Elektrorheologisches Fluid

Elektrorheologische Flüssigkeiten beziehungsweise elektrorheologische Fluide (ERF) sind adaptive Materialien, deren Fließverhalten durch ein elektrisches Feld in weitem Rahmen schnell und reversibel gesteuert werden kann.

Zugrundeliegender physikalischer Effekt

Man unterscheidet zwischen homogenen und heterogenen elektrorheologische Flüssigkeiten. Die homogenen ERFs bestehen z.B. aus Aluminiumsalzen der Stearinsäure. Der Wirkmechanismus der homogenen ERFs ist nicht mit letzter Gewissheit bekannt. Die heterogenen ERFs bestehen aus polarisierbaren Teilchen oder Tröpfchen, welche in einer elektrisch nichtleitendenden Trägerflüssigkeit, z.B. Silicon- oder Mineralöl, dispergiert sind.

Durch ein externes elektrisches Feld werden in den Partikeln Dipole induziert. Die Teilchen bilden Ketten und Säulen entlang der Feldlienien des elektrischen Feldes. Dieses sogenannte Kettenmodell nach Winslow [1] ist das einfachste Strukturmodell zur Erklärung des elektrorheologischen Effektes.

Praktische Anwendung und Einsatzgebiete

Elektrorheologische Flüssigkeiten werden meist als zentraler Bestandteil eines mechatronischen Systems verwendet. Zusammen mit einem Gehäuse, einem Hochspannungsnetzteil und einer entsprechenden Steuerung bzw. Regelung können diese Systeme auf unterschiedliche Rahmenbedingungen reagieren.

So sind beispielsweise die Dämpfungseigenschaften von hydraulischen Lagern durch die Verwendung einer elektrorheologischen Flüssigkeit steuerbar. Bei Verwendung eines solchen Lagers als Motorlager in einem Automobil könnte die Dämpfung dynamisch an die Drehzahl des Motors und die Beschaffenheit des Untergrunds angepasst werden, um die Geräuschbelastung für die Insassen zu reduzieren.

Beim Transport von kranken Menschen oder sensiblen Gütern eignen sich konventionelle, passive Dämpfer nur bedingt. Aktiv regelbare Dämpfer auf Basis von ERF können hier Abhilfe schaffen. [2]

Mit Hilfe von ERF lassen sich auch haptische Sensor-Aktor-Systeme realisieren. [3]

Weitere Anwendungsbereiche sind Aktuatoren, Ventile, Kupplungen und Bremsen.

Elektrorheologische Flüssigkeiten sind ebenso belastbar wie ihre Grundstoffe. Bei Verwendung als variable Bremse sind moderne ERFs anders als Feststoffbremsen nicht abrasiv und vergleichsweise temperaturstabil. Es gibt jedoch auch ERF-Formulierungen, die aufgrund ihrer starken Abrasivität als Schleifmittel eingesetzt werden könnten.

Referenzen

[1] Winslow, Willis M. (1949). "Induced fibration of suspensions". J. Appl. Phys. 20: 1137–1140. [2] http://www.uni-saarland.de/mediadb/profil/veroeffentlichungen/ffmagazin/2-2000/Stiebel.pdf [3] http://www.hasasem.de/hasasem.htm [4] Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1993, Seite 50

Weblinks

• Institut für fluidtechnische Antriebe und Steuerungen der RWTH Aachen: Anwendungen elektrorheologischer Flüssigkeiten (PDF: 1,37 MB)
• Fraunhofer Institut Silicatforschung: Haptische Aktorelemente mit elektrorheologischen Flüssigkeiten
• ERF-Stoßdämpfer bei Jugend Forscht 2004 (PDF: 93kB)
• Fludicon GmbH: Kurzfilme zu ERF-Effekten (Flash)