ИСТИНА

Целью данного проекта является изучение особенностей мультиферроидных преобразований, а именно магнитодеформационного и магнитоэлектрического преобразований, в композитных объемных структурах на основе магнитореологических жидкостей, пен и эластомеров и их комбинаций. Особенностью проекта является анализ учета вкладов в механические, магнитные и электрические свойства каждой из компонент композитного материала. Мультиферроики, относящиеся к многофункциональным материалам, в настоящее время активно используются в различных областях робототехники, в датчиках, манипуляторах, а также в биомедицинских приложениях. В то же время для разработки новых типов устройств на основе мультиферроиков необходимо понимание фундаментальных принципов магнито-электро-механических преобразований. Недавно было обнаружено влияние внешних деформаций на магнитные свойства эластомера с ферромагнитными частицами, а также обнаружено влияние внешнего магнитного поля на электрические свойства эластомера с ферромагнитными и сегнетоэлектрическими частицами. Была разработана модель упругой связи между ферромагнитными и сегнетоэлектрическими частицами. Ожидается, что комбинация магнитореологических материалов различных типов позволит создать новые композитные материалы. Пены на основе полимерной пористой структуры с добавлением магнитной жидкости могут проявлять заметные магнитодеформационные свойства. Полимерные пористые структуры с МРЭ внутри могут обладать заметными внутренними деформациями, что, при добавлении сегнетоэлектрической компоненты, в итоге может привести к увеличению магнитоэлектрического преобразования.

The purpose of this project is to study the features of multiferroic transformations, namely magneto-deformation and magnetoelectric transformations, in composite bulk structures based on magnetorheological fluids, foams and elastomers and their combinations. The peculiarity of the project is the analysis of accounting contributions to the mechanical, magnetic and electrical properties of each component of the composite material. Multiferroics, related to multifunctional materials, are now actively used in various areas of robotics, in sensors, manipulators, and in biomedical applications. At the same time, in order to develop new types of devices based on multiferroics, it is necessary to understand the fundamental principles of magneto-electro-mechanical transformations. Recently, the influence of external deformations on the magnetic properties of an elastomer with ferromagnetic particles was discovered, and the effect of an external magnetic field on the electrical properties of an elastomer with ferromagnetic and ferroelectric particles was observed. A model of elastic coupling between ferromagnetic and ferroelectric particles was developed. It is expected that a combination of magnetorheological materials of various types will allow the creation of new composite materials. Foams based on a polymeric porous structure with the addition of a magnetic fluid can exhibit appreciable magneto-deformation properties. Polymeric porous structures with MRE inside may exhibit appreciable internal deformations, which, with the addition of a ferroelectric component, can ultimately lead to an increase in the magnetoelectric conversion.

1. Изготовлены объемные двухкомпонентные композитные материалы: магнитореологические эластомеры на основе силиконового компаунда и ферромагнитных нано- и микрочастиц (железо, неодим-железо-бор, феррит бария, феррит кобальта) с концентрацией ферромагнитного наполнителя не более 75 масс.%, магнитореологическая жидкость на основе керосина и наночастиц феррита кобальта с концентрацией магнитных частиц не более 30 об.%. Изготовлены трехкомпонентные композитные материалы на основе силиконовой пористой структуры (магнитореологические пены) с различными магнитореологическими наполнителями, перечисленными выше. 1.1. Получены систематические экспериментальные данные о магнитных и диэлектрических свойствах отдельных компонент, двух- и трехкомпонентных композитов, указанных выше. Определен механизм перемагничивания каждого типа частиц в упругой среде. 1.2. Получены экспериментальные данные о влиянии внешних воздействий в виде давления и температуры на магнитные и диэлектрические свойства объемных двух- и трехкомпонентных композитов в постоянном магнитном поле. Определены величины магнитодиэлектрического и обратного магнитодеформационного эффектов для двух- и трехкомпонентных образцов в зависимости от типа магнитного наполнителя и типа матрицы, а также в зависимости от внешнего давления и температуры. 1.3. Проведен последовательный анализ учета вклада каждой компоненты в магнитные, механические и электрические свойства композитов. Разработана феноменологическая модель влияния внешних воздействий (магнитное поле, напряжение, температура) на композитные двух- и трехкомпонентные структуры, проведено численное моделирование физических свойств образцов на основе предложенной модели. 1.4. Проведен поиск перспективных направлений для разработки устройств прикладного назначения на основе перечисленных выше двух- и трехкомпонентных магнитореологических материалов в инженерной и биомедицинской областях. В частности, определение возможности использования перечисленных магнитореологических материалов в качестве датчиков (по влиянию внешних воздействий на свойства материалов), клапанов, амортизирующих и смазывающих компонент. Проведение исследований различных биомедицинских применений, каждое из которых требует определенных физических свойств материалов (в зависимости от его назначения), в частности, предполагается использование магнитореологических материалов в перистальтических системах, в качестве искусственных мышц, демпфирующих элементов. 1.5. Полученные результаты будут представлены на международных конференциях и опубликована научная статья в международном журнале (из рейтинга Scopus или Webofknowledge).

К настоящему моменту у коллектива имеется десять научных публикаций в международных журналах. Коллективом проекта проведены исследования магнитных и электрических свойств мультиферроидных магнитных материалов (эластомеров и жидкостей) со следующими варьируемыми параметрами: концентрация магнитного наполнителя, размеры наполняющих частиц, тип магнитного наполнителя, тип матрицы. Предложено феноменологическое объяснение установленных зависимостей. Были установлены зависимости магнитных свойств двухкомпонентных магнитных эластомеров от типа и концентрации наполняющих частиц. Был предложен механизм перемагничивания частиц различных типов в упругой среде при изменении внешнего магнитного поля. Показано, что важную роль при исследовании свойств двухкомпонентных эластомеров в скрещенных магнитных полях играют недиагональные компоненты тензора магнитной восприимчивости. Обнаружено резонансное поведение действительной и мнимой частей магнитной проницаемости у эластомеров с микрочастицами феррита бария во внешнем поперечном магнитном поле при частотах порядка сотен герц. Обнаружено влияние внутренних механических напряжений в двухкомпонентном эластомере на величину МДЭ. Впервые определены температурные зависимости диэлектрической проницаемости мультиферроидных магнитных эластомеров. Были исследованы магнитные свойства биосовместимых водорастворимых композитных материалов на основе карбоксиметилцеллюлозы и наночастиц маггемита. Магнитные свойства наночастиц определяют их использование в качестве контрастирующих агентов в МРТ-исследованиях. Впервые изготовлены реологические композитные материалы на основе силиконовой резины и смеси двух типов наполнителей: магнитных и сегнетоэлектрических частиц. В новых мультиферроидных эластомерах впервые обнаружено взаимное влияние электрических и магнитных полей на магнитные и электрические характеристики материала, соответственно. Была предложена модель упругой связи между ферромагнитными и сегнетоэлектрическими частицами.

Полученные научные результаты предполагают разработку, исследование и анализ свойств различных композитных мультиферроидных материалов (на основе магнито- и электрореологических компонент). Также предполагается анализ вкладов компонент композитного материала в его свойства. Ожидается разработка феноменологических моделей, описывающих магнитные, механические и электрические свойства композитных материалов, и проведение численного моделирование на основе предложенных моделей. Исследование влияния внешних воздействий на магнитные, механические и электрические характеристики материалов позволит провести анализ перспектив прикладного применения разработанных материалов.