Негативная магнитострикционная бумага, образованная путем диспергирования частиц CoFe2O4 в нанофибриллах целлюлозы.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6144 (2023) Цитировать эту статью

389 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Полимеры часто комбинируют с магнитострикционными материалами для повышения их прочности. В этом исследовании сообщается о композитной бумаге на основе целлюлозных нанофибрилл (CNF), содержащей дисперсные частицы CoFe2O4 (CNF-CoFe2O4). Помимо придания намагниченности и магнитострикции, введение частиц CoFe2O4 снизило предел прочности и увеличило удлинение при разрушении композитной бумаги CNF–CoFe2O4. CNF отвечал за свойства композитной бумаги CNF-CoFe2O4 при растяжении. Следовательно, магнитные и магнитострикционные свойства, а также свойства на растяжение композитной бумаги УНВ–CoFe2O4 можно контролировать, изменяя соотношение смеси частиц УНВ и CoFe2O4.

Чтобы смягчить глобальный энергетический кризис и загрязнение окружающей среды, многие исследователи изучают альтернативные энергетические технологии, которые собирают энергию из окружающей среды (например, механические вибрации)1,2,3. Когда подача энергии из окружающей среды ограничена, устройства сбора пьезоэлектрической энергии генерируют достаточную мощность для целевых устройств, таких как датчики Интернета вещей4. С этой целью активно исследуются пьезоэлектрические материалы, композиты и устройства5,6,7,8,9,10,11 и оцениваются их характеристики сбора энергии вибрации.

Магнитострикционные материалы могут деформироваться под действием внешнего магнитного поля12. Магнитострикционный эффект был впервые описан Джеймсом Прескоттом Джоулем в 1842 г. Он сообщил, что железо, ферромагнитный материал, меняет свой размер в ответ на магнитное поле. С тех пор исследователи разработали различные магнитострикционные материалы, такие как сплавы Tb–Dy–Fe (терфенол-Д), сплавы Fe–Ga (галфенол), сплавы Fe–Co и CoFe2O4 (ферриты кобальта)14,15,16,17. , 18. Магнитострикционные материалы, композиты и устройства также привлекают внимание в области сбора энергии19,20,21,22,23,24. Терфенол-Д и гальфенол — хорошо известные гигантские магнитострикционные сплавы, показывающие хорошие магнитострикционные свойства при комнатной температуре, но хрупкие и дорогие1,16.

Чтобы преодолеть хрупкость магнитострикционных материалов, многие исследователи диспергировали магнитострикционные частицы через полимерную матрицу, образуя магнитострикционные полимерные композиты (МПК)25. Под действием внешнего магнитного поля магнитострикционные частицы деформируются и оказывают силу на полимерную матрицу, деформируя весь композит. Равновесие достигается за счет уравновешивания напряжений, возникающих в магнитострикционных частицах и полимерной матрице, что приводит к общей деформации МПК. MPC потенциально применимы для измерения тока и напряжения, гашения вибрации, срабатывания, мониторинга состояния здоровья и биомедицинских приложений. Кроме того, их легче изготовить с необходимой геометрией, чем упомянутые выше гигантские магнитострикционные сплавы. Предыдущие исследования МПК показали, что частицы терфенола-D26 и частицы галфенола27 диспергированы через матрицу эпоксидной смолы (композиты терфенол-D/эпоксидная смола и гальфенол/эпоксидная смола соответственно), частицы сплава Fe-Co, диспергированные через полиуретановую матрицу (Fe-Co/PU композиты)28 и различные другие29,30. Положительные значения магнитострикции 1600, 360 и 70 ppm были зарегистрированы в терфенол-D/эпоксидной смоле, гальфеноле/эпоксидной смоле и Fe-Co/PU соответственно. Однако МПК с отрицательным магнитострикционным эффектом исследованы лишь в небольшой степени. Нерсесян и др.31 сообщили о магнитострикции насыщения - 24 и - 28 частей на миллион в полых и твердых никелевых композитах соответственно. Аналогичным образом, Рен и др.32 сообщили об отрицательной магнитострикции в композитах псевдо-1-3 Sm0,88Dy0,12Fe1,93 с полимерными связями.

В последнее время устройства на основе бумаги и целлюлозы привлекают все большее внимание33, поскольку бумага имеет низкую стоимость (~ 0,005 доллара США/м2), биосовместима, экологически безопасна, на 100% пригодна для вторичной переработки и более растягивается, чем другие гибкие устройства на основе полимеров34. Целлюлозное волокно недорогое, биоразлагаемое, неопасное, пригодное для вторичной переработки и имеющее низкую плотность35. Целлюлозные нанофибриллы (ЦНФ), в частности, демонстрируют выдающуюся прочность, жесткость и ударную вязкость36 и, как ожидается, будут использоваться в качестве армирующих волокон37,38,39,40,41,42,43.