Analysis and Development of New Magnetoactive Materials

Abstract

The growing demand for advanced systems requiring adaptability, monitoring, and realtime response has driven the development and study of smart materials capable of adjusting their physical properties based on various external stimuli. Within this category, magnetoactive materials (MA) stand out for their ability to instantly modify their behavior in response to a magnetic field. Their rapid action, efficiency, and reversibility make them especially attractive for applications requiring precise and immediate responses. However, despite their advantages, these materials still face certain limitations that restrict their use. For this reason, this doctoral thesis has focused on developing and analyzing new MA materials and characterization systems to optimize their properties and facilitate their application. Specifically, this thesis has centered on two types of MA materials: magnetorheological fluids (MRF) and MA elastomers. Regarding MRFs, one of the main drawbacks is their low gravitational stability. In this context, the effect of the solid phase on the magnetorheological behavior of MRFs has been analyzed, considering factors such as particles' composition, size, and morphology. To this end, samples with different types of particles have been synthesized, and characterization has been carried out to evaluate the impact of these physical properties on MR response, the destruction mechanisms involved, and the fluid's reversibility after exposure to a magnetic field. Additionally, a new non-invasive method based on ultrasound has been developed to measure the gravitational stability of MRFs. This development includes the design and fabrication of the measurement system, as well as procedures for data conversion and the measurement process. The method is based on the correlation between particle concentration and sound propagation speed, providing an effective solution for characterizing sedimentation in fluids composed of nano or micrometric particles. On the other hand, concerning MA elastomers, one of the main challenges is to improve both deformability under a magnetic field and the material's ability to recover its original shape after the field is removed. This thesis addresses these challenges through the development of a new generation of MA elastomers based on magnetically soft particles, with a specific multilayer structuring that optimizes both deformability and reversibility. To achieve precise control of the material, a 3D digitization method has been employed that correlates the material's deformation with the applied magnetic field. Additionally, to deepen the understanding of how the magnetic field affects the material's internal structure and causes deformation, an evaluation of the magneto-mechanical and magnetic properties has been conducted, complemented by microstructural analysis using microcomputed tomography. In summary, this doctoral thesis significantly contributes to the advancement in the field of MA materials, addressing their current limitations by proposing new solutions. Thus, the results obtained not only expand knovvledge about the behavior of these materials but also facilitate their implementation in advanced systems and promote the development of new technologies.

Moldagarritasuna, monitorizazioa eta denbora errealean erantzuteko gaitasuna eskatzen duten sistema aurreratuen eskaera gero eta handiagoak material adimendunen garapena eta ikerketa bultzatu du. Material hauek kanpo estimulu baten aurrean beren propietate fisikoak egokitzeko gai dira. Kategoria horren barman, material magnetoaktiboak (MA) nabarmentzen dira beren portaera eremu magnetiko bati erantzunez berehala aldatzeko duten gaitasunagatik. Haien ekintza azkarrak, eraginkortasunak eta itzulgarritasunak bereziki erakargarri egiten dituzte erantzun zehatza eta berehalakoa eskatzen duten aplikazioetarako. Hala ere, abantailak izan arren, material horiek erabilera mugatzen duten zenbait eragozpen dituzte oraindik. Hori dela eta, doktore-tesi honen helburua material MA eta karakterizazio sistema berriak garatzea eta aztertzea da, haien propietateak optimizatzeko eta aplikazioa errazteko. Zehazki, tesi hau bi material MA motatan zentratu da: fluido magnetorreologikoak (FMRak) eta elastomero MAak. FMRei dagokienez, desabantaila nagusietako bat grabitazio-egonkortasun baxua da. Testuinguru horretan, fase solidoak FMRen portaera magnetorreologikoari nola eragiten dion aztertu da, partikulen konposizioa, tamaina eta morfologia bezalako faktoreak kontuan hartuta. Horretarako, partikula mota desberdinak dituzten laginak sintetizatu eta karakterizatu dira, propietate fisiko horien eragina MR erantzunean eta suntsipenmekanismoetan, baita eremu magnetiko baten esposizioaren ondoren fluidoaren itzulgarritasuna ebaluatzeko. Gainera, FMRen grabitazio-egonkortasuna ultrasoinuen bidez neurtzeko metodo ezinbaditzaile berri bat garatu da. Garapen horretan sartzen dira neurketa-sistemaren diseinua eta fabrikazioa, bai eta neurketa-prozesua eta datuen tratamendua ere. Partikulen kontzentrazioaren eta soinuaren hedapen-abiaduraren arteko korrelazioan oinarritzen da metodoa, eta soluzio eraginkor bat eskaintzen du mikro edo nanopartikulaz osatutako fluidoen sedimentazioa neurtzeko. Bestalde, elastomero MAei dagokienez, erronka nagusietako bat eremu magnetiko baten aurreko deformagarritasuna hobetzea eta materialak eremua kendu ondoren jatorrizko forma berreskuratzeko duen gaitasuna hobetzea da. Tesi honek erronka horiei erantzuten die, magnetikoki bigunak diren partikuletan oinarritutako elastomero MAen generazio berri bat garatuz, deformagarritasuna eta itzulgarritasuna optimizatzeko geruza anitzeko egituraketa espezifiko bat erabiliz. Materialaren kontrol zehatza lortzeko, 3D digitalizazio-metodo bat erabili da, materialaren deformazioa aplikatutako eremu magnetikoarekin erlazionatzen duena. Gainera, eremu magnetikoak materialaren barne-egiturari nola eragiten dion eta haren deformazioa nola eragiten duen hobeto ulertzeko, propietate magneto-mekanikoen eta magnetikoen ebaluazioa egin da, eta, horren osagarri, mikrotomografia konputarizatuaren bidezko azterketa mikroestrukturala egin da. Laburbilduz, tesi honek nabarmen laguntzen du material :VIAen arloan aurreratzen, ganr egun dituzten mugei irtenhide berriak proposatuz. Hala, lortutako emaitzek, material horien portaerari buruzko ezagutza zabaltzeaz gain, material horiek sistema aurreratuetan ezartzea errazten dute, eta teknologia berrien garapena sustatzen dute.

La creciente demanda de sistemas avanzados, que requieren adaptabilidad, monitorización y respuesta en tiempo real, ha impulsado el desarrollo y estudio de materiales inteligentes, capaces de ajustar sus propiedades físicas en función de diversos estímulos externos. Dentro de esta categoría, los materiales magnetoactivos (MA) destacan por su habilidad para modificar instantáneamente su comportamiento en respuesta a un campo magnético. Su rápida acción, eficiencia y reversibilidad los hacen especialmente atractivos para aplicaciones que exigen una respuesta precisa e inmediata.

Sin embargo, a pesar de sus ventajas, estos materiales aún enfrentan ciertos inconvenientes que limitan su uso. Por esta razón, la presente tesis doctoral se ha enfocado en desarrollar y analizar nuevos materiales MA y sistemas de caracterización para optimizar sus propiedades y facilitar su aplicación. Concretamente, esta tesis se ha centrado en dos tipos de materiales MA: los fluidos magnetorreológicos (FMR) y los elastómeros MA.

En cuanto a los FMR, uno de los principales inconvenientes es su baja estabilidad gravitacional. En este contexto, se ha analizado cómo la fase sólida afecta el comportamiento magnetorreológico de los FMR, considerando factores como la composición, el tamaño y la morfología de las partículas. Para ello, se han sintetizado muestras con distintos tipos de partículas y se ha llevado a cabo una caracterización para evaluar el impacto de estas propiedades físicas en la respuesta MR, los mecanismos de destrucción involucrados y la reversibilidad del fluido tras la exposición a un campo magnético.

Además, se ha desarrollado un nuevo método no invasivo basado en ultrasonidos para medir la estabilidad gravitacional de los FMR. Este desarrollo incluye el diseño y la fabricación del sistema de medición, así como los procedimientos para la conversión de datos y el proceso de medición. El método se basa en la correlación entre la concentración de partículas y la velocidad de propagación del sonido, ofreciendo una solución eficaz para caracterizar la sedimentación en estos fluidos compuestos por partículas nano o micrométricas.

Por otro lado, en lo que a los elastómeros MA respecta, uno de los principales retos consiste en mejorar la deformabilidad ante un campo magnético y la capacidad del material para recuperar su forma original tras la eliminación del mismo. Esta tesis aborda estos desafíos mediante el desarrollo de una nueva generación de elastómeros MA basados en partículas magnéticamente blandas, con una estructuración multicapa específica que optimiza tanto la deformabilidad como la reversibilidad.

Para lograr un control preciso del material, se ha empleado un método de digitalización 3D que correlaciona la deformación del material con el campo magnético aplicado. Además, para profundizar en la comprensión de cómo el campo magnético afecta la estructura interna del material y provoca su deformación, se ha realizado una evaluación de las propiedades magneto-mecánicas y magnéticas, complementada con un análisis microestructural mediante microtomografía computarizada.

En resumen, esta tesis doctoral contribuye significativamente al avance en el área de los materiales MA, abordando sus limitaciones actuales mediante la propuesta de nuevas soluciones. Así, los resultados obtenidos no solo amplían el conocimiento sobre el comportamiento de estos materiales, sino que también facilitan su implementación en sistemas avanzados y promueven el desarrollo de nuevas tecnologías.