Thermische Leitfähigkeit magnetorheologischer Fluide

Ein Ansatz zur gezielten Beeinflussung des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen ist die aktive oder passive Steuerung von Wärmeströmen. Sie ermöglicht eine Verbesserung des thermo-elastischen Gesamtverhaltens der Maschine, indem die Auswirkung transienter thermischer Vorgänge wie Lastspitzen oder stark variierende Wärmeeinträge beeinflusst wird. Insbesondere sollen schaltbar wärmeübertragende Strukturen der bedarfsgerechten Ankopplung von thermischen Speichern beziehungsweise temperierenden Elementen dienen. Um den Wärmestrom durch Strukturen gezielt zu beeinflussen, wird das Potential aktiver Werkstoffe untersucht. Neben thermischen Formgedächtnislegierungen bilden magnetorheologische Fluide (MRF) einen Schwerpunkt der Untersuchungen. Als MRF werden Suspensionen ferromagnetischer Partikel in einem Trägerfluid bezeichnet. Durch Einprägen eines Magnetfeldes bilden sich Partikelketten entlang der Feldlinien, was eine anisotrope Wärmeleitfähigkeit des Fluids zur Folge hat. Durch die sehr großen Unterschiede in den Wärmeleitfähigkeiten der eingesetzten Materialien (z.B. Eisen mit 80 W/mK in Silikonöl mit 0,12 W/mK) sowie die Möglichkeit, zwischen einer gleichmäßigen Partikelverteilung und Kettenbildung durch Magnetfeldeinfluss zu schalten. Durch fehlenden mechanischen Verschleiß und Reversibilität des Effektes sind hohe Zyklenzahlen bei konstantem Effekt möglich. Zur Beschreibung des thermischen Verhaltens der MRF sind insgesamt drei mögliche Zustände zu betrachten: Das isotrope Verhalten im Falle gleichmäßiger Verteilung der Partikel, das anisotrope Verhalten unter Magnetfeldeinfluss sowie bei Sedimentierung durch Einfluss der Schwerkraft. Die effektive Wärmeleitfähigkeit eines mit Partikeln angefüllten Fluids ist mit Theorien von Maxwell und Bruggeman beschreibbar. Für den anisotropen Fall der Kettenbildung haben Reinecke et al. einen Ansatz entwickelt, der im ersten Schritt die Wärmeleitfähigkeit der Kettenstrukturen ermittelt und dann über eine Parallelschaltung thermischer Widerstände das thermische Gesamtverhalten des Fluides beschreibt. Dieser Ansatz lässt sich auch auf die Schichtstruktur im sedimentierten Fall übertragen, wo eine Reihenschaltung thermischer Widerstände entsteht. Stationäre Vermessungen von magnetorheologischen Fluiden mit einem Partikelvolumenanteil von 30% ergaben eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit von über 70% durch Aktivierung eines Magnetfelds in Richtung des Wärmestromes.