Hỗn hợp sau đó được đúc vào khuôn dưới điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt về nhiệt độ và áp suất, với từ trường mạnh được áp dụng để định hướng các hạt sắt từ, cải thiện khả năng biến đổi và tăng cường độ cứng của vật liệu Giai đoạn đóng rắn diễn ra bằng cách duy trì nhiệt độ thích hợp để các phân tử polymer liên kết chéo, hình thành mạng lưới vững chắc Cuối cùng, sản phẩm MRE trải qua quy trình kiểm tra chất lượng nghiêm ngặt để đảm bảo các đặc tính kỹ thuật đạt tiêu chuẩn cho các ứng dụng trong cảm biến và thiết bị công nghệ cao.
Hình 3.1 Chuẩn bị vật liệu silicone
Hình 3.2 Chuẩn bị vật liệu bột sắt và bột graphic
Hình 3.3 Trộn hỗn hợp vật liệu với chất đóng rắn
Hình 3.4 Đóng rắn vật liệu trong khuôn
3.2 Soi tổ chức vật liệu
Máy kính hiển vi Boshida PL1506 50X-1000X là thiết bị chuyên dụng cho nghiên cứu kim loại học, đá học và vật liệu, cho phép quan sát cấu trúc vi mô chi tiết với độ phóng đại cao Đây là loại kính hiển vi phân cực, lý tưởng cho phân tích kim loại và đá học.
Phạm vi phóng đại từ 50X đến 1000X cho phép người dùng quan sát với mức phóng đại trung bình đến cao, giúp hiển thị các chi tiết vi mô tinh tế của mẫu vật một cách rõ ràng và sắc nét.
Hệ thống plan achromatic giúp giảm thiểu lỗi quang học, mang lại hình ảnh sắc nét và trung thực Ống mắt WF 10X với trường nhìn 18mm cung cấp góc quan sát rộng Các ống mục tiêu tiêu chuẩn bao gồm 5X, 10X, 20X, 50X và 100X, với tùy chọn bổ sung như 4X, 40X, 60X, 80X theo yêu cầu Hệ thống lấy nét đồng trục cho phép điều chỉnh nhanh chóng và chính xác hình ảnh hiển thị Bàn mẫu xoay 150mm giúp điều chỉnh linh hoạt vị trí mẫu vật, đáp ứng nhu cầu quan sát từ nhiều góc độ khác nhau.
Máy tích hợp hai loại chiếu sáng:Chiếu sáng truyền qua (transmitted illumination): Phù hợp cho mẫu mỏng, cho phép ánh sáng đi qua mẫu
Chiếu sáng phản xạ là phương pháp chiếu sáng cho các mẫu không trong suốt, sử dụng nguồn đèn LED hoặc đèn halogen Các bộ phân cực có khả năng xoay 360° và điều chỉnh góc phân cực một cách chính xác tại các vị trí 0°, 90°, 180° và 270°.
Việc tích hợp bộ phân tích phân cực với các đĩa lọc như λ-Gypsum, 1/4λ Mica và Quartz wedge mang lại lợi ích lớn trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể và phân tích vật liệu.
Kích thước máy: Khoảng 190 x 365 x 420 mm.
Trọng lượng: Xấp xỉ 11 kg.
Bàn mẫu: 150mm, xoay 360° với các vạch chia độ chính xác.
