Новые композитные мультиферроидные материалы на основе магнитоактивных эластомеров и пьезоэлектрических компонент.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-72-10137

НазваниеНовые композитные мультиферроидные материалы на основе магнитоактивных эластомеров и пьезоэлектрических компонент.

Руководитель Макарова Людмила Александровна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-207 - Магнитные явления

Ключевые слова Многофункциональные материалы, мультиферроики, магнитоактивные эластомеры, пьезополимеры, магнитные наночастицы, магнитоэлектрическое преобразование, датчики

Код ГРНТИ29.19.00, 29.19.35, 29.19.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Поиск новых материалов для развития в области “гибкой” электроники является одним из востребованных направлений исследований современной науки. Для разработки универсальных устройств различных назначений (преобразователи, датчики, автономные источники энергии) необходимо исследование материалов, обладающих мультиферроидными свойствами, а также понимание фундаментальных принципов преобразований в них. При этом актуальными вопросами являются границы применимости этих материалов, стабильность полученных свойств и диапазоны внешних воздействий, в которых сохраняются и изменяются заданные параметры. Мобильность, легкость, компактность устройств диктуют определенные требования к условиям функционирования и свойствам используемых материалов. По этой причине исследование мультиферроиков на основе полимеров является перспективным. В данном проекте предлагается комплексное исследование свойств нового типа слоистого мультиферроика, состоящего из слоя магнитоактивного эластомера и слоя пьезоэлектрического полимера. Исследование включает в себя поиск композитного материала с максимальными значениями магнитоэлектрического преобразования и максимальной чувствительностью к внешним воздействиям различного типа и диапазона. Планируемые в проекте исследования (экспериментальные и численные) позволят создать феноменологическую модель преобразования в новых структурах и определить основные перспективы их прикладного применения. Одной из фундаментальных научных задач, решаемых в рамках проекта, является исследование механизмов связи между магнитными, электрическими и механическими свойствами слоистого композитного материала, в том числе исследование параметров тензорного характера магнитоэлектрических преобразований в структуре. На данный момент существующие слоистые твердофазные мультиферроики показали достаточно высокие значения магнитоэлектрического преобразования (до нескольких В/см*Э), однако методы их изготовления включают использование высоких температур и давлений. Также проводятся исследования слоистых композитов, состоящих из пьезоэлектрического полимерного слоя и тонкой металлической пленки магнитострикционного материала, однако использование пленочных ферромагнитных покрытий ограничивают величину механической деформации и, как следствие, магнитоэлектрического эффекта. Новизна проекта заключается в разработке нового композитного материала на основе магнитоактивного эластомера и пьезоэлектрического полимера. При этом состав магнитоактивного эластомера можно варьировать в процессе изготовления, используя магнитные частицы различных размеров (нано- и микро) и типов (магнитномягкие и магнитнотвердые, различной формы), а также можно изготавливать образцы с изотропным и анизотропным распределением частиц внутри полимерной матрицы. Имеющийся научный задел показывает возможность достижения резонансного магнитоэлектрического эффекта в таких структурах до нескольких В/см*Э, что сравнимо с существующими твердофазными материалами. За счет гибкости составляющих компонент можно разрабатывать, в частности, универсальные датчики повышенной чувствительности, автономные преобразователи энергии. Добавление сегнетоэлектрических частиц в состав одной из фаз также позволит увеличить отклик образца на внешние воздействия. Магнитоактивные эластомеры проявляют магнитодеформационный эффект, величина которого может достигать сотен процентов. Таким образом, при механической связи с пьезополимерным слоем величина индуцируемого напряжения также будет значительно увеличена по сравнению с тем же эффектом в материалах с магнитострикционными элементами. Более того, изменение модуля упругости эластомера во внешнем магнитном поле позволит настраивать величину отклика системы на внешнее воздействие с помощью прикладываемого поля смещения, что расширит диапазон условий функционирования элемента, а также увеличит его чувствительность. Возможности использования нового слоистого материала на основе магнитоактивного эластомера и пьезоэлектрического полимера в качестве чувствительного элемента датчика заключается в изменении резонансной частоты при появлении/изменении внешних воздействий. Поэтому данный проект в том числе направлен на динамические исследования образцов различного состава и измерение изменений параметров при внешних воздействиях. Таким образом, целью данного проекта является исследование особенностей мультиферроидных динамических преобразований в слоистых композитных структурах на основе магнитоактивного эластомера и пьезоэлектрического полимера. Исследование включает в себя разработку слоистой структуры и подбор ее параметров, а также параметров внешних воздействий для реализации максимального магнитоэлектрического эффекта и максимальной чувствительности. Для реализации данного проекта необходимо комплексное исследование свойств материалов, а именно: • Исследование магнитных свойств магнитоактивных эластомеров, их зависимости от типа магнитных частиц, их концентрации, размера и распределения внутри полимерной матрицы; • Исследование электрических свойств используемых пьезополимеров (зависимости индуцируемого напряжения от деформации, диэлектрической проницаемости от частоты, поляризации от электрического поля), а также влияния на их свойства мелкодисперсных сегнетоэлектрических и/или ферромагнитных наполнителей; • Исследование структурных свойств полимерных композитов, в частности, оценка распределения частиц в полимере в зависимости от метода изготовления композита; • Исследование динамического магнитоэлектрического преобразования в композитной структуре и его зависимости от параметров композитной структуры; определение резонансной частоты образцов в переменном магнитном поле; • Исследование смещения резонансной частоты и изменения индуцируемого сигнала образцов при различных внешних воздействиях: при постоянном магнитном поле различных ориентаций, при внешнем механическом давлении, в диапазоне рабочих температур. • Разработка численной модели магнитоэлектрического преобразования в предлагаемых композитных структурах, проведение численного моделирования, определение параметров магнитоэлектрического преобразования и их зависимости от состава компонент; сравнение результатов с экспериментальными данными. • Исследование стабильности свойств образцов к температурным, механическим воздействиям, устойчивости и долговечности материала, скорости деградации структуры и изменения свойств при циклическом воздействии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Макарова Л.А., Алехина Ю.А., Хайруллин М.Ф., Макарьин Р.А., Перов Н.С. Dynamic magnetoelectric effect of soft layered composites with a magnetic elastomer Polymers, Том 15, выпуск 10, страница 2262 (год публикации - 2023)
10.3390/polym15102262

2. Макарова Л.А., Алехина Ю.А., Макарьин Р.А., Перов Н.С. Layered composite based on piezopolymer and magnetic elastomer for energy conversion Международная Балтийская Конференция по Магнетизму, Сборник тезисов International Baltic Conference on Magnetism, 2023, 201 стр. (год публикации - 2023)

3. Макарова Л.А., Алехина Ю.А., Макарьин Р.А., Исаев Д.А., Колесникова В.Г., Родионова В.В., Перов Н.С. MAGNETOACTIVE ELASTOMER AS A COMPONENT FOR MAGNETOELECTRIC COMPOSITES Сборник тезисов конференции SAMARKAND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON MAGNETISM, ИП Колмогоров Игорь Александрович, 2023, 337 стр. (год публикации - 2023)

4. В.Д. Дятлов, С.Д. Макухина, Д.В. Савельев, Л.Ю. Фетисов, Ю.К. Фетисов, Л.А. Макарова Магнитоэлектрический эффект в гибких композитных структурах на основе магнитоактивных эластомеров Сборник докладов Международной научно-технической конференции, Москва, МИРЭА - Российский технологический университет, Стр. 503-507 (год публикации - 2023)

5. Савельев Д.В., Бурдин Д.А., Фетисов Л.Ю., Фетисов Ю.К., Перов Н.С., Макарова Л.А. Low-Frequency Resonant Magnetoelectric Effect in a Piezopolymer-Magnetoactive Elastomer Layered Structure at Different Magnetization Geometries. Polymers, Номер 16, выпуск 7, стр. 928 (15 стр.) (год публикации - 2024)
10.3390/polym16070928

6. Макарова Л.А., Макарьин Р.А., Сальников В.Д., Колесникова В.Г., Харламова А.М., Костров С.А., Крамаренко Е.Ю., Родионова В.В., Перов Н.С. Magnetic elastomer based composites for magnetoelectric application Book of Abstracts V Russian conference on magnetohydrodynamics (год публикации - 2024)

7. Макарова Л.А., Мусаев М.Т., Каландия М.Р., Костров С.А., Крамаренко Е.Ю., Сальников В.Д., Гаврилов Д.Е., Омельянчик А.С., Родионова В.В., Перов Н.С. Enhancement of Magnetoelectric Effect in Layered Polymer Composites by Zn2+ and Ni2+ Substitution in CoFe2O4 Nanoparticles Polymers, 17(9), 1183 (год публикации - 2025)
10.3390/polym17091183

8. Макарова Л.А., Малиновский Д.Н., Макарьин Р.А., Исаев Д.А., Перов Н.С. Магнитоэлектрический эффект в двухслойной структуре на основе магнитных эластомеров в градиентном магнитном поле Новое в Магнетизме и Магнитных Материалах. Сборник докладов XXV международной конференции. Москва, 2024. С. 520-522., Новое в Магнетизме и Магнитных Материалах. Сборник докладов XXV международной конференции. Москва, 2024. С. 520-522. (год публикации - 2024)

9. Фетисов Л.Ю., Савельев Д.В., Макарова Л.А., Перов Н.С. Куи Я.Д., Жу П., Фетисов Ю.К. Dynamics of resonant magnetoelectric effect in a magnetoactive elastomer based cantilever: Magnetic field induced orientation transition and giant frequency tuning Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 605, 172330 (год публикации - 2024)
j.jmmm.2024.172330

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проведен анализ влияния размера частиц и их подвижности в полимерной матрице на магнитоэлектрические свойства слоистых структур на основе магнитных эластомеров. Разные механизмы перемагничивания частиц разного размера в упругой матрице приводят к изменению параметров магнитоэлектрического эффекта (МЭЭ). МЭЭ был измерен в градиентном переменном магнитном поле в диапазоне частот до 200 Гц. Резонансная частота для микрочастиц превысила это значение для наночастиц, при этом резонансный МЭЭ для микрочастиц также больше, чем МЭЭ для наночастиц. Это объясняется влиянием подвижности частиц на МЭЭ: смещение микрочастиц в полимерной матрице под действием магнитного поля в дополнении к их втягиванию в градиент поля приводит к увеличению эффекта, в отличие от образца с наночастицами. Влияние подвижности частиц было также продемонстрировано при сравнении свойств МАЭ с микрочастицами железа, изотропно и анизотропно распределенных в полимере, при добавлении силиконового масла различной концентрации. В анизотропных МАЭ подвижность частиц в градиентном поле меньше, чем в изотропных МАЭ. Было продемонстрировано влияние параметров пьезополимерной подложки на МЭЭ. Пленки ПДВФ с наночастицами титаната бария (БТО) с нанесенными обкладками и дополнительным покрытием и слоем МАЭ показали больший МЭЭ по сравнению с пленками ПВДФ без частиц БТО. Это связано с двумя фактами: 1) использование наночастиц в процессе изготовления пленок ПВДФ увеличивает количество центров для образования сегнетоэлектрической бета-фазы в полимере; 2) использование сегнетоэлектрических частиц увеличивает сегнетоэлектрический отклик в пьезополимере. Обнаружено уменьшение резонансной частоты при увеличении длины кантилевера двухслойной структуры, а также увеличение выходного напряжения и МЭЭ при фиксированном МАЭ слое и градиенте переменного магнитного поля. При этом от ширины кантилевера резонансная частота не зависит, а МЭЭ уменьшается при уменьшении ширины балки за счет уменьшения абсолютного магнитного момента МАЭ слоя. Продолжены исследования в однородных переменном и постоянном магнитных поля в двух ориентациях. В продольных полях зависимость резонансной частоты от внешнего поля смещения является возрастающей, а перестройка частоты достигает максимального значения до 360%. В поперечных полях было достигнуто рекордное значение МЭЭ до 144 В*см-1*Э-1. Зависимость резонансной частоты от поля смещения является немонотонной с достижением минимального значения 20 Гц в критической точке. Получены результаты и разработана модель, количественно и качественно согласующаяся с экспериментом. Была проведена модернизация установки для измерения магнитоэлектрического эффекта в градиентном переменном магнитном поле с одновременным приложением однородного постоянного поля смещения. Для структуры с МАЭ с микрочастицами железа 75 масс% МЭЭ увеличился на 1296% в поле смещения 443 Э по сравнению с нулевым полем смещения. Для структуры с МАЭ с наночастицами ZnCFO 16 масс% увеличение эффекта составило 608%. Дополнительная подвижность микрочастиц позволила увеличить эффект на большую величину. В каждом случае внешнее магнитное поле намагничивает частицы в МАЭ слое, увеличивая их магнитный момент и поворачивая их момент в одно направление. Исследование влияния механической нагрузки на МЭЭ показало, что резонансное напряжение убывает с увеличением массы нагрузки по обратному закону. Резонансная частота также убывает с увеличением массы нагрузки по закону убывающей функции в степени 1/2. Изменение резонансной частоты можно использовать в дальнейшем для разработки датчиков нагрузки. Анализ полученных результатов и анализ влияния состава композитной структуры на параметры МЭЭ позволили предложить направления развития для использования композитного материала в различных практических применениях: элемента автономного преобразователя энергии и датчика градиента поля, датчика осадков в удаленных областях. Одним из преимуществ использования предложенной в данном проекте структуры на основе пьезополимерного слоя и слоя магнитоактивного эластомера является отсутствие необходимости приложения дополнительных постоянных магнитных полей смещения по сравнению с существующими мультиферроиками. Основной характеристикой автономного преобразователя является выходная электрическая мощность. Проводимое исследование позволяет точно настраивать необходимые параметры преобразователя, включая диапазон внешних магнитных полей, частотный диапазон работы устройства и необходимое выходное напряжение для различных маломощных назначений. Оценить изменение градиента магнитного поля можно по изменению выходного напряжения или смещению резонансной частоты. Для образца со слоем МАЭ толщиной 3 мм чувствительность к изменению градиента поля составляет 1.75 мВ/Э по напряжению и 0.107 Гц/Э по частоте. Для дальнейшего понимания чувствительности элемента к изменению градиента поля можно проводить измерения карты эффекта в зависимости от взаимного расположения образца и источника поля. Также возможно увеличить диапазон полей с помощью приложения постоянного поля. Двухслойная структура может стать основой для разработки датчика механической нагрузки за счет изменения резонансного сигнала и смещения резонансной частоты. Такой датчик может быть использован, например, для определения выпадения осадков в удаленных областях. Элемент может выполнять роль одновременно датчика и преобразователя энергии. А именно: изменение сигнала может быть не только зафиксировано, но и передано с помощью накопившейся энергии с помощью одного и того же элемента. Ссылки на опубликованные статьи: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2024.172330, https://doi.org/10.3390/polym17091183, https://www.elibrary.ru/item.asp?id=73950566

Публикации

Возможность практического использования результатов
1) Развитие высокотехнологичных отраслей промышленности, которое включает в себя производство датчиков нового поколения (мониторинг оборудования, системы безопасности, контроль градиента поля в энергетике, мониторинг деформаций мостов, зданий, трубопроводов, измерение осадков, вибраций в сейсмоактивных зонах) и использование композитов в энергогенерации и автономных системах (для питания IoT-устройств, датчиков в удалённых районах, автономные преобразователи для промышленных установок, например, в нефтегазовой отрасли для мониторинга трубопроводов). Использование таких элементов позволит снизить затраты на обслуживание инфраструктуры, повысить безопасность, снизить зависимость от батареек, развить «зелёные» технологии. 2) Разработка биосовместимых композитов для управляемых имплантов, протезов с обратной связью. 3) Развитие «умных» материалов и аддитивных технонологий, включает в себя создание новых производственных ниш. 4) Создание лабораторных установок для изучения МЭЭ в вузах (подготовка кадров для высокотехнологичных отраслей), развитие стартапов на базе технологии (грантовая поддержка, коммерциализация), повышение престижа инженерных профессий, развитие инновационной экосистемы. Проект может стать драйвером для развития новых отраслей, снижения импортозависимости и улучшения социальной инфраструктуры.