자기유변유체

package.lua 80번째 줄에서 Lua 오류: module 'Module:Namespace detect/data' not found. 자기유변유체 ( MR 유체 또는 MRF )는 일반적으로 오일 유형의 캐리어에 자기 입자가 포함된 스마트 유체 의 한 유형입니다.

자기장이 가해지면 유체는 겉보기 점도를 크게 증가시켜 점탄성 고체 가 됩니다 . 중요한 것은 유체의 항복 응력이 자기장 강도를 통해 매우 정확하게 제어될 수 있다는 것입니다. 결과적으로 힘을 전달하는 유체의 능력은 전자석으로 제어될 수 있으며 , 이로 인해 사용자 제어 기반 응용 제품이 적용 가능해집니다.

MR 유체는 입자가 더 작은 자성유체(ferrofluid)와 다릅니다. MR 유체 입자는 주로 마이크로미터 규모이며 브라운 운동에 비해 밀도가 너무 높아서 (저밀도 캐리어 유체에서) 부유 상태를 유지할 수 없습니다.

자성유체(ferrofluid) 입자는 주로 브라운 운동에 의해 부유되는 나노입자 이며 일반적으로 정상적인 조건에서는 안정되지 않습니다. 결과적으로 이 두 유체는 매우 다른 용도로 사용됩니다.

작동 방식[편집]

일반적으로 마이크로미터 또는 나노미터 규모의 구형 또는 타원체인 자성 입자는 캐리어 오일 내에 부유되며 아래와 같이 일반적인 상황에서 현탁액에 무작위로 분포됩니다.

그러나 자기장이 가해지면 미세한 입자(보통 0.1~10μm 범위)가 자속 선을 따라 정렬됩니다 . 아래를 참조하세요.

재료 거동[편집]

MR 유체의 거동을 이해하고 예측하려면 유체를 수학적으로 모델링해야 하며, 이는 다양한 재료 특성(예: 항복 응력 )으로 인해 약간 복잡해집니다. 위에서 언급한 바와 같이, 스마트 유체는 자기장이 가해지지 않으면 점도가 낮지만, 자기장이 가해지면 준고체(quasi-solid)가 되는 성질을 갖고 있습니다. MR 유체(및 ER ) 의 경우 유체는 실제로 활성화된("켜짐") 상태에 있을 때 항복점(전단이 발생하는 전단 응력 )까지 고체와 유사한 특성을 가정합니다. 이 항복 응력(일반적으로 겉보기 항복 응력이라고 함)은 유체에 적용되는 자기장에 따라 다르지만 최대 지점에 도달한 후자속 밀도는 유체가 자기적으로 포화되기 때문에 더 이상 영향을 미치지 않습니다. 따라서 MR 유체의 거동은 잘 조사된 재료 모델인 Bingham 플라스틱 과 유사한 것으로 간주될 수 있습니다.

그러나 MR 유체는 Bingham 플라스틱의 특성을 정확하게 따르지 않습니다. 예를 들어, 항복 응력(활성화 또는 "켜짐" 상태) 아래에서 유체는 자기장 강도에 따라 달라지는 것으로 알려진 복잡한 계수를 갖는 점탄성 물질 처럼 거동합니다. MR 유체는 전단 담화 (shear Thinning) 되는 것으로 알려져 있으며 , 이로 인해 전단 속도가 증가하면 항복 이상의 점도가 감소합니다. 또한 "오프" 상태에 있는 MR 유체의 거동은 비뉴턴식이며 온도에 따라 다르지만, 간단한 분석을 위해 유체가 궁극적으로 Bingham 플라스틱으로 간주될 만큼 편차가 거의 없습니다.

따라서 전단 모드에서의 MR 유체 거동 모델은 다음과 같습니다.

\tau =\tau _{y}(H)+\eta {dv \over dz},\quad \tau >\tau _{y}

$\tau$ = 전단 응력; $\tau _{y}$ = 항복 응력; $\mathrm {H}$ = 자기장 강도; $\eta$ = 뉴턴 점도; ${dv \over dz}$ 는 z 방향의 속도 구배입니다.

전단 강도[편집]

낮은 전단 강도는 적용 범위가 제한되는 주요 원인이었습니다. 외부 압력이 없을 때 최대 전단 강도는 약 100kPa입니다. 유체가 자기장 방향으로 압축되고 압축 응력이 2MPa이면 전단 강도는 1100kPa로 증가합니다. 표준자성입자를 장자성입자로 대체하면 전단강도도 향상된다.

입자 침전[편집]

철 입자는 입자와 운반 유체 사이의 고유한 밀도 차이로 인해 시간이 지남에 따라 현탁액에서 침전됩니다. 이것이 발생하는 속도와 정도는 MR 장치를 구현하거나 설계할 때 업계에서 고려되는 주요 속성 중 하나입니다. 계면활성제는 일반적으로 이 효과를 상쇄하는 데 사용되지만 유체의 자기 포화를 희생하여 활성화된 상태에서 최대 항복 응력이 나타납니다.

일반적인 MR 유체 계면활성제[편집]

MR 유체에는 종종 다음을 포함하되 이에 국한되지 않는 계면 활성제가 포함되어 있습니다.

올레산
테트라메틸암모늄 수산화물
구연산
대두 레시틴

이러한 계면활성제는 강입자 침전 속도를 감소시키는 역할을 하며, 높은 속도는 MR 유체의 불리한 특성입니다. 이상적인 MR 유체는 결코 안정되지 않을 것이지만, 이 이상적인 유체를 개발하는 것은 우리가 현재 이해하고 있는 물리 법칙에 따라 영구 운동 기계를 개발하는 것만큼이나 불가능합니다 . 계면활성제를 이용한 장기간 침전은 일반적으로 계면활성제를 첨가하거나 구형 강자성 나노입자를 첨가하는 두 가지 방법 중 하나로 달성됩니다. 나노입자를 추가하면 침전되지 않는 나노입자가 브라운 운동 으로 인해 더 큰 마이크로미터 크기 입자의 침전을 방해하기 때문에 더 큰 입자가 더 오랫동안 부유 상태로 유지됩니다 . 계면활성제를 첨가하면 미셀이 형성됩니다.철입자 주위에 형성됩니다. 계면활성제는 극성 머리와 비극성 꼬리(또는 그 반대)를 갖고 있으며, 그 중 하나는 강입자에 흡착되고 , 비극성 꼬리(또는 극성 머리)는 담체 매체에 튀어나와 역 또는 규칙적인 미셀을 형성합니다 . 각각 입자 주변. 이는 유효 입자 직경을 증가시킵니다. 입체적 반발력은 침전된 상태에서 입자의 심한 응집을 방지하여 유체 재혼합(입자 재분산)이 훨씬 빠르고 적은 노력으로 발생하도록 합니다. 예를 들어, 자기유변 댐퍼는 한 사이클 내에서 계면활성제 첨가제와 재혼합되지만, 계면활성제 없이 재혼합하는 것은 거의 불가능합니다.

계면활성제는 MR 유체의 침강 속도를 연장하는 데 유용하지만 일반적으로 최대 겉보기 항복 응력을 증가시키기 위해 사용자가 최대화하려는 매개변수인 유체의 자기 특성(특히 자기 포화)에 해로운 것으로 입증되었습니다. 침전 방지 첨가제가 나노구체 기반이든 계면활성제 기반이든 상관없이 첨가하면 활성화된 상태에서 강입자의 패킹 밀도가 감소하여 유체의 온상태/활성 점도가 감소하여 "더 부드러운" 활성화된 유체가 생성됩니다. 더 낮은 최대 겉보기 항복 응력. 온 상태 점도(활성화된 유체의 "경도")도 많은 MR 유체 응용 분야에서 주요 관심사이지만,

작동 모드 및 적용[편집]

MR 유체는 세 가지 주요 작동 모드, 즉 흐름 모드, 전단 모드, 압착 흐름 모드 중 하나에서 사용됩니다. 이러한 모드에는 각각 두 개의 고정 플레이트 사이의 압력 구배로 인한 유체 흐름이 포함됩니다. 서로에 대해 움직이는 두 판 사이의 유체; 평면에 수직인 방향으로 움직이는 두 판 사이의 유체. 모든 경우에 자기장은 판에 평행한 방향으로 유체를 제한하기 위해 판의 평면에 수직입니다.

흐름 모드(일명 밸브 모드)

전단 모드

압착 흐름 모드

이러한 다양한 모드의 적용 분야는 다양합니다. 흐름 모드는 자기장이 적용되는 채널을 통해 유체를 강제로 제어하도록 움직임을 사용하여 댐퍼 및 충격 흡수 장치에 사용할 수 있습니다. 전단 모드는 회전 동작을 제어해야 하는 클러치 및 브레이크에 특히 유용합니다. 반면에 스퀴즈 흐름 모드는 작은 밀리미터 단위의 움직임을 제어하지만 큰 힘이 필요한 애플리케이션에 가장 적합합니다. 이 특정 흐름 모드는 지금까지 조사가 가장 적었습니다. 전반적으로, 이 세 가지 작동 모드 사이에서 MR 유체는 광범위한 응용 분야에 성공적으로 적용될 수 있습니다. 그러나 여기서 언급해야 할 몇 가지 제한 사항이 있습니다.

제한 사항[편집]

스마트 유체는 많은 잠재적인 응용 분야를 갖고 있는 것으로 여겨지지만 다음과 같은 이유로 상업적 타당성에 제한이 있습니다.

철분 의 존재로 인해 밀도가 높으면 무겁습니다. 그러나 가동량이 적기 때문에 이것이 문제가 되긴 하지만 극복할 수 없는 것은 아닙니다.
고품질 유체는 가격이 비쌉니다.
유체는 장기간 사용하면 농도가 진해져서 교체해야 합니다.
일부 응용 분야에서는 철 입자의 침전이 문제가 될 수 있습니다.
극도로 높거나 낮은 온도에서는 작동할 수 없습니다.

언급한 바와 같이 상업적 응용이 존재하지만 이러한 문제(특히 비용)가 극복될 때까지 계속해서 소수가 될 것입니다.

2000년대의 발전[편집]

강자성 입자의 종횡비 변화 의 효과를 탐구하는 2000년대 후반에 발표된 연구에서는 기존 MR 유체에 비해 몇 가지 개선 사항이 나타났습니다. 나노와이어 기반 유체는 3개월 동안 정성적으로 관찰한 후에도 침전이 나타나지 않습니다. 이러한 관찰은 구에 비해 와이어의 대칭성이 감소하고 잔여 자화에 의해 함께 고정되는 나노와이어 격자의 구조적 지지 특성으로 인해 더 낮은 조밀 충전 밀도에 기인합니다. 또한 기존의 구형 또는 타원체 기반 유체와는 다른 입자 로딩 범위(일반적으로 부피 또는 중량 비율로 측정)를 보여줍니다. 기존 상업용 유체는 30~90wt%의 일반적인 로딩을 보이는 반면, 나노와이어 기반 유체는 ~0.5wt%(종횡비에 따라)의 삼출 임계값을 나타냅니다. 그들은 또한 ~35wt%의 최대 로딩을 보여줍니다. 높은 종횡비 입자는 끝에서 끝으로 회전하려고 시도할 때 입자당 제외 부피가 더 크고 입자 간 엉킴을 나타내기 때문에 한계가 발생하기 때문입니다. 유체의 높은 오프 상태 겉보기 점도로 인해 발생합니다. 이러한 하중 범위는 기존의 구형 기반 유체로는 불가능했던 새로운 응용 분야 세트가 가능함을 시사합니다.

최신 연구는 구형의 일부(일반적으로 2~8wt%)가 나노와이어로 대체된 기존 구형 기반 유체인 이형 자기유변유체에 초점을 맞췄습니다. 이러한 유체는 기존 유체보다 침강 속도가 훨씬 낮지만 기존 상업용 유체와 유사한 부하 범위를 나타내므로 댐핑과 같은 기존의 고하중 응용 분야에도 유용합니다. 더욱이, 이는 입자 치환 양에 걸쳐 10%의 겉보기 항복 응력 개선을 나타냅니다.

자기유변유체의 성능을 높이는 또 다른 방법은 압력을 가하는 것입니다. 특히 항복강도 측면에서 특성은 전단 모드에서 최대 10배까지 증가할 수 있으며 유동 모드에서는 최대 5배까지 증가할 수 있습니다. 이러한 행동의 동기는 Zhang 등의 반경험적 자기-마찰 모델에 의해 설명된 바와 같이 강자성 입자 마찰의 증가입니다. 압력을 가하면 자기유변 유체 거동이 크게 향상되지만 사용되는 밀봉 시스템의 기계적 저항성과 화학적 호환성 측면에서 특별한 주의를 기울여야 합니다.

애플리케이션[편집]

MR 유체의 적용 범위는 방대하며 유체 역학이 발전할 때마다 확장됩니다.

기계공학[편집]

다양한 용도의 자기유변 댐퍼가 개발되어 왔으며 계속해서 개발되고 있습니다. 이 댐퍼는 무거운 모터 댐핑, 건설 차량의 운전자 시트/운전실 댐핑 등과 같은 응용 분야와 함께 중공업에서 주로 사용됩니다.

2006년부터 재료 과학자와 기계 엔지니어 는 건물 내 어느 위치에나 배치할 때 건물의 공진 주파수 내에서 작동하고 구조 내에서 유해한 충격파 와 진동을 흡수하는 독립형 지진 댐퍼를 개발하기 위해 협력하고 있습니다. 건물을 내진성으로 만들거나 적어도 내진성을 갖도록 만드는 것입니다.

군사 및 국방[편집]

미 육군 연구실은 현재 방탄복을 강화하기 위해 MR 유체를 사용하는 연구에 자금을 지원하고 있습니다. 2003년에 연구자들은 유체의 총알 저항력을 만드는 데 5~10년이 걸릴 것이라고 밝혔습니다. HMMWV 및 기타 다양한 전지형 차량은 동적 MR 충격 흡수 장치 및/또는 댐퍼를 사용합니다.

광학[편집]

자기유변유체 기반 광학 연마 방법인 자기유변 마무리는 매우 정밀한 것으로 입증되었습니다. 허블 우주 망원경 의 교정 렌즈 제작에 사용되었습니다 .

자동차[편집]

차량 서스펜션 의 충격 흡수 장치가 일반 오일이나 가스 대신 자기유변 유체로 채워지고 두 챔버 사이에 댐핑 유체가 흐르도록 하는 채널이 전자석으로 둘러싸여 있으면 유체의 점도가 중요해 집니다 . 댐퍼 의 주파수는 운전자 선호도나 차량이 운반하는 무게에 따라 달라질 수 있습니다. 또는 매우 다양한 도로 조건에서 안정성 제어를 제공하기 위해 동적으로 변경될 수도 있습니다. 이는 사실상 자기유변 댐퍼 입니다 . 예를 들어, MagneRide 액티브 서스펜션 시스템을 사용하면 조건에 따라 밀리초마다 한 번씩 감쇠 계수를 조정할 수 있습니다. General Motors ( Delphi Corporation 과 제휴하여 )는 자동차 애플리케이션용으로 이 기술을 개발했습니다. Cadillac(세비야 STS 빌드 날짜가 2002년 1월 15일 이후 RPO F55 포함)과 Chevrolet 승용차(2003년 이후 F55 옵션 코드로 제작된 모든 Corvettes )로 데뷔했습니다. 2003년식 운전자가 선택할 수 있는 "자기 선택형 탑승 제어(MSRC)" 시스템의 일부입니다. 다른 제조업체에서는 자체 차량에 사용하기 위해 비용을 지불했습니다. 예를 들어 Audi와 Ferrari는 다양한 모델에 MagneRide를 제공합니다.

General Motors 및 기타 자동차 회사는 푸시 버튼 4륜 구동 시스템용 자기유변유체 기반 클러치 시스템을 개발하려고 합니다. 이 클러치 시스템은 구동축을 구동렬 에 고정시키는 유체를 굳히기 위해 전자석을 사용합니다 .

포르쉐는 2010년 포르쉐 GT3 및 GT2에 자기유변 엔진 마운트를 도입했습니다. 엔진 회전이 높을 때 자기유변 엔진 마운트는 더욱 단단해져 동력전달장치와 섀시/본체 사이의 상대적인 움직임을 줄여 보다 정확한 기어박스 시프터 느낌을 제공합니다.

2007년 9월부터 Acura(Honda)는 2007 MDX 모델 연도용으로 제조된 승용차에 MR 기술을 사용하는 것을 강조하는 광고 캠페인을 시작했습니다.

항공우주[편집]

자기유변 댐퍼는 충돌 시 안전 장치로 군용 및 상업용 헬리콥터 조종석 좌석에 사용하기 위해 개발 중입니다. 승객의 척추에 전달되는 충격을 줄여 충돌 중 영구 부상 비율을 줄이는 데 사용됩니다.

인간 보철물[편집]

자기유변 댐퍼는 반능동형 인간 의족에 활용됩니다. 군용 및 상업용 헬리콥터에 사용되는 것과 마찬가지로 의족의 댐퍼는 점프할 때 환자의 다리에 전달되는 충격을 줄여줍니다. 이는 환자의 이동성과 민첩성을 향상시킵니다.

햅틱 피드백 입력 장치[편집]

오스트리아의 XeelTech과 한국의 씨케이머티리얼즈랩은 자기유변유체를 사용하여 HAPTICORE 로터리 스위치 의 햅틱 피드백을 생성합니다 . MR 액추에이터는 주로 적응형 햅틱 피드백을 갖춘 입력 장치로 사용되어 사용자 인터페이스 디자인 에 새로운 가능성을 열어줍니다 . HAPTICORE 기술은 소형 MR 브레이크처럼 작동합니다. 회전 손잡이 내부의 작은 전자석에 의해 생성된 자기장을 변경함으로써 외부 쉘과 고정자 사이의 마찰이 수정되어 사용자가 제동 효과를 촉각 피드백으로 인식할 수 있습니다.

거의 실시간으로 유체의 유변학적 상태를 수정함으로써 틱, 그리드, 장벽 또는 한계와 같은 다양한 기계식 회전 손잡이 및 캠 스위치 햅틱 패턴을 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한 속도 적응형 및 방향 종속형 촉각 피드백 모드와 같은 새로운 형태의 촉각 피드백을 생성하는 것도 가능합니다. 이 기술은 예를 들어 산업 장비, 가전 제품 또는 컴퓨터 주변 장치 의 HMI 에 사용됩니다.

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