磁気レオロジー流体

磁気レオロジー流体（MR流体、またはMRF ）は、磁場にさらされると見かけの粘度が大幅に増加し、粘弾性固体になるスマート流体の一種です。^{[ 1 ]}重要なのは、アクティブ（「オン」）状態の流体の降伏応力は、磁場強度を変化させることで非常に正確に制御できることです。その結果、流体の力伝達能力を電磁石で制御できるため、制御に基づく多くの応用が可能になります。

MR流体は、より小さな粒子を持つ強磁性流体とは異なります。MR流体の粒子は主にマイクロメートルスケールであり、密度が高すぎるため、ブラウン運動によって（低密度のキャリア流体中に）懸濁状態を維持できません。一方、強磁性流体の粒子は主にナノ粒子であり、ブラウン運動によって懸濁状態を維持しているため、通常の条件下では沈降しません。そのため、これら2種類の流体は用途が大きく異なります。

2000年代後半から発表された、強磁性粒子の縦横比を変化させた場合の影響を調べた研究では、従来のMR流体に比べていくつかの改善が見られました。ナノワイヤベースの流体は、3か月にわたる定性的な観察の後、沈降を示しませんでした。この観察は、球体と比較してワイヤの対称性が低下したことによる密充填密度の低下と、残留磁化によって結合されたナノワイヤ格子の構造的支持性によるものと考えられています。^{[ 2 ] [ 3 ]}さらに、従来の球体または楕円体ベースの流体とは異なる粒子負荷範囲（通常は体積または重量分率で測定）を示します。従来の市販の流体は、典型的な負荷が30～90重量％であるのに対し、ナノワイヤベースの流体は、パーコレーション閾値が約0.5重量％（縦横比による）を示します。^{[ 4 ]}また、高アスペクト比の粒子は、粒子あたりの排除体積が大きく、また、粒子が回転しようとすると粒子同士が絡み合うため、流体のオフ状態の見かけ粘度が高くなることにより、最大負荷量が約35重量％であることが示されています。この負荷量の範囲は、従来の球状流体では不可能だった新しい一連のアプリケーションが可能であることを示唆しています。

最近の研究では、二形性磁気レオロジー流体に焦点が当てられています。これは、従来の球状流体の一部（通常2～8重量%）をナノワイヤに置き換えたものです。これらの流体は、従来の流体よりもはるかに低い沈降速度を示しますが、従来の市販流体と同様の荷重範囲を示すため、減衰などの既存の高力用途にも有用です。さらに、これらの粒子置換量全体で見かけの降伏応力が10%向上することも示されています。^{[ 5 ]}

磁気レオロジー流体の性能を向上させるもう1つの方法は、圧力を加えることです。特に、降伏強度に関する特性は、せん断モードで最大10倍^{[ 6 ]}、流動モードで最大5倍まで向上させることができます^{[ 7 ]} 。この挙動の動機は、Zhangらによる半経験的磁気摩擦モデルで説明されているように、強磁性粒子の摩擦の増加です。圧力を加えることで磁気レオロジー流体の挙動が大幅に改善されますが、使用するシールシステムの機械的耐性と化学的適合性に関して特に注意を払う必要があります。

磁性粒子は、通常はマイクロメートルまたはナノメートルスケールの球状または楕円体であり、キャリアオイル中に懸濁され、通常の状態ではランダムに分散している。

しかし、磁場が印加されると、微粒子（通常は0.1～ 10μmの範囲）は磁束 線に沿って整列します[ ^{8 ] （}下記参照）。

MR流体の挙動を理解し予測するには、流体を数学的にモデル化する必要がありますが、降伏応力などの材料特性が変化するため、この作業はやや複雑になります。前述のように、スマート流体は、印加磁場がない状態では低粘度ですが、磁場を印加すると準固体になります。MR流体（およびER）の場合、流体は、降伏点（せん断が発生するせん断応力）に達するまで、活性化（「オン」）状態では固体に匹敵する特性を示します。この降伏応力（一般に見かけの降伏応力と呼ばれる）は、流体に印加される磁場に依存しますが、流体が磁気的に飽和するため、磁束密度の増加はそれ以上効果がない最大値に達します。したがって、MR流体の挙動は、十分に研究されている材料モデルであるビンガム塑性体と類似していると考えることができます。

しかしながら、MR流体は厳密にはビンガム塑性体の特性に完全には従いません。例えば、降伏応力以下（活性化状態、すなわち「オン」状態）では、流体は粘弾性体として振る舞い、その複素弾性率は磁場強度に依存することが知られています。また、MR流体はせん断減粘性を示すことも知られており、降伏応力以上の粘度はせん断速度の増加とともに低下します。さらに、「オフ」状態のMR流体の挙動も非ニュートン流体であり、温度依存性がありますが、単純な解析においては、最終的にはビンガム塑性体として扱うことができる程度にわずかにしか逸脱しません。

したがって、せん断モードにおけるMR流体の挙動に関する我々のモデルは次のようになる。

${\displaystyle \tau =\tau _{y}(H)+\eta {\frac {dv}{dz}},\tau >\tau _{y}}$

どこ$\displaystyle \tau }$＝せん断応力$\displaystyle \tau _{y}}$＝降伏応力${\displaystyle H}$＝磁場強度${\displaystyle \eta }$= ニュートン粘性${\displaystyle {\frac {dv}{dz}}}$はz方向の速度勾配です。

せん断強度が低いことが、用途範囲が限られている主な理由である。外部圧力がない場合、最大せん断強度は約 100 kPa である。流体が磁場方向に圧縮され、圧縮応力が 2 MPa の場合、せん断強度は 1100 kPa まで上昇する。^{[ 9 ]}標準的な磁性粒子を細長い磁性粒子に置き換えると、せん断強度も向上する。^{[ 10 ]}

強磁性粒子は、粒子と担体流体との固有の密度差により、時間の経過とともに懸濁液から沈殿します。この沈殿の速度と程度は、MR装置の実装または設計において業界で考慮される主要な特性の1つです。通常、この影響を相殺するために界面活性剤が使用されますが、その代償として流体の磁気飽和度が低下し、活性化状態における最大降伏応力が低下します。

使用される界面活性剤には以下が含まれます: ^{[ 11 ]}

• オレイン酸
• テトラメチルアンモニウムヒドロキシド
• クエン酸
• 大豆レシチン

これらの界面活性剤は、強磁性粒子の沈降速度を低下させる働きをします。沈降速度が速いことは、MR流体にとって好ましくない特性です。理想的なMR流体は決して沈降しませんが、現在の物理法則の理解によれば、このような理想的な流体を開発することは、永久機関を開発することと同じくらい不可能です。界面活性剤による沈降時間の延長は、通常、界面活性剤の添加と球状強磁性ナノ粒子の添加という2つの方法のいずれかで実現されます。ナノ粒子を添加すると、沈降しないナノ粒子がブラウン運動によってより大きなマイクロメートルスケールの粒子の沈降を妨げるため、より大きな粒子がより長く懸濁状態を維持します。界面活性剤を添加すると、強磁性粒子の周囲にミセルが形成されます。界面活性剤は極性頭部と非極性尾部（またはその逆）を持ち、一方の極性頭部が強磁性粒子に吸着し、もう一方の非極性尾部（または極性頭部）が担体媒体中に突き出て、粒子の周囲にそれぞれ逆ミセルまたは正ミセルを形成します。これにより、粒子の実効直径が増加します。立体反発により、沈降状態での粒子の凝集が抑制され、流体の再混合（粒子の再分散）がはるかに速く、より少ない労力で起こります。例えば、磁気レオロジーダンパーは界面活性剤を添加することで1サイクル以内に再混合できますが、添加しない場合は再混合はほぼ不可能です。

界面活性剤はMR流体の沈降速度を延長するのに有用ですが、流体の磁気特性（特に磁気飽和）にも悪影響を及ぼします。磁気飽和は、最大見かけ降伏応力を最大化するためにユーザーが最大化したいパラメータです。沈降防止添加剤がナノスフェアベースか界面活性剤ベースかにかかわらず、添加すると活性化状態の強磁性粒子の充填密度が低下し、その結果、流体のオン状態/活性化粘度が低下し、最大見かけ降伏応力が低い「柔らかい」活性化流体になります。オン状態粘度（活性化流体の「硬さ」）は多くのMR流体用途で主要な懸念事項ですが、商業および産業用途の大部分では主要な流体特性であるため、オン状態粘度、最大見かけ降伏応力、およびMR流体の沈降速度を考慮する際には妥協点を見つける必要があります。

MR流体は、主に3つの動作モード、すなわち流動モード、せん断モード、およびスクイーズフローモードのいずれかで使用されます。これらのモードはそれぞれ、2枚の静止プレート間の圧力勾配によって流体が流れるモード、互いに相対的に移動する2枚のプレート間の流体の流れ、およびプレートの平面に垂直な方向に移動する2枚のプレート間の流体の流れに対応します。いずれの場合も、磁場はプレートの平面に垂直であるため、流体はプレートに平行な方向に制限されます。

これらの様々なモードの応用例は数多くあります。フローモードは、制御対象の動きを利用して流体を磁場が印加されたチャネルに押し込むことで、ダンパーやショックアブソーバーに利用できます。せん断モードは、回転運動を制御する必要があるクラッチやブレーキに特に有効です。一方、スクイーズフローモードは、ミリメートル単位の小さな動きを制御するものの、大きな力を必要とする用途に最適です。このフローモードは、これまで最も研究が進んでいません。

MR流体の応用範囲は非常に広く、流体の力学に関する進歩に伴い、その範囲は拡大し続けている。

• 強磁性流体– 磁石の極に引きつけられる液体 
• 電気レオロジー流体– 化学懸濁液の一種 
• レオロジー― 主に流体状態における物質の流れを研究する学問 
• レオロジー測定法– 流体の流れ（レオロジー）を研究するために用いられる実験手法 

• MRFが無料で公開している記事の一部
• 磁気レオロジー流体の実験- 準備手順
• Howstuffworks.com 液体防弾チョッキ
• Howstuffworks.com スマート構造