1-1 前言
鐵磁性流體(ferrofluids，或簡稱為磁性流體)為一人工合成流體，為一 九六五年由美國航空太空總署（NASA）S.S.Papell 發明，當時阿波羅計劃 首創人類登入月球時，其磁性流體因而首度亮相，由於太空人漫步月球時，
磁性流體為平均粒徑約為10奈米，由具強磁性之鐵氧化合物，通常可
力誘導的自然對流還要顯著，因此可用來加強變壓器等高功率散熱裝置的
欲充分進行上述磁性流體之工程應用，必需仰賴對磁性流體操控性之充 可分為 (1)羅森史維格不穩定; (2)迷宮型(Labyrinthine)不穩定現象。上述羅 森史維格型與迷宮型二不穩定型態，因其力學機制均不相同產生不同的界 面型態，故而被歸類分屬二不同研究課題。近期則有研究利用混合界面條
件，發展一簡單之實驗設計，使此二不穩定之型態同時發生，而產生(3)混
平板上，隨著不同直徑大小，做有系統的分類。另外也有學者研究在液滴 兩種磁場之影響也會產生另一種形式的不穩定現象。Rhodes et al.將磁性流 體置於Hele-Shaw Cell機制中，同時施予垂直磁場及旋轉磁場，當磁性流體 受垂直磁場影響時產生迷宮化現象，同時又受到順時針方向的旋轉磁場之 影響而使得磁性流體分支末端產生了順時針方向的彎曲[16] (如圖1-13)。此 外，其他學者利用數值模擬的方式，研究磁性流體受垂直磁場及切線方向 磁場影響所產生之複雜性指狀化現象[17] (如圖1-14)。
磁性流體除了受到傳統磁場機制作用之外，近期也有學者研究當磁性
另一個研究，在注入機制亦有許多介面不穩定現象的探討。Podgorski et al.指出在均勻混合水溶液陽離子表面活性劑和有機鹽之間，會產生一個指 狀化的高彈性蟲狀膠束液不穩定現象，此指狀化的穩定度取決於兩溶液注 入的速度(如圖1-16 ) [20]。Oliveira模擬當徑向磁場作用時界面的穩定性以 及指狀化結構的增長反應，並預測磁性液滴在旋轉Hele-Shaw Cell 受到徑向 磁 場 的 作 用 所 發 生 的 情 況 ( 如 圖 1-17) [21] 。 Chen et al. 指 出 在 旋 轉 的 Hele-Shaw Cell 不可互溶界面下，液體的黏滯度影響指狀化現象的形狀以及 其指狀化長度分佈。當指狀化現象發生或是切斷的時候，其混合界面內部 流體黏度較小[24] (如圖1-20)。Lebedev et al.將磁性液滴滴入相同密度之非 磁性液體中，並施加旋轉磁場，發現當旋轉磁場有微小的偏差時，對於旋
轉運動的液滴會有重大的影響[25] (如圖1-21)。Chen et al.數值模擬出高速旋
似之力學機制作比較，在此線性磁場強度下，磁場強度大小對磁性液滴施
垂直磁場，距中心 15mm 產生大約 300 Oe 的徑向磁場；於垂直磁場下在中 央形成串連的小液滴並在外面周圍產生數顆小液滴，不同於圖 1-28，位於 中央的串連液滴會隨著磁場作用下液滴顆數改變，最後只受徑向磁場影響 外圍液滴往外塗覆。
圖 1- 1 磁性流體包含奈米級鐵磁性粒子、表面活性劑與載基流體
圖 1- 2 羅森史維格結構物[1]
圖 1- 3 介面呈現六角形的羅森史維格結構物[2]
圖 1- 4 大型容器中產生不穩定單獨波[3]
圖 1- 5 利用 X 射線技術觀測磁流體表面產生羅森史維格不穩定現象[4]
圖 1- 6 磁性液滴分裂情形[5]
圖 1- 7 受垂直磁場影響磁性液滴薄層在預濕情況下所產生分裂之情形[7]
圖 1- 8 磁性液滴突破可互溶液體層所產生的界面不穩定現象
圖 1- 9 Hele-Shaw Cell 示意圖[9]
t=0 t=23.15
3.14815
t=46.30 t=69.44
t=92.59
t=185.19 t=208.33 t=231.48 t=462.96
t=694.44
t=115.74 t=138.89 t=162.04
t=1157.41 t=2314.82
二次不 穩定之 分歧點 第一次指狀化不穩定
圖 1- 10 磁性液滴與空氣界面產生之迷宮型不穩定現象[11]
圖 1- 11 於 Hele-Shaw 機制下，可互溶流體受磁場作用產生迷宮型現象[13]
圖 1- 12 混合型不穩定之界面分裂[14,15]
圖 1- 13 受到垂直磁場及旋轉磁場影響下所產生之界面演變[16]
圖 1- 14 模擬受垂直磁場及切線方向磁場影響所產生之現象[17]
圖 1- 15 磁性液滴受到徑向磁場作用，產生一連串指狀化現象[18]
圖 1- 16 混合水溶液陽離子表面活性劑和有機鹽產生不穩定現象[20]
圖 1- 17 徑向磁場作用時界面發展以及指狀化結構的增長[21]
圖 1- 18 在旋轉的 Hele-Shaw Cell 中薄液滴層塗佈向外擴展[22]
圖 1- 19 數值模擬於旋轉的機制下可互溶液體界面情況[23]
圖 1- 20 模擬不可互溶界面下指狀化現象的形狀以及其長度分佈[24]
圖 1- 21 磁性液滴在非磁性流體中施以旋轉磁場所產生指狀化現象[25]
圖 1- 22 數值模擬高速旋轉中，可互溶液滴界面不穩定現象[26]
圖 1- 23 旋轉塗佈指狀化不穩定現象[27]
圖 1- 24 高速旋轉產生指狀化現象[28]
圖 1- 25 聚合物的界面流動圖案[30]
圖 1- 26 EMG901 在甘油薄層上塗覆過程
圖 1- 27 EMG901 在大氣中塗覆過程
圖 1- 28 EMG905 與甘油型態變化(一)
圖 1- 29 EMG905 與甘油型態變化(二)
表 1- 1 磁性流體的製造方法