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Apr 17, 2024

Papier magnétostrictif négatif formé en dispersant des particules de CoFe2O4 dans des nanofibrilles de cellulose

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 6144 (2023) Citer cet article 507 Accès 1 Détails des métriques Altmetric Les polymères sont souvent combinés avec des matériaux magnétostrictifs pour améliorer leur

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6144 (2023) Citer cet article

507 Accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

Les polymères sont souvent associés à des matériaux magnétostrictifs pour améliorer leur ténacité. Cette étude rapporte un papier composite à base de nanofibrilles de cellulose (CNF) contenant des particules de CoFe2O4 dispersées (CNF – CoFe2O4). En plus de conférer une magnétisation et une magnétostriction, l'incorporation de particules de CoFe2O4 a diminué la résistance à la traction ultime et augmenté l'allongement à la rupture du papier composite CNF-CoFe2O4. CNF était responsable des propriétés de traction du papier composite CNF – CoFe2O4. Par conséquent, les propriétés magnétiques et magnétostrictives ainsi que les propriétés de traction du papier composite CNF-CoFe2O4 peuvent être contrôlées en modifiant le rapport de mélange des particules de CNF et de CoFe2O4.

Pour atténuer la crise énergétique mondiale et la pollution de l'environnement, de nombreux chercheurs explorent des technologies énergétiques alternatives qui récupèrent l'énergie de l'environnement ambiant (par exemple, les vibrations mécaniques)1,2,3. Lorsque l’approvisionnement en énergie ambiante est limité, les dispositifs de récupération d’énergie piézoélectrique génèrent suffisamment d’énergie pour les dispositifs ciblés tels que les capteurs de l’Internet des objets4. À cette fin, les matériaux, composites et dispositifs piézoélectriques ont fait l'objet de recherches actives5,6,7,8,9,10,11 et leurs performances de récupération d'énergie vibratoire ont été évaluées.

Les matériaux magnétostrictifs peuvent se déformer sous un champ magnétique externe12. L'effet magnétostrictif a été décrit pour la première fois par James Prescott Joule en 184213. Il a rapporté que le fer, un matériau ferromagnétique, change de dimension en réponse à un champ magnétique. Depuis lors, les chercheurs ont développé divers matériaux magnétostrictifs tels que les alliages Tb-Dy-Fe (terfénol-D), les alliages Fe-Ga (galfénol), les alliages Fe-Co et CoFe2O4 (ferrites de cobalt)14,15,16,17. ,18. Les matériaux, composites et dispositifs magnétostrictifs attirent également l’attention dans le domaine de la récupération d’énergie19,20,21,22,23,24. Le terfénol-D et le galfénol sont des alliages magnétostrictifs géants bien connus présentant de bonnes propriétés magnétostrictives à température ambiante, mais sont fragiles et coûteux1,16.

Pour surmonter la fragilité des matériaux magnétostrictifs, de nombreux chercheurs ont dispersé des particules magnétostrictives à travers une matrice polymère, formant ainsi des composites polymères magnétostrictifs (MPC)25. Sous un champ magnétique externe, les particules magnétostrictives se déforment et exercent une force sur la matrice polymère, déformant l'ensemble du composite. L'équilibre est obtenu en équilibrant les contraintes générées dans les particules magnétostrictives et la matrice polymère, entraînant une déformation globale du MPC. Les MPC sont potentiellement applicables à la détection de courant et de contrainte, à l'amortissement des vibrations, à l'actionnement, à la surveillance de l'état de santé et aux applications biomédicales. De plus, ils sont plus faciles à fabriquer selon la géométrie requise que les alliages magnétostrictifs géants mentionnés ci-dessus. Des études antérieures sur les MPC ont rapporté des particules de terfénol-D26 et des particules de galfénol27 dispersées dans une matrice de résine époxy (composites terfénol-D/époxy et galfénol/époxy, respectivement), des particules d'alliage Fe-Co dispersées dans une matrice de polyuréthane (Fe-Co/PU composites)28 et divers autres29,30. Des valeurs de magnétostriction positives de 1 600, 360 et 70 ppm ont été rapportées respectivement dans le terfénol-D/époxy, le galfénol/époxy et le Fe-Co/PU. Cependant, les MPC ayant un effet magnétostrictif négatif n’ont été étudiés que dans une faible mesure. Nersessian et al.31 ont signalé des magnétostrictions à saturation de -24 et -28 ppm dans les composites de nickel creux et solides, respectivement. De même, Ren et al.32 ont signalé une magnétostriction négative dans les composites pseudo-1-3 Sm0.88Dy0.12Fe1.93 liés à un polymère.

Récemment, les dispositifs à base de papier et de cellulose ont attiré une attention croissante33 parce que le papier est peu coûteux (~ 0,005 $/m2), biocompatible, respectueux de l'environnement, 100 % recyclable et plus extensible que les autres dispositifs flexibles à base de polymère34. La fibre de cellulose est peu coûteuse, d’origine biologique, biodégradable, non dangereuse, recyclable et de faible densité35. Les nanofibrilles de cellulose (CNF), en particulier, présentent une résistance, une rigidité et une ténacité exceptionnelles36 et devraient être utilisées comme fibres de renforcement37,38,39,40,41,42,43.