ИСТИНА

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.

The search for new materials for development in the field of "flexible" electronics is one of the demanded research areas of modern science. For the development of multipurpose devices for various applications (transducers, sensors, autonomous energy sources), it is necessary to study materials with multiferroic properties and to understand the fundamental principles of energy conversions in them. At the same time, the relevant issues are the limits of applicability of these materials, the stability of the obtained properties and the ranges of external stimuli, in which the specified parameters are preserved and varied. The mobility, lightness, and compactness of the devices demand certain requirements for the conditions of operation and the properties of the materials to be used. For this reason, the study of polymer-based multiferroics is promising. This project proposes a complex study of the properties of a new type of layered multiferroic consisting of a layer of magnetoactive elastomer and a layer of piezoelectric polymer. The study includes the search for a composite material with maximum values of magnetoelectric conversion and maximum sensitivity to external stimuli of various types and ranges. The research (experimental and numerical) planned in the project will make it possible to create a phenomenological model of the energy conversion in new structures and to determine the main prospects for their application. One of the fundamental scientific tasks addressed by the project is to investigate the mechanisms of correlation between the magnetic, electrical and mechanical properties of the layered composite material, including the study of tensor parameters of the magnetoelectric conversions in the structure. At the moment, existing layered solid multiferroics have shown rather high values of magnetoelectric conversion (up to 40 V/cm*Oe), but their fabrication methods include the use of high temperatures and pressures. Layer composites consisting of a piezoelectric polymer layer and a thin metal film of magnetostrictive material are also under investigation, but the use of ferromagnetic film coatings limits the magnitude of mechanical deformation and, consequently, the magnetoelectric effect. The novelty of the project lies in the development of new composite material based on magnetoactive elastomer and piezoelectric polymer. The composition of the magnetoactive elastomer can be varied in the manufacturing process, using magnetic particles of different sizes (nano- and micro) and types (magnetically soft and magnetically hard, different shapes), and samples with isotropic and anisotropic particle distribution inside the polymer matrix can be made. The available scientific literature shows that it is possible to achieve a resonance magnetoelectric effect in such structures up to several V/cm*Oe. The flexibility of components makes it possible to develop universal sensors of high sensitivity and autonomous energy converters, among others. Adding ferroelectric particles to one of the phases will also increase the sample's response to external stimuli. Magnetoactive elastomers exhibit a magnetodeformation effect that can reach hundreds of percent. Thus, the magnitude of the induced stress will also be significantly increased compared to the same effect in materials with magnetostrictive elements due to mechanical coupling with the piezopolymer layer. Moreover, changing the elastomer elastic modulus in the external magnetic field will allow adjusting the magnitude of the system's response to the external stimuli using the applied biasing field, which will expand the range of the element functioning conditions, as well as increase its sensitivity. The possibility of using a new layered material based on magnetoactive elastomer and piezoelectric polymer as a sensing element of the sensor consists in changing the resonance frequency when external stimuli are applied/changed. Therefore, this study is also aimed at dynamic research of samples of different composition and measurement of changes in parameters under external stimuli. Thus, the goal of this project is to investigate the peculiarities of multiferroic dynamic transformations in layered composite structures based on magnetoactive elastomer and piezoelectric and polymer. The research includes development of the layered structure and selection of its parameters, as well as parameters of external influences for realization of the maximum magnetoelectric effect and maximum sensitivity.

В ходе исследований: - будут получены данные о распределении частиц в композитах в зависимости от способа изготовления, а именно: 1) данные об изотропном или анизотропном распределении ферромагнитных частиц в полимерной матрице магнитоактивного эластомера; 2) данные о распределении сегнетоэлектрических и/или ферромагнитных частиц в пьезоэлектрическом полимере; - будут получены данные о зависимости магнитных, электрических и магнитоэлектрических свойств композитов от состава компонент и технологии изготовления композита, в том числе от: 1) типа, размера и концентрации ферромагнитных частиц в полимерной матрице магнитоактивного эластомера; 2) изотропного или анизотропного распределения ферромагнитных частиц в магнитоактивном эластомере; 3) добавления сегнетоэлектрических и/или ферромагнитных частиц в пьезоэлектрический полимерный слой; - будут получены данные о зависимости резонансной частоты и амплитуды динамического магнитоэлектрического эффекта от состава компонент и технологии изготовления композита; - будет исследована зависимость смещения резонансной частоты и изменения индуцируемого сигнала образцов при различных внешних воздействиях: при постоянном магнитном поле различных ориентаций, при внешнем механическом давлении, при различных температурах; - будут получены данные об устойчивости и долговечности материала, о скорости деградации структуры и изменения свойств при циклическом воздействии; - будет разработана численная модель магнитоэлектрического преобразования в предлагаемых композитных структурах с учетом вязко-упругих свойств магнитоактивных эластомеров, будут получены зависимости параметров магнитоэлектрического преобразования от состава компонент и проведено сравнение результатов с экспериментальными данными.

Исследования свойств многофункциональных материалов ведутся коллективом исполнителей проекта на постоянной основе. В частности, одним из основных направлений работы исследовательской группы является изучение свойств магнитоактивных эластомеров – композитов на основе упругих полимеров с наполнителем в виде ферромагнитных частиц - и их изменений под действием различных факторов. Исследована связь механических свойств магнитоактивных эластомеров с их электрическими и магнитными свойствами [1,2]. Членами коллектива недавно были разработаны новые типы мультиферроиков на основе магнитных эластомеров с добавлением сегнетоэлектрических частиц [3-5]. Были также исследованы слоистые композитные мультиферроидные материалы на основе магнитных эластомеров с частицами карбонильного железа и пьезополимера PVDF в коммерчески доступной форме датчиков давления [6-8] Участниками проекта получено свидетельство о регистрации прав на программное обеспечение [9] по моделированию свойств магнитных эластомеров в рамках метода молекулярной динамики. [1]E. Y. Kramarenko, et al. // Smart Materials and Structures. – 2015. - Vol. 24. - 035002. [2] L. A. Makarova, et al. // Physics procedia. – 2016. - vol. 82. - pp. 38– 45. [3] L. A. Makarova,et al.// IEEE Transactions on Magnetics. — 2017. — Vol. 53, no. 11. — P. 2502407 [4] L. A. Makarova, et al. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. — 2019. — Vol. 470. — P. 89–92.. [5] L. Makarova, et al.// EPJ Web of Conferences. – 2018. – V. 185. – P. 07008. [6] Makarova L.A.et al.// Polymers. – 2022. - V. 14. – P. 153. [7] L.A. Makarova, et al. // Journal of physics D: Applied physics. – 2020. [8] Патент RU 2 731 416 C1, Макарова Л.А., Алехина Ю.А., Хайруллин М.Ф., Перов Н.С., 02.09.2020. [9] Свидетельство о регистрации прав на ПО № 2021610943, Исаев Д.А., Макарова Л.А., Алехина Ю.А., Семисалова А.С., Перов Н.С., 19.02.2021.

1 год: Ожидается получение данных о свойствах магнитоактивных эластомеров с магнитномягкими микрочастицами и пьезополимера. Ожидается получение слоистых композитов на основе магнитоактивных эластомеров с микрочастицами, изотропно и анизотропно распределенных в полимерной матрице. Ожидается получение зависимости магнитоэлектрического эффекта от концентрации и изотропности распределения частиц в магнитоэластомерном слое. 1.1. Ожидается изготовление и/или приобретение коммерчески доступных магнитномягких микрочастиц железа. Ожидается изготовление магнитоактивных эластомеров с данными частицами различных концентраций с их изотропным и анизотропным распределением. Ожидается изготовление пьезоэлектрических полимеров в виде пленок. Ожидается изготовление слоистых композитов на основе эластомеров и пьезоэлектрических полимерных пленок. 1.2. Ожидается получение данных о составах и размерном распределении частиц, ожидается получение данных о магнитных свойствах частиц и эластомеров на их основе, ожидается получение данных о распределении частиц внутри полимерной матрицы эластомера. 1.3. Ожидается получение данных о механических свойствах магнитоактивных эластомеров с частицами железа разных концентраций, полимерных матриц без наполнителя, пьезополимеров. Ожидается получение данных о температурной стабильности и деградационных особенностей полимерных компонент. 1.4. Ожидается получение зависимостей диэлектрической проницаемости пьезополимеров от частоты, индуцируемого напряжения от деформации, поляризации от электрического поля. 1.5. Ожидается получение зависимости магнитоэлектрического эффекта и резонансной частоты в слоистых композитах от состава магнитоэластомерного слоя. 1.6. Ожидается разработка моделей и проведение численного моделирования магнитоэлектрического эффекта в слоистых структурах “магнитный эластомер-пьезоэлектрический полимер” с учетом вязко-упругих взаимодействий, результаты будут сопоставлены с экспериментальными данными. 1.7. Ожидается публикация результатов в 2 международных журналах и представление результатов на 2 международных конференциях. 2 год: Ожидается получение и исследование свойств ферромагнитных частиц наноразмеров и магнитоэластомерных композитов на их основе. Ожидается получение и исследование свойств сегнетоэлектрических частиц и пьезополимерных нанокомпозитов на их основе. Ожидается изготовление слоистых композитов на основе магнитоактивных эластомеров различных составов и композитных пьезополимеров. Ожидается получение данных о величине магнитоэлектрического эффекта в данных композитах. 2.1. Ожидается изготовление магнитномягких наночастиц металл-замещенных кобальтовых ферритов и магнитнотвердых наночастиц феррита кобальта. Ожидается изготовление магнитоактивных эластомеров с данными частицами различных концентраций с их изотропным распределением. Ожидается изготовление сегнетоэлектрических наночастиц (ЦТС и феррита висмута). Ожидается изготовление нанокомпозитов на основе пьезополимеров и сегнетоэлектрических частиц. 2.2. Ожидается получение данных о составах и размерном распределении частиц во всех композитах. Ожидается получение данных о распределении частиц внутри полимерной матрицы эластомера и пьезополимера. 2.3. Ожидается получение данных о магнитных свойствах наночастиц и эластомеров на их основе. Ожидается получение данных об электрических свойствах пьезополимеров с сегнетоэлектрическим наполнением, сравнение со свойствами пьезополимеров без наполнения. 2.4. Ожидается получение зависимости магнитоэлектрического эффекта и резонансной частоты в слоистых композитах различных типов от составов магнитоэластомерного слоя и пьезополимерного слоя. 2.5. Ожидается получение данных о механических свойствах магнитоактивных эластомеров, пьезополимеров. Ожидается получение данных о температурной стабильности и деградационных особенностей полимерных компонент. 2.6. Ожидается получение результатов численного моделирования с учетом пьезоэлектрических свойств одного из слоев образца и их сравнение с экспериментальными данными. 2.7. Ожидается публикация результатов в трех международных журналов и представление результатов на международных конференциях. 3 год: Ожидается получение магнитоактивных эластомеров на основе ферромагнитных частиц различных типов и размеров с использованием полимеров различной жесткости различной толщины. Ожидается получение данных о влиянии жесткости полимера и толщины магнитоэластомерного слоя на величину магнитоэлектрического эффекта. Ожидается получение данных о влиянии внешних воздействий в виде постоянного магнитного поля смещения и механической нагрузки на магнитоэлектрический эффект в слоистых образцах в рабочих диапазонах температур. Ожидается разработка макетов устройств прикладных назначений - автономных преобразователей энергии и универсальных датчиков. 3.1. Ожидается изготовление магнитоактивных эластомеров различных составов с использованием полимеров различной жесткости различных толщин. Ожидается получение зависимостей магнитных, механических и магнитоэлектрических свойств в зависимости от жесткости и толщины магнитоэластомерного слоя. 3.2. Ожидается возможность измерения магнитоэлектрического эффекта при различных внешних нагрузках в рабочем диапазоне температур с помощью модернизированной установки. 3.3. Ожидается получение результатов о смещении резонансной частоты магнитоэлектрического эффекта при различных ориентациях внешнего постоянного магнитного поля смещения. 3.4. Ожидается получение результатов об изменении параметров динамического магнитоэлектрического эффекта при приложении к образцу механических нагрузок в рабочем диапазоне температур. 3.5. Ожидается разработка макетов устройств автономных преобразователей энергии и датчиков. 3.6. Ожидается публикация результатов в трех международных журналах, патентование результатов, представление на международных конференциях.