磁黏滯液體之成分與性質

磁黏滯液體是在載液中加入導磁性金屬微粒的黏滯液體，依照外部磁場的強 弱，可使被磁化的粒子互相吸引而提高黏度，在弱磁場就可以讓黏度和降伏剪應 力大幅上升，在強磁場作用下甚至能有固化的現象。目前在減振和能量吸收方面 已有一些應用和實驗性的產品。

圖2.1 磁黏滯液體外觀[6]

1950年代Rabinow和Winslow最先製作出了磁黏滯液體。Rabinow將羰基鐵粉 以重量比9：1的方式與矽油（礦物油或是煤油）互相混合並加入油脂或是界面活 性劑使鐵粉不易沉澱。圖2.2顯示一個磁黏滯液體做成的活塞裝置，此裝置可撐 起體重約53公斤的女士，相當於承受100kPa的壓力。

Winslow 則將羰基鐵粉和礦物油和重量比 10：1 互相混合，以及採用了不同 於 Rabinow 的界面活性劑如分散劑(環烷酸鐵或油酸化鐵)和金屬皂(硬酯酸鋰或 是硬酯酸鈉)。亦製造出可承受 100kPa 壓力的磁黏滯液體。

圖2.2 Rabinow 製成的磁黏滯液體活塞裝置重量測試情形[7]

Rabinow與Winslow都指出磁黏滯液體的備製不難，經過實驗驗證提出磁黏 滯液體兩個重要的特性：降伏剪應力與沉澱速率。往後磁黏滯液體的研發，也大 都朝這兩個特性進行探討。

根據日本 SIGMA Hi-CHEMICAL[6]公司所得的實驗曲線如圖 2.3 所示，可 以完整呈現出磁黏滯液體和一般黏滯液體的性質差異。圖2.3(a)為實驗裝置，以 直徑50mm 的葉輪對磁黏滯液體以攪拌方式進行黏滯度和轉速的實驗。圖 2.3(b) 為無磁場作用下的實驗結果，磁黏滯液體的行為與一般黏滯液體的行為類似，黏 滯度會隨著葉輪轉速提昇而降低。

為了進行性質比較，首先將無磁場作用以及葉輪轉速 10rpm 所得之黏滯度 定為1。

圖2.3(c)呈現永久磁石作用距離 L 對黏滯度之影響曲線，磁場作用距離 L 越

但是相對黏度與轉速的變化趨勢卻大致保持不變。磁場比轉速更適於控制改變磁 黏滯液體的黏滯度。

(a) 實驗裝置 (b) 無磁場作用

(c) 固定轉速 10rpm (d) 固定磁場作用距離L=7.5mm 圖2.3 磁黏滯液體實驗裝置及特性實驗[6]

磁黏滯液體中的載液亦屬於黏滯液體，因此載液的絕對黏度會隨著溫度升 高而降低。圖2.4 顯示磁黏滯液體黏度在無磁場作用下對溫度的變化，從室溫至 100℃間絕對黏度變動的範圍約在 2.5Pa‧s 內。

轉速

相對黏度

相對黏度

扇葉轉速 轉速

絕對黏度

導磁材料 磁黏滯流體

永久磁鐵

圖2.4 磁性液體黏度對溫度變化圖[15]

依據Fernando D. Goncalves等人[8]的文獻，改變磁黏滯液體黏度的主要因素 為液體中鐵粉的行為，圖2.5展示磁場對鐵粉的影響示意圖，在未受到磁場影響 下，磁黏滯液體中鐵粉呈現布朗運動不規則分佈。施加外部磁場時，鐵粉則會沿 著磁力線規律的排列，液體的黏度和降伏剪應力因此提高。

(a) 無磁場 (b) 弱磁場 (c) 強磁場 圖2.5 磁場作用導磁粒子的排列狀態[8]

當排列好的磁黏滯液體受到擠壓時，會如圖2.6所示的堆積在一起，原先細 微的鏈狀結構會變得粗壯，讓黏度大幅上升，稱為特黏(super-strong Viscosity)現

碳氫化合物磁性流體

溫度T/℃

黏度η/Pa‧s

圖2.6 特黏現象示意圖[8]

磁黏滯液體的備製關鍵在於鐵粉的添加比例和沉澱速率。降伏剪應力與相對 黏度會隨著鐵粉的比例增加而提高，如圖2.7 所示。

(a)降伏剪應力 (b)黏度

圖2.7 鐵粉比例對磁黏滯液體特性關係圖[8]

材料的導磁性也會影響磁黏滯液體的表現。如圖2.8(a)所示，導磁性較高的 鐵鈷合金比羰基鐵粉所製成之磁黏滯液體其相對黏度隨磁場增強上升較多；圖 2.8(b)也展示經過防腐蝕處理的鐵粉比普通的鐵粉更容易隨磁場增強提高黏度。

F

F

YIELD STRESS (psi) VISCOSITY( cP)

VOLUME FRACTION VOLUME FRACTION

(a)金屬粉末種類 (b)鐵粉處理 圖2.8 導磁顆粒種類對磁黏度之影響[8]

鐵粉顆粒大小的一致性也會影響磁黏滯液體的表現，在 20％～40％鐵粉的 磁黏滯液體中，顆粒大越小不一致時降伏剪應力對磁場反應越強，如圖2.9 所示，

大小顆粒比例不同時在各種磁通密度下降伏剪應力與黏度關係圖。顯示相同的磁 場下，全數大顆粒鐵粉的液體雖有高黏度，但降伏剪應力卻比小顆粒混合比1：

3 低。小顆粒鐵粉在磁場中所建構的鏈狀結構很容易因為磁鍵合力不夠大而被破 壞，大顆粒鐵粉則會因為間隙過大而無法建立成穩固的鏈狀結構。

YIELD STRESS (psi)

VISCOSITY (cP)@40℃

磁黏滯液體的另外一項特性為沉澱速率。鐵粉的密度比基底溶液大上許多，

所以沉澱是必然現象。磁黏滯液體必須有均勻分布的鐵粉才能展現穩定的性能，

所以減緩鐵粉的沉澱速度便是界面活性劑的主要功能，圖2.10 展示界面活性劑

（Oleic Acid）對降伏剪應力之影響。降伏剪應力會隨著介面活性劑之濃度增加 而下降。界面活性劑提高了鐵粉與基底溶液間的相互作用，以致於使鐵粉不易沉 澱，但同時也促成鐵粉不易形成鏈狀結構而使降伏剪應力降低。

圖2.10 界面活性劑(Oleic Aid)對降伏剪應力之影響[8]

磁黏滯液體在長時間使用後，會因為鐵粉的結構被破壞，導致黏度上升，因 此使用壽命比一般黏滯液體短。圖 2.11 呈現的是活塞裝置中的磁黏滯液體經過 一百萬次運轉前後鐵粉顆粒外型的巨大變化。

(a)未使用過的鐵粉顆粒 (b)一百萬次週期後的鐵粉顆粒

YIELD STRESS (kPa)

Magnetic Field Strength (kG)

即便是微小粒子經過長時間的摩擦、碰撞也會有變形甚至產生結塊的情形。

這種液體變濃稠、黏度上升的現象稱為使用濃稠現象IUT（In-Use-Thickening），

圖2.12 展示美國 Lord 公司長時間測試磁黏滯液體黏度提高的情形，曲線#1 為該 公司最早開發的磁黏滯液體，曲線#2、#3、#4 為已上市的產品，#4 液體經過 2.5 百萬個週期仍沒有明顯的黏度變化。

圖2.12 各種磁黏滯液體的使用濃稠（IUT）現象[7]

磁黏滯液體長時間不使用時鐵粉便會沉澱，其沉澱比例將會影響再度操作時 的初始表現，圖 2.13 顯示一磁黏滯液體活塞利用加速沉澱的方法，使其達到靜 置一年的效果後再重新操作的情形，發現只需要操作一個週期便可恢復原來的功 能。

Off-Sate Load(N)