ИСТИНА

В настоящее время ведутся активные исследования свойств материалов, обладающих свойствами мультиферроиков. В мультиферроидных композитах, содержащих пьезоэлектрические и ферромагнитные компоненты, магнитоэлектрический (МЭ) эффект возникает в результате комбинации магнитострикции и пьезоэффекта посредством механической связи между компонентами. Однако, в первых объемных композитах МЭ эффект оказался значительно слабее, чем ожидалось, что было обусловлено наличием токов утечки через проводящие ферромагнитные частицы. Для решения проблемы было предложено использовать трехкомпонентные объемные композиты, содержащие ферромагнитные и пьезоэлектрические частицы, закрепленные в диэлектрической полимерной матрице. Мультиферроидные свойства данных композитных материалов формируются из-за наличия магнитострикционной ферромагнитной и сегнетоэлектричекой компонент структуры. Следует отметить, что в настоящее время практически отсутствуют данные о мультиферроиках на основе эластомеров, хотя композиты на основе эластомеров с магнитным наполнителем обладают широким спектром параметров, управляемых магнитным полем. В основном внимание обращается на исследования влияния магнитного поля на механические свойства магнитных эластомеров (магнитная реология). Однако, до сих пор не было попыток совместить магнитореологические свойства эластомеров (возможность управлять свойствами с помощью магнитного поля) и мультиферроидные свойства композитов из сегнетоэлектриков и ферромагнетиков. Совмещение таких характеристик даст новый многофункциональный материал. Предполагается, что изменение поляризации сегнетоэлектрика будет происходить под действием механических напряжений, возникающих в данном случае не за счет магнитострикционных свойств ферромагнитных частиц, а за счет деформации упругой матрицы при смещении магнитных частиц под действием внешнего магнитного поля. Целью исследований, проводимых Исполнителем проекта, является изучение особенностей магнитоэлектрического преобразования в объемных композитных мультиферроиках на основе эластомеров с ферромагнитными и сегнетоэлектрическими наполнителями, в том числе поиск и разработка новых многофункциональных материалов и структур с магнитоэлектрическими и магнитореологическими свойствами. Отличительной особенностью настоящего Проекта является использование трехкомпонентных композитов на основе упругой диэлектрической, ферромагнитной проводящей или непроводящей и сегнетоэлектрической фаз; объединение всех трех фаз в объемный композитный материал позволит получить новые многофункциональные мультиферроики.

In multiferroic composites containing piezoelectric and ferromagnetic components, magnetoelectric (ME) effect is the result of combination of piezoelectric and magnetostrictive means of a mechanical connection between the components. However, in the bulk composites ME effect was much weaker than expected, which was due to the presence of leakage currents through conductive ferromagnetic particles. To solve this problem it was proposed to use three-phase composites containing ferromagnetic and piezoelectric particles fixed in the insulating polymer matrix. Multiferroic properties of the composite data generated by the presence of ferromagnetic magnetostrictive and ferroelectric components. It should be noted that currently there are practically no data about multiferroics based elastomers, although elastomer composites based magnetic filler have a wide range of parameters controlled by the magnetic field. However, until now there were no attempts to combine the properties of the magnetorheological elastomers (the ability to control the properties of a magnetic field) and multiferroic properties of composites of ferroelectrics and ferromagnets. The combination of these characteristics give a new multifunctional material. It is assumed that the ferroelectric polarization change will occur under the action of mechanical stresses occurring in this case is not due to the magnetostrictive properties of the ferromagnetic particles, and due to elastic deformation of the matrix when the displacement of the magnetic particles under the action of an external magnetic field. The aim of research carried out by the Contractor of the project is to study the characteristics of the magnetoelectric conversion to bulk composite multiferroics based elastomers with ferroelectric and ferromagnetic fillers, including the search for and development of new multi-functional materials and structures with ferrites and magnetorheological properties. A distinctive feature of this project is to use the ternary composites based elastic dielectric, conductive or non-conductive ferromagnetic and ferroelectric phases; the union of all three phases in the bulk composite material will provide new multipurpose multiferroics.

Разработаны, изготовлены и исследованы композитные мультиферроидные эластомеры нового типа на основе комбинации сегнетоэлектрических и/или ферромагнитных (проводящие и непроводящие) мелкодисперсных материалов и полимерных материалов: 1. Установлено влияние пробоподготовки (массивный образец–>порошок–>композитный материал) и, в частности, степени измельчения ферромагнитного и сегнетоэлектрического материалов на их свойства (магнитные свойства – в случае образцов, содержащих ферромагнитную компоненту, и параметры фазовых переходов). Установлено влияние количественного соотношения ферромагнетик:сегнетоэлектрик в смешанных порошках на их магнитные свойства и параметры фазовых переходов в них. Определено влияние наличия и состава полимерной матрицы и массовой доли наполнителя в композите на его магнитные свойства и параметры фазовых переходов. 2. Определены коэффициенты магнитоэлектрического преобразования по данным измерений МЭ эффекта в образцах и исследована их зависимость от состава (количественное соотношение ферромагнетик:сегнетоэлектрик) и массовой доли наполнителя в полученных мультиффероидных композитах; определена оптимальная массовая доля наполнителя и количественное соотношение мелкодисперсных материалов, входящие в его состав, для оптимизации свойств изготовленного композита, в частности, для увеличения величины МЭ эффекта. 3. Разработана феноменологическая модель, определяющая связи параметров компонент композита с его магнитоэлектрическими свойствами.

Для решения поставленных задач планируется использовать опыт Исполнителя и Руководителя, полученный при изучении как пленочных композитных, так и объемных магнитореологических материалов. В ходе настоящей работы будут использованы разработанные и апробированные ранее методики создания и исследования различных типов мультиферроиков и эластомеров. Лаборатория новых магнитных материалов, возглавляемая к.ф-м.н., доцентом Родионовой В.В., имеет большой опыт изучения современных функциональных магнитных материалов и широкий комплекс современного технологического и исследовательского оборудования (http://lnmm.ru/equipment/). О квалификации лаборатории свидетельствует то, что с момента ее создания (2013 год) за последние 3 года опубликовано более 30 работ, в частности, в ведущих научных журналах (http://lnmm.ru/publication/). Родионова В.В. имеет большой опыт руководства аспирантами, магистрами и бакалаврами и готова оказать помощь при проведении планируемых в проекте исследований и анализе полученных результатов. Для проведения исследований в лаборатории новых магнитных материалов и Центре коллективного пользования БФУ (на оборудование которого есть непосредственный доступ у сотрудников лаборатории новых магнитных материалов) имеется необходимое для успешного выполнения проекта оборудование: - Вибрационный магнитометр фирмы Lake Shore (7400 System) (чувствительность 10-6 emu, диапазон полей +- 16000 Э, минимальная величина изменения поля – 0,02 Э); - Дифференциальный сканирующий калориметр NETZSCH 204 F1 Phoenix (диапазон температур 93-973 К, диапазон измерения удельной темплоемкости 200-2000 Дж/кг*К); - Установка для измерения магнитоэлектрического эффекта (диапазон температур 170-400 К, постоянное магнитное поле до 500 Э, переменное магнитное поле до 10 Э, диапазон частот 0 – 200 кГц); - Шаровая мельница Retsch E-Max (ЦКП).

Разработаны, изготовлены и исследованы композитные мультиферроидные эластомеры нового типа на основе комбинации сегнетоэлектрических и/или ферромагнитных (проводящие и непроводящие) мелкодисперсных материалов и полимерных материалов: 1. Установлено влияние пробоподготовки (массивный образец–>порошок–>композитный материал) и, в частности, степени измельчения ферромагнитного и сегнетоэлектрического материалов на их свойства (магнитные свойства – в случае образцов, содержащих ферромагнитную компоненту, и параметры фазовых переходов). Установлено влияние количественного соотношения ферромагнетик:сегнетоэлектрик в смешанных порошках на их магнитные свойства и параметры фазовых переходов в них. Определено влияние наличия и состава полимерной матрицы и массовой доли наполнителя в композите на его магнитные свойства и параметры фазовых переходов. 2. Определены коэффициенты магнитоэлектрического преобразования по данным измерений МЭ эффекта в образцах и исследована их зависимость от состава (количественное соотношение ферромагнетик:сегнетоэлектрик) и массовой доли наполнителя в полученных мультиффероидных композитах 3. Разработана феноменологическая модель, определяющая связи параметров компонент композита с его магнитоэлектрическими свойствами. 1. Исследованы с помощью дифференциального сканирующего калориметра следующих образцов: массивных кристаллов феррита бария и сегнетоэлектрика (ЦТС - цирконат-титанат свинца); определены температуры фазовых переходов каждого материала. Изучены магнитных свойств соответствующих кристаллов с помощью ВСМ. 2. Получены порошки из исследуемых кристаллов различной степени измельчения, которые исследованы с помощью ДСК; проведено сравнение с данными по массивным структурам. Изучены магнитные свойства порошков (на ВСМ) как в чистом (NdFeB и феррит бария), так и в смешанном с порошком сегнетоэлектрика виде, проведен сравнительный анализ полученных результатов. 3. Получены эластомеры с различными массовыми долями наполнителя (чистые и смешанные в различных пропорциях порошки); исследованы магнитных свойств (ВСМ) полученных эластомеров. Исследованы с помощью ДСК параметров фазовых переходов полученной силиконовой матрицы. Проведен анализ полученных данных и сравнительный анализ свойств композитных материалов с характеристиками исходных порошков и установление влияния полимерной матрицы на изученные свойства. 4. Проведены измерения величины магнитоэлектрического эффекта в полученных объемных композитных образцах различного типа. Определены коэффициентов магнитоэлектрического преобразования. 5. Проведены дополнительные исследования разработанных многофункциональных мультиферроидных эластомеров. 6. Разработана феноменологическая модели, описывающая характеристики новых мультиферроидных композитных эластомеров.