Estudio y control de un material híbrido magnético PVB/Fe₂O₃ aplicado como microactuador tipo cantiléver.

Romo Rico, Jesús (2018) Estudio y control de un material híbrido magnético PVB/Fe₂O₃ aplicado como microactuador tipo cantiléver. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

En este trabajo de tesis de maestría se llevó a cabo el estudio y control del comportamiento del material híbrido magnético a base de polivinil butiral (PVB) y nanopartículas de óxido de hierro (Fe2O3), PVB/Fe2O3, utilizado como microactuador tipo cantiléver. La síntesis del PVB/Fe2O3 se realizó en dos etapas. Primero, se preparó un material precursor en forma de película delgada (espesor: ~60 μm) a base de PVB y una sal de cloruro de hierro tetrahidratado, FeCl2•4H2O. Segundo, se aplicó un tratamiento térmico-químico al material precursor obtenido en la etapa anterior, lo que permitió la síntesis in situ de las nanopartículas de Fe2O3. El producto que se obtiene, una vez sintetizadas las nanopartículas de óxido de hierro embebidas en la matriz polimérica, son las películas híbridas magnéticas. A este material se le realizó una caracterización morfológica y otra magnética. En la caracterización morfológica se demuestra la presencia de nanopartículas dispersas de Fe2O3, y de aglomerados de nanopartículas, dentro de la matriz polimérica de PVB. Las nanopartículas dispersas tienen un diámetro promedio de 3 nm. En la caracterización magnética se observó que el material tiene propiedades superparamagnéticas a temperatura ambiente; esta propiedad se asocia al diámetro de las nanopartículas magnéticas del material. Se fabricaron dos tipos de microactuadores en forma de cantiléver: el primer tipo está compuesto de la película de PVB/Fe2O3; y el segundo tipo es un microactuador bicapa compuesto de una película flexible de cobre (material diamagnético) y PVB/Fe2O3 en la punta, Cu+PVB/Fe2O3. Se hizo un estudio del comportamiento del microactuador de PVB/Fe2O3 en función de campos magnéticos estáticos (cuya función temporal es en forma de escalón) y cuasi-estáticos (cuya función temporal es en forma de escalera). De 5 estos experimentos se observó que el desplazamiento de los microactuadores es función del campo magnético externo aplicado. Al aplicar un campo magnético estático de 0 a 478.5 Oe, se obtuvo un desplazamiento final de 133 μm, observándose una respuesta oscilatoria subamortiguada. Cuando se aplicó el campo magnético cuasi-estático, también de 0 a 478.5 Oe, se alcanzó un desplazamiento mayor, de 279 μm. Este incremento en la magnitud del desplazamiento se debe a la interacción entre las nanopartículas de óxido de hierro y la matriz polimérica del material híbrido PVB/Fe2O3. Cada escalón de campo magnético induce un aumento de la magnetización de los momentos magnéticos de las nanopartículas de Fe2O3 en dirección del vector del campo magnético aplicado. La orientación de los momentos magnéticos se transmite a la matriz polimérica a través de su interfase con las nanopartículas magnéticas, lo que provoca el arrastre de las macromoléculas de PVB, generando a su vez el desplazamiento del microactuador. Para finalizar el estudio, se evaluó el comportamiento de los microactuadores bicapa Cu+PVB/Fe2O3 únicamente en función de campos magnéticos estáticos, en forma de escalón. El desplazamiento máximo obtenido fue de 15.81 μm al utilizar un campo magnético de 14.8 Oe. Al igual que para los microactuadores de la película de PVB/Fe2O3, se observó una respuesta oscilatoria subamortiguada en función del tiempo. Este tipo de respuesta se representó matemáticamente con un modelo análogo de segundo orden, masa-resorte-amortiguador, en MATLAB®. Al introducir las variables experimentales al programa, éste calcula los parámetros del modelo que describen el comportamiento del microactuador. Posteriormente, en Simulink™ se desarrolló un sistema de control Input Shaping (IS) capaz de regular las oscilaciones de este tipo. La respuesta de los microactuadores bicapa se evaluaron utilizando las técnicas Zero Vibration, Zero Vibration Derivative y Zero Vibration and Double Derivative (ZV, ZVD y ZVDD, respectivamente). 6 Como resultado se observa una reducción considerable en la amplitud de las oscilaciones producidas por los microactuadores bicapa. Su estabilización se alcanzó cuando se utilizaron las técnicas ZVD y ZVDD. Sin embargo, no es necesario utilizar ZVDD debido a que aumenta el tiempo requerido para el proceso de cómputo, obteniendo un resultado similar al usar ZVD. Los resultados obtenidos en este trabajo de tesis demuestran que la película híbrida magnética de PVB/Fe2O3 se puede desempeñar como microactuador magnético funcional, lo que lo posiciona como un candidato potencial para utilizarse en aplicaciones de diversas ramas de ingeniería, que van desde dispositivos eléctricos, electrónicos, médicos o incluso microrobots nadadores.

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