ИСТИНА

Для разработки универсальных устройств различных назначений (преобразователи, датчики, автономные источники энергии) необходим поиск новых материалов, обладающих мультиферроидными свойствами, а также необходимо понимание фундаментальных принципов магнито-электро-механических преобразований в них. В рамках настоящего проекта планируется разработка нового типа мультиферроика на основе пьезоэлектрического и магнитореологического полимеров. Такой материал может проявить универсальные мультиферроидые и магнитореологические свойства благодаря использованию полимерных компонент. В полученных материалах будут исследованы как прямые, так и обратные магнито-электро-механические преобразования. Планируемые в проекте экспериментальные и теоретические исследования позволят создать качественную модель преобразования в новых структурах и определить основные перспективы прикладного применения новых материалов. Универсальность и простота изготовления композитных структур на основе магнитореологических и пьезоэлектрических полимеров делает их перспективными за счет их многофункциональности и дешевизны. Основным назначением предлагаемых структур является преобразование, утилизация и сбор рассеянных видов энергии (механические вибрации, электромагнитные поля, температура, свет, химические загрязнения и др).

Investigations in the area of new multifunctional materials with multiferroic properties are topical for development of universal devices for various purposes (energy harvesting, transformation devices, sensors, autonomous energy sources). Also it is necessary to understand the fundamental principles of magneto-electro-mechancial relations and transformations in it. The development and investigations of new type of multiferroics based on magnetorheological and ferroelectric polymers are proposed in the work. It is assumed that this material has both multiferroic and magnetorheological properties due to polymer components. The investigation of direct and reverse magneto-electro-mechanical transformations in the samples is offered. The experimental and theoretical studies planned in the work will make it possible to propose the qualitative model of transformation in new structures and to determine the main prospects for the application of new materials. The universality and simplicity of preparation of composite structures based on magnetorheological and ferroelectric polymers makes them promising due to their multifunctionality and cheapness. The main applications of the proposed structures are the harvesting, transformation and utilization of dispersed types of energy (mechanical vibrations, electromagnetic fields, temperature, light, chemical pollution, etc.).

1. Изготовлены композитные слоистые материалы на основе пьезоэлектрических полимерных пленок (поливидилденфторид ПВДФ) и магнитореологических эластомерных пленок с различными концентрациями ферромагнитных микрочастиц. Отдельно изготовлены образцы магнитных эластомеров с теми же концентрациями частиц для изучения их свойств. 2. Получены экспериментальные данные об упругих свойствах каждой компоненты композитного материала, а также полной слоистой структуры. Определена аддитивность (или неаддитивность) упругих свойств композита. 3. Получены экспериментальные данные о магнитных свойствах эластомеров с разными концентрациями сильномагнитных частиц. Подобрана оптимальная концентрация частиц в силиконовой матрице эластомера, при которой намагниченность будет максимальной при одновременном сохранении оптимальных упругих свойств. 4. Получены экспериментальные данные об индуцированном электрическом напряжении в образце при его деформации в постоянном или переменном внешнем магнитном поле. Определена величина магнитоэлектрического эффекта с учетом толщины образца в зависимости от конфигурации полей с учетом тензорного характера пьезоэлектрического преобразования в ПВДФ пленке и от концентрации ферромагнитных частиц в эластомерном слое. Определена резонансная частота в динамическом случае, при которой эффект достигает максимального значения. Получены экспериментальные данные о релаксационных характеристиках колебательной системы исследуемого композитного материала в импульсных магнитных полях в зависимости от величины и длительности импульса. 5. Получены экспериментальные данные о влиянии внешнего электрического поля (постоянного и переменного) на магнитные свойства композитной структуры. Определен коэффициент обратного магнитоэлектрического преобразования в зависимости от внешних параметров и концентрации ферромагнитных частиц в эластомерном слое. Проведен анализ возможности прямого и обратного преобразования электромагнитных и механических колебаний системой «пьезоэлектрический полимер – магнитореологический эластомер». 6. Получены экспериментальные данные о временной стабильности магнитоэлектрических эффектов в разработанных слоистых композитах для исследования возможностей практического использования структур. 7. Проведено численное моделирование квазистатического и динамического магнитоэлектрического эффекта в слоистых структурах типа «пьезоэлектрик-ферромагнетик» с заданными физическими свойствами. Определено значение магнитоэлектрического эффекта и резонансной частоты (для динамического случая). Проведен анализ результатов, их сравнение с экспериментальными данными. Разработана феноменологическая модель для описания магнитоэлектрического преобразования в слоистых структурах указанного типа. 9. Проведено численное моделирование обратного магнитоэлектрического эффекта в слоистых структурах указанного типа с заданными физическими свойства. Получены оценочные значения величины эффекта и резонансной частоты и их зависимости от параметров, используемых при моделировании. 10. Проведен анализ возможностей прикладных применений разработанной композитной структуры с учетом полученных значений параметров магнитоэлектрических, обратных магнитоэлектрических, магнито-электро-механических преобразований. В частности, определение возможности использования разработанных материалов на основании изученных свойств в качестве датчиков, автономных преобразователей и поглотителей энергии электромагнитных и механических колебаний. 11. Полученные результаты будут представлены на международных конференциях и опубликована научная статья в международном журнале (из рейтинга Scopus или Webofknowledge).

Были проведены исследования магнитореологических материалов с различными типами наполнителей, а также были разработаны новые типы мультиферроиков на их основе при добавлении сегнетоэлектрических мелкодисперсных наполнителей. По теме магнитореологических материалов и мультиферроиков на их основе у руководителя и исполнителей проекта имеется более 10 публикаций в международных журналах из базы данных WebofScience.

План: 1-й год. Разработка и изготовление композитных слоистых материалов на основе пьезоэлектрических полимерных пленок (на основе материала поливинилденфторид ПВДФ) и магнитореологических эластомерных пленок с различными концентрациями сильномагнитных частиц. Исследование механических, магнитных и магнитоэлектрических свойств образцов. 1.1. Изготовление жидкой предкомпозиции магнитореологического эластомера на основе силиконовой матрицы с наполнением в виде ферромагнитных микрочастиц различных концентраций, а также его полимеризация непосредственно на пьезоэлектрической пленке при температуре до 80 0С для возникновения естественной адгезии между слоями. Также необходима отдельная полимеризация эластомера для изучения свойств этой компоненты. 1.2. Определение модуля упругости полимерной пьезоэлектрической пленки, покрытой проводящими обкладками и защитным полимерным слоем; определение модуля упругости пленки магнитореологического эластомера; определение модуля упругости композиции из двух типов пленок, выявление аддитивности (или неаддитивности) упругих свойств композитного материала. Для выполнения задач данного пункта плана может потребоваться модернизация существующих методов с учетом геометрических размеров и адгезионных свойств поверхностей материалов. 1.3. Измерение магнитных свойств эластомеров с разными концентрациями ферромагнитных частиц с помощью вибрационного магнитометра с целью выявления зависимости между значением намагниченности образца и его упругими свойствами. Поиск оптимальной концентрации ферромагнитных частиц в силиконовой матрице эластомера, при которой намагниченность будет максимальной при одновременном сохранении оптимальных упругих свойств. 1.4. Исследование квазистатического магнитоэлектрического эффекта в подготовленных композитных образцах. Для проведения измерений необходимо разработать установку по измерению параметров индуцированного электрического напряжения в образце при его деформации в постоянном внешнем магнитном поле. 1.5. Исследование релаксационных характеристик колебательной системы в импульсных магнитных полях в зависимости от типа используемого магнитного эластомера и от величины и длительности импульса магнитного поля. Для выполнения измерений необходимо разработать метод создания импульсного магнитного поля различных величины и длительности. Измерения эффекта могут проводиться с помощью установки из пп. 1.4. 1.6. Изучение временной стабильности магнитоэлектрических эффектов в разработанных слоистых композитах для исследования возможностей практического использования структур. 1.7. Проведение численного моделирования изменений магнитных свойств эластомера при его деформации. Моделирование деформации структуры при подаче электрического напряжения на пьезоэлектрический слой. Оценка величины обратного магнитоэлектрического эффекта в слоистых структурах «пьезоэлектрический полимер – магнитореологический эластомер». Разработка макета установки для измерения обратного магнитоэлектрического эффекта с учетом полученных оценочных значений; в частности, необходимо определить чувствительность приемных элементов и значения нагрузочных параметров для регистрации эффекта в структурах. 1.8. Проведение численного моделирования квазистатического магнитоэлектрического эффекта в слоистых структурах типа «пьезоэлектрик-ферромагнетик», при этом физические свойства каждого слоя задаются в соответствие с полученными экспериментальными данными. Вычисление индуцированного напряжения пьезоэлектрика с известными параметрами пьезоэлектрических коэффициентов. Моделирование деформации изгиба магнитного эластомера в постоянном внешнем магнитном поле. Анализ результатов, сопоставление с экспериментальными данными. Разработка предварительных численных моделей для моделирования динамического эффекта в указанных структурах. 1.9. Подготовка публикации, представление результатов на международных и российских конференциях. Подготовка отчета за 1-й год Проекта и коррекция планов на 2-й год Проекта.