磁黏滯液體之研究與運用

1950年代Rabinow和Winslow[21]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2.5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。

圖2.5 Rabinow 製成的磁黏滯液體活塞裝置重量測試情形[21]

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。

另外Winslow 則將礦物油和羰基鐵粉以重量比 1：10 互相混合，亦作出強

酸鐵或油酸化鐵)和金屬皂(硬酯酸鋰或是硬酯酸鈉)。

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2.6 所示。

(a)降伏剪應力 (b)黏度

圖2.6 鐵粉比例對磁黏滯液體特性關係圖[22]

材料的導磁性也會影響磁黏滯液體的表現。如圖2.7(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 2.7(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。

(a)金屬粉末種類 (b)鐵粉處理

圖2.7 導磁顆粒種類對磁黏度之影響[22]

另外鐵粉顆粒大小的一致性也會影響磁黏滯液體的表現，於一般添加 20％

～40％鐵粉的磁黏滯液體中，顆粒大小不一致性越高時黏度特性越好，如圖 2.8 所示，不同磁通密度的情況下剪應力和液體黏度之關係。顯示相同的磁場下，全

YIELD STRESS (psi) VISCOSITY( cP)

VOLUME FRACTION VOLUME FRACTION

小顆粒鐵粉在磁場中所建構的鏈狀結構由於磁力不夠大很容易被破壞，而大顆粒 鐵粉在磁場中則因為間隙過大無法建立成穩固的鏈狀結構。

圖2.8 大小顆粒比與降服剪應力關係圖[22]

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2.9 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2.9 界面活性劑對降伏剪應力之影響[22]

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 2.10 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。

YIELD STRESS (kPa)

Magnetic Field Strength (kG)

YIELD STRESS (psi)

VISCOSITY (cP)@40℃

(a)未使用過的鐵粉顆粒 (b)一百萬次週期後的鐵粉顆粒 圖2.10 磁黏滯液體中鐵粉顆粒外型電子顯微鏡照片[22]

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2.11 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2.11 各種磁黏滯液體的使用濃稠（IUT）現象[22]

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 2.12 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。

圖2.12 磁黏滯液體活塞長時間閒置後重新操作時黏滯力的表現[22]

磁黏滯液體的工作方式可依其變形型式分為三種型式：(1)剪力型式、(2)流 動型式、(3)擠壓型式，如圖○所示。剪力型工作方式是將磁黏滯液體放置於兩個 有相對運動的表面之間，在兩個表面間的磁場流方向與表面的運動方向垂直，剪 力大小即可藉由磁場來控制。流動型工作方式中，磁黏滯液體直接在兩個靜置的 極性板間流動，其流阻也就是壓力差Δp= p₁−p₂可藉由垂直液體流動方向的磁 場來控制。擠壓型工作方式之磁黏滯液體受一正向壓力擠壓造成一擠壓流，藉由 控制磁場強度來改變磁黏滯液體的“硬度”，因此影響擠壓作用力的大小。

圖2.13 磁黏滯液體之工作模式[23]

(a)剪力型式 (b)流動型式 (c)擠壓型式

Off.Sate Load(N)

Time (Sec)