Нефарадеевское магнитоэлектричество в контексте мезомеханики
DOI:
https://doi.org/10.7242/2658-705X/2024.1.2Ключевые слова:
полимерные мультиферроики, магнитоэлектрическое преобразование, магнитострикция, пьезоэффект, полимерные пьезкомпозитные пленкиАннотация
Представлены физические основы магнитоэлектрического преобразования, использующего пьезоэлектрический эффект. Весь класс материалов, способных к такому преобразованию, носит название «мультиферроики». Важную для современных технологий группу мультиферроиков составляют композиционные среды, в которых совмещены ферромагнитная (или ферримагнитная) и пьезоэлектрическая компоненты. Магнитное поле, воздействуя на ферромагнетик, через него создает внутренние механические напряжения, которые воспринимаются другой фазой композита и запускают в ней пьезоэлектрический эффект, то есть делает образец источником разности потенциалов. Если ферромагнитная фаза – это всегда твердое вещество, то пьезофаза может быть не только кристаллом, но и полимером, что существенно расширяет возможности применения таких преобразователей. Фундаментальный анализ показывает, что в полимерном композите частицы ферромагнетика под действием внешнего поля возбуждают пьезоэффект сразу по двум путям: через магнитострикцию (изменение формы частицы) и через механическое изменение положения частицы
как целого. Хотя эти два способа, в принципе, независимы, в феррит-полимерном композите они всегда сосуществуют и при той или иной комбинации условий их совместное действие может либо повышать, либо понижать эффективность преобразования. Этот общий вывод проиллюстрирован результатами численного моделирования магнитоэлектрического эффекта в пленке композита, состав которого имитирует один из самых известных в настоящее время полимерных мультиферроиков: дисперсию частиц феррита кобальта в матрице из поливинилиденфторида (CFO-PVDF).
Библиографические ссылки
van Suchtelen J. Product Properties: A new application of composite materials // Phillips Research Reports. – 1972. – Vol. 27. – P. 28–37.
van den Boomgaard J., van Run A.M.J.G., van Suchtelen J. Magnetoelectricity in piezoelectricmagnetostrictive composites // Ferroelectrics. – 1975. – Vol. 10. – P. 295–298.
Joule J.P. On the effects of magnetism upon the dimensions of iron and steel bars // London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. Series 3. – 1847. – Vol. 30. – P. 76–87.
Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения. – М.: Наука, ГИФМЛ. 1987.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. – М.: Наука, 1982.
Curie J., Curie P. Développement, par pression, de l’électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclines // Bulletin de Minéralogie. – 1880. – Vol. 3–4. – P. 90–93.
Lovinger A.J. Recent developments in the structure, properties, and applications of ferroelectric polymers // Japanese Journal of Applied Physics. – 1985. – Vol. 24. – Suppl. 2. – P. 18–22.
Zhao X.-Z., Bharti V., Zhang Q.M., Romotowski T., Tito F., Ting R. Electromechanical properties of electrostrictive poly(vinylidene fluoride–trifluoroethylene) copolymer // Applied Physics Letters. – 1998. – Vol. 73. – P. 2054–2056.
Goen P. Introduction to Piezoelectric Materials and Components. Apeldoorn: Stichting Applied Piezo, 2018.
Nan C.-W., Bichurin M.I., Dong S., Viehlan D., Srinivasan G. Multiferroic magnetoelectric composites: Historical perspective, status, and future directions // Journal of Applied Physics. – 2008. – Vol. 103. – P. 031101.
Jiang J., Liu S., Feng L., Zhao D. A review of piezoelectric vibration energy harvesting with magnetic coupling based on different structural characteristics // Micromachines. – 2021. – Vol. 12. – P. 436.
Kopyl S., Surmenev R., Surmeneva M., Fetisov Y., Kholkin A. Magnetoelectric effect: principles and applications in biology and medicine – A review // Materials Today. – 2021. – Vol. 12. – P. 100149.
Zhang J., Chen X., Wang X., Fang C., Weng G.J. Magnetic, mechanical, electrical properties and coupling effects of particle reinforced piezoelectric polymer matrix composites // Composite Structures. – 2023. – Vol. 304. – P. 116450.
Martins P., Kolen’ko Yu.V., Rivas J., Lanceros-Méndez S. Tailored magnetic and magnetoelectric responses of polymer-based composites // ACS Applied Materials and Interfaces. – 2015. – Vol. 7. – P. 15017–15022.
Leung C.M., Li J., Viehland D., Zhuang X. A review on applications of magnetoelectric composites: from heterostructural uncooled magnetic sensors, Energy harvesters to highly efficient power converters // Journal of Physics D: Applied Physics. 2018. – Vol. 51. – P. 263002.
Tang B., Zhuang J., Wang L., Zhang B., Lin S., Jia F., Dong L., Wang Q., Cheng K., Weng W.-J. Harnessing cell dynamic responses on magnetoelectric nanocomposite films to promote osteogenic differentiation // ACS Applied Materials and Interfaces. – 2018. – Vol. 10. – P. 7848–7851.
Mushtaq F., Torlakcik H., Vallmajo-Martin Q., Siringil E.C., Zhang J., Röhrig C., Shen Y., Yu Y., Chen X.-Z., Müller R., Nelson B.J., Pané S. Magnetoelectric 3D scaffolds for enhanced bone cell proliferation // Applied Materials Today. – 2019. – Vol. 16. – P. 290–300.
Ferson N.D., Uhl A.M., Andrew J.S. Piezoelectric and magnetoelectric scaffolds for tissue regeneration and biomedicine: A review // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. – 2020. – Vol. 68. – P. 229–241.
Costa C.M., Cardoso V.F., Martins P., Correia D.M., Gonçalves R., Costa P., Correia V., Ribeiro C., Fernandes M.M., Martins P.M, Lanceros-Méndez S. Smart and multifunctional materials based on electroactive poly(vinylidene fluoride): recent advances and opportunities in sensors, actuators, energy, environmental, and biomedical applications // Chemical Reviews. – 2023. – Vol. 123. – P. 11392–11437.
Guduru R., Liang P., Hong J., Rodzinski A., Hadjikhani A., Horstmyer J., Levister E., Khizroev S. Magnetoelectric ‘spin’ on stimulating the brain // Nanomedicine. – 2015 – Vol. 10. – P. 2051–2061.
Singer A., Dutta S., Lewis E., Chen Z., Chen J.C., Verma N., Avants B., Feldman A.K., O’Malley J., Beierlein M., Kemere C., Robinson J.T. Magnetoelectric materials for miniature, wireless neural stimulation at therapeutic frequencies // Neron. – 2020. – Vol. 107. – P. 631–643.
Chen X., Zhang J., Gao Y., Weng G.J. Correlation between meso-structures and magnetoelectric properties in 0-3 magnetoelectric composites // International Journal of Mechanical Sciences. – 2024. – Vol. 262. – P. 108746.
Столбов О.В., Райхер Ю.Л. Моделирование пьезоэффекта в полимерной плёнке, наполненной дисперсным пьезоэлектриком // Вычислительная механика сплошных сред. – 2023. – Т. 16. – С. 517–527.
Stolbov O.V., Ignatov A.A., Rodionova V.V., Raikher Yu.L. Modelling the effect of particle arrangement on the magnetoelectric response of a polymer multiferroic film // Soft Matter. – 2023. – Vol. 19. – P. 4029–4040.
Stolbov O.V., Raikher Yu.L. Magnetostrictive and magnetoactive effects in piezoelectric polymer composites // Nanomaterials. – 2024. – Vol. 14. – P. 31.
Farshad M., Benine A. Magnetoactive elastomer composites // Polymer Testing. – 2004. – Vol. 23. – P. 347–353.
Martins P., Larrea A., Gonçalves R., Botelho G., Ramana E.V., Mendiratta S.K., Sebastian V., Lanceros-Méndez S. Novel anisotropic magnetoelectric effect on #-FeO(OH)/P(VDF-TrFE) multiferroic composites // ACS Applied Materials and Interfaces. – 2015. – Vol. 7. – P. 11224–11229.
Gutiérrez J., Martins P., Gonçalves R., Sencadas V., Lasheras A., Lanceros-Méndez S., Barandiar J.M. Synthesis, physical and magnetic properties of BaFe12O19/P(VDF-TrFE) multifunctional composites // European Polymer Journal. – 2015. – Vol. 69. – P. 224–231.
Anithakumari P., Mandal B.P., Abdelhamid E., Naik R., Tyagi A.K. Enhancement of dielectric, ferroelectric and magneto-dielectric properties in PVDF-BaFe12O19 composites // RSC Advances. – 2016. – Vol. 6. – P. 16073–16080.
Gonçalves R., Larrea A., Zheng T., Higgins M.J., Sebastian V., Lanceros-Méndez S., Martins P. Synthesis of highly magnetostrictive nanostructures and their application in a polymer-based magnetoelectric sensing device // European Polymer Journal. – 2016. – Vol. 84. – P. 685–692.
Alnassar M.Y., Ivanov Yu.P., Kosel J. Flexible magnetoelectric nanocomposites with tunable properties // Advanced Electronic Materials. – 2016. – Vol. 2. – P. 1600081.
Liang X., Matyushov A., Hayes P., Schell V., Dong C., Chen H., He Y., Will-Cole A., Quandt E., Martins P., McCord J., Medarde M., Lanceros-Méndez S., van Dijken S., Sun N.X., Sort J. Roadmap on magnetoelectric materials and devices // IEEE Transactions on Magnetics. – 2021. – Vol. 57. – P. 400157.
Seraji S.M., Guo Q. Polymorphism and crystallization in poly(vinylidene fluoride)/poly(- caprolactone)-block- poly(dimethylsiloxane)-block- poly(-caprolactone) blends // Polymers International. – 2020. – V. 69. – P. 173–183.
Licci F., Rinaldi S. Magnetostriction of some hexagonal ferrites // Journal of Applied Physics. – 1981. – Vol. 52. – P. 2442–2443.