磁黏滯液體組成和特性[30]

磁黏滯液體為包含微小(1~10um)懸浮的非膠狀細微導磁性顆粒之膠狀液 體，其載體可分為礦物油、人造合成油、水或甘醇，並加入介面活化劑使其能充 分混合並減少載體與導磁性顆粒的分離現象。當施以一外加磁場，導磁性微粒便 會集中到磁力線上，若磁性微粒稀少會形成鍊狀結構或是柱狀結構；若過於密集 則會形成網狀。在類似柵欄限制的影響下，使磁黏滯液體黏滯性提高，甚至產生 類似固化的變化。當移除外加磁場時，就可以完成可逆的固.液體相轉換。

圖2.1 磁黏滯液體形成鍊狀結構

磁場作用下，鍊狀結構會因剪力而產生拉伸傾斜的情況，在鍊狀結構未被破 壞前將外力移除，平行板會回復到初始位置；此為磁黏滯液體的未降伏階段，磁 黏滯液體受鍊狀結構之影響不能自由流動與變形，近似彈性體的行為，如圖2.2 所示。

當外力大於鍊狀結構強度時，則進入降伏階段，鍊狀結構之鍵結力被破壞，

使得磁黏滯液體能夠自由的流動，如圖2.3 所示。但是在外加磁場作用下，若要 維持在降伏階段，則必須給予持續的外力作用，平行板才會持續有位移前進，如 圖2.3 所示。

若不給予持續的外力作用，因外加磁場仍然存在，原本被破壞的鍊狀結構 會就近再度形成新的鍊狀結構而又回到未降伏階段，降伏階段所產生的位移是不 能回復的，如圖2.3 所示。未降伏階段具有彈性行為，降伏階段則具有塑性行為。

磁力線

圖2.2 外力作用下之磁黏滯液體

圖2.3 再次回到未降伏區之磁黏滯液體

另一與磁黏滯液體相似的材料為電流變液體(Electrorheological fluid)，外加 電場會產生與磁黏滯液體相似的鍊狀結構。兩種液體進行控制時所需之能量皆約 50 瓦特。但要趨動電子黏滯液體之電壓卻要高達 2000~5000 伏特(V)，而其電流 則只有1~10 毫安培(mA)。磁黏滯液體所需之線圈驅動電壓為 12~24 伏特(V)，

電流為1~2 安培(A)，在使用上沒有高電壓電擊的危險。

1969 年 Philips[19]提出簡易的 Bingham 黏塑性液體模型，有效地描述磁黏 滯液體的磁場效應特性，如圖2.4 所示。在這個模型裡，磁黏滯液體所產生的總 剪應力τ (total shear stress)為

γ η γ τ

τ = ₀(H)⋅sgn(&)+ ⋅ & (2.1) 其中τ₀為磁場所產生的液體降伏應力，是磁場強度 H 的函數;γ& 為切線速率;η^為 與磁場強度無關的黏滯係數，由降伏階段之磁黏滯液體的剪應力對切線速率比值 定義之。

N

S

位移

N

S

位移

(a) 未達降伏區之磁黏滯液體

N

S

速度

(b) 達已降伏區之磁黏滯液體

圖2.4 磁黏滯液體之黏塑性關係曲線

在 Bingham 模型中，將降伏液體的黏滯係數假設為常數，磁黏滯液體在多 次使用後，導磁微粒互相磨擦使得顆粒表面產生破壞，使得液體有剪切稀釋效應 (Shearing thinning effect)產生，此效應可應用 Herschel 跟 Bulkley[20]在西元 1926 年所提出的 Herschel-Bulkley 黏塑性模型來描述。在 Herschel-Bulkley 數學模型 裡，將 Bingham 數學模型中降伏的塑性黏滯數置換成一個與切線速率相依的低

if γ&<0 γ& ⋅sgn(γ&)=−γ&⋅(−1)=γ&

→

τ

τ

γ

γ

Herschel-Bulkley 模型能簡化成 Bingham 模型。當有液體稀釋化(Shear thinning) 現象時，取m>1，表示當切線速率γ& 增加時，塑性黏滯係數會減少;取m<¹時，

此模型則用來描述液體的濃稠化(Shear thickening)現象。