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Jul 16, 2023

Papel magnetostrictivo negativo formado por la dispersión de partículas de CoFe2O4 en nanofibrillas de celulosa

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6144 (2023) Citar este artículo

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Los polímeros a menudo se combinan con materiales magnetoestrictivos para mejorar su dureza. Este estudio informa sobre un papel compuesto a base de nanofibrillas de celulosa (CNF) que contiene partículas CoFe2O4 dispersas (CNF-CoFe2O4). Además de impartir magnetización y magnetoestricción, la incorporación de partículas de CoFe2O4 disminuyó la resistencia máxima a la tracción y aumentó el alargamiento de fractura del papel compuesto CNF-CoFe2O4. CNF fue responsable de las propiedades de tracción del papel compuesto CNF-CoFe2O4. En consecuencia, las propiedades magnéticas y magnetoestrictivas y las propiedades de tracción del papel compuesto CNF-CoFe2O4 se pueden controlar cambiando la proporción de mezcla de partículas CNF y CoFe2O4.

Para aliviar la crisis energética global y la contaminación ambiental, muchos investigadores están explorando tecnologías de energía alternativa que recolectan energía del entorno ambiental (p. ej., vibraciones mecánicas)1,2,3. Cuando el suministro de energía ambiental es limitado, los dispositivos de recolección de energía piezoeléctrica generan suficiente energía para los dispositivos específicos, como los sensores del Internet de las cosas4. Para este propósito, se han investigado activamente materiales, compuestos y dispositivos piezoeléctricos5,6,7,8,9,10,11 y se han evaluado sus rendimientos de recolección de energía de vibración.

Los materiales magnetoestrictivos pueden deformarse bajo un campo magnético externo12. El efecto magnetoestrictivo fue descrito por primera vez por James Prescott Joule en 184213. Informó que el hierro, un material ferromagnético, cambia su dimensión en respuesta a un campo magnético. Desde entonces, los investigadores han desarrollado varios materiales magnetoestrictivos como aleaciones Tb-Dy-Fe (terfenol-D), aleaciones Fe-Ga (galfenol), aleaciones Fe-Co y CoFe2O4 (ferritas de cobalto)14,15,16,17 ,18. Los materiales, compuestos y dispositivos magnetoestrictivos también están atrayendo la atención en el campo de la recolección de energía19,20,21,22,23,24. El terfenol-D y el galfenol son aleaciones magnetoestrictivas gigantes bien conocidas que muestran buenas propiedades magnetoestrictivas a temperatura ambiente, pero son frágiles y caras1,16.

Para superar la fragilidad de los materiales magnetoestrictivos, muchos investigadores han dispersado partículas magnetoestrictivas a través de una matriz polimérica, formando compuestos poliméricos magnetoestrictivos (MPC)25. Bajo un campo magnético externo, las partículas magnetoestrictivas se deforman y ejercen una fuerza sobre la matriz polimérica, deformando todo el material compuesto. El equilibrio se logra equilibrando las tensiones generadas en las partículas magnetoestrictivas y la matriz polimérica, lo que da como resultado una deformación general del MPC. Los MPC son potencialmente aplicables a la detección de corriente y estrés, amortiguación de vibraciones, actuación, monitoreo de salud y aplicaciones biomédicas. Además, son más fáciles de fabricar con la geometría requerida que las aleaciones magnetostrictivas gigantes mencionadas anteriormente. Estudios previos sobre MPC han reportado partículas de terfenol-D26 y partículas de galfenol27 dispersas a través de una matriz de resina epoxi (compuestos de terfenol-D/epoxi y galfenol/epoxi, respectivamente), partículas de aleación Fe-Co dispersadas a través de una matriz de poliuretano (Fe-Co/PU composites)28 y varios otros29,30. Se han informado valores de magnetoestricción positivos de 1600, 360 y 70 ppm en terfenol-D/epoxi, galfenol/epoxi y Fe-Co/PU, respectivamente. Sin embargo, los MPC con efecto magnetoestrictivo negativo solo se han investigado en pequeña medida. Nersessian et al.31 informaron magnetoestricciones de saturación de -24 y -28 ppm en compuestos de níquel huecos y sólidos, respectivamente. De manera similar, Ren et al.32 informaron magnetoestricción negativa en compuestos Sm0.88Dy0.12Fe1.93 pseudo-1-3 unidos a polímeros.

Recientemente, los dispositivos basados ​​en papel y celulosa han ganado cada vez más atención33 porque el papel es de bajo costo (~ 0,005 $/m2), biocompatible, respetuoso con el medio ambiente, 100 % reciclable y más estirable que otros dispositivos flexibles basados ​​en polímeros34. La fibra de celulosa es económica, de base biológica, biodegradable, no peligrosa, reciclable y de baja densidad35. Las nanofibrillas de celulosa (CNF), en particular, muestran una resistencia, rigidez y tenacidad excepcionales36 y se espera que se utilicen como fibras de refuerzo37,38,39,40,41,42,43.

Mattos et al.44 demostraron que las nanoredes creadas a partir de CNF pueden formar superestructuras con prácticamente cualquier tipo de partícula debido a la cohesión supramolecular proporcionada por las fibrillas. Se demostró que esta cohesión era el resultado de la alta relación de aspecto de las fibrillas. Yermakov et al.45 fabricaron membranas de nanocelulosa magnetostrictivas incorporando partículas de terfenol-D en CNF. Después de evaluar las propiedades magnetoestrictivas de las membranas, encontraron que se inducían varias orientaciones de las partículas de terfenol-D en las membranas, y que las partículas con alineación en el plano mostraban el efecto magnetoestrictivo más fuerte. Kim et al.46 fabricaron una cadena actuadora magnetoestrictiva que podía responder a un campo magnético externo, combinando nanopartículas magnéticas de Fe2O3 en una matriz CNF. Sin embargo, no hay publicaciones en las que se hayan fabricado compuestos magnetoestrictivos combinando CNF y CoFe2O4. Antonel et al.47 produjeron un compuesto de CoFe2O4-poli(anilina) incorporando nanopartículas de CoFe2O4 dentro de una matriz polimérica de poli(anilina). Demostraron que, debido a las interacciones partícula-polímero, al variar la relación partícula-polímero se puede modular el comportamiento magnético del material.

En el presente estudio, las partículas de CoFe2O4 se dispersaron a través de CNF para formar papeles compuestos CNF-CoFe2O4. Este documento informa sobre las propiedades magnéticas, magnetoestrictivas y de tracción de los papeles. Las microestructuras de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se observaron utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM) y un sistema de difracción de rayos X (XRD).

La Figura 1 es un esquema del proceso de fabricación de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. Los materiales de partida fueron partículas de CoFe2O4 (Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., Japón) y una suspensión de CNF al 2% en peso (IMA-10002, Sugino Machine, Japón). La distribución del tamaño de partícula de CoFe2O4 se midió mediante un analizador de tamaño de partícula de difracción láser (MASTERSIZER 3000, Malvern Panalytical, Spectris, Reino Unido). Las partículas de CoFe2O4 y la suspensión de CNF se mezclaron manualmente durante 5 minutos a temperatura ambiente. Usando diferentes proporciones de peso de partículas de CoFe2O4: suspensión CNF, se prepararon 3 soluciones: 5:95, 20:80 y 35:65, peso total 20 g. Las soluciones se intercalaron entre dos láminas de malla de un tamaño de 100 \(\times \) 100 mm2. Las muestras se comprimieron y deshidrataron en una prensa de calentamiento hidráulica manual ultracompacta (Modelo IMC-195A-E, Imoto Mfg. Co., Ltd., Japón) operada a 120 °C durante 30 s. Después de despegar las láminas de malla, los papeles compuestos de CNF-CoFe2O4 deshidratados se comprimieron y secaron aún más usando un peso de 2500 g durante 24 h. La placa circular de CoFe2O4 (\(\phi \) 15 \(\times \) 2,25 mm3) se consolidó luego mediante sinterización por chispa de plasma (SPS, SPS-1050, Fuji Electric Industrial Co., Ltd., Japón), bajo una compresión tensión de 20 MPa a 1000 °C durante 10 min en vacío. Se cortó una placa de CoFe2O4 de referencia a un tamaño de 10 \(\times \) 10 \(\times \) 2,25 mm3 y se reservó para mediciones posteriores.

Esquema del proceso de fabricación de los papeles compuestos CNF–CoFe2O4 (dibujado por Microsoft PowerPoint para Mac, versión 16.70).

Para obtener las densidades de los papeles compuestos de CoFe2O4 y la placa sinterizada de CoFe2O4, se midieron las longitudes y espesores de las muestras utilizando un calibrador digital electrónico (SDV-150, Fujiwara Industrial Co., Ltd., Japón) y un medidor de espesor digital (MDC). -SX, Mitutoyo, Japón), respectivamente, y los pesos de las muestras se midieron en una balanza digital (ALE223R, Sinko Denshi Co., Ltd., Japón).

Las microestructuras de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 y las partículas de CoFe2O4 se investigaron en un sistema XRD multipropósito (Ultima IV, Rigaku Co., Japón). Los patrones XRD se obtuvieron bajo radiación CuK\({\upalpha }\) con un tiempo de conteo de 1,67/s, un tamaño de paso de 0,02°, un voltaje de 40 kV y una corriente de 40 mA. Se determinó que el rango de escaneo estaba entre 10° y 70°. Las microestructuras de los papeles compuestos CNF–CoFe2O4 se observaron utilizando un SEM de emisión de campo (FE-SEM) (SU-70, Hitachi High-Tech Co., Ltd., Japón), con un voltaje de aceleración de 5 kV y una distancia de trabajo de 10 mm. En preparación para FE-SEM, las superficies de los papeles compuestos CNF–CoFe2O4 se pulverizaron durante 30 s utilizando un dispositivo de pulverización iónica (E-1045, Hitachi High-Tech Co., Ltd., Japón) con una corriente de descarga de 15 mA. a 15 Pa para proporcionar conductividad eléctrica a los papeles compuestos. Además, el FE-SEM estaba equipado con un espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDX) para medir las concentraciones de carbono (C), oxígeno (O), cobalto (Co) y hierro (Fe) en los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. El EDX se hizo funcionar con un voltaje de aceleración de 5 kV y una distancia de trabajo de 15 mm.

Las propiedades magnéticas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se evaluaron utilizando un magnetómetro de muestra vibrante (VSM) (BHV-50H, Riken Denshi Co., Ltd., Japón) calibrado a 4,931 emu. El VSM se calibró en una placa de níquel puro de tamaño 10 \(\times \) 10 \(\times \) 0,1 mm3. El rango del campo magnético aplicado fue de ± 759 kA/m. Las propiedades magnetoestrictivas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se evaluaron bajo los electroimanes VSM. Los electroimanes estaban separados por 50 mm. El campo magnético aplicado se midió con un medidor de gauss (GM-4002, Denshijiki Industry Co., Ltd., Japón). Las deformaciones de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se midieron con un medidor de deformación ortogonal (JFGS-1-120-D16-16 L3M2S, Kyowa Electronic Instruments Co., Ltd., Japón) colocado en la superficie de la muestra bajo un rango de campo magnético aplicado. de ± 733 kA/m. Los datos fueron recolectados por registradores de datos (NR-ST04 y NR-HA08, Keyence, Japón)28.

Las propiedades de tracción de muestras de papel compuesto CNF–CoFe2O4 de un tamaño de 30 \(\times \) 15 mm2 se investigaron en un probador de mesa compacto (EZ-SX, Shimazu Co., Ltd., Japón) con una celda de carga de 500 N (Shimazu Co., Ltd., Japón). Las mordazas de tracción estaban separadas 15 mm. Se insertó papel de lija de grano #600 entre el papel compuesto CNF-CoFe2O4 y las mordazas de tracción para evitar resbalones.

Esta sección formula el problema de predecir las propiedades magnetomecánicas efectivas del papel compuesto CNF-CoFe2O4. En coordenadas cartesianas rectangulares xi (O-x1, x2, x3), las ecuaciones constitutivas del material compuesto heterogéneo magnetostrictivo están dadas por las ecuaciones. (1) y (2)

donde \(\langle{\varepsilon }_{ij}\rangle,\langle{\sigma }_{kl}\rangle,\langle{B}_{i}\rangle\) y \(\langle{H} _{k}\rangle\) son los componentes promedio del tensor de deformación, el tensor de tensión, el vector de densidad de flujo magnético y el vector de intensidad de campo magnético, respectivamente, y \({s}_{ijkl}^{*\mathrm{H }}\), \({d}_{kij}^{*}\) y \({\mu }_{ik}^{*\mathrm{T}}\) son el cumplimiento elástico bajo un campo magnético constante campo, la constante piezomagnética y la permitividad magnética bajo una tensión constante, respectivamente. De aquí en adelante, el asterisco (*) denotará las propiedades promedio efectivas del material compuesto magnetoestrictivo. Esta formulación adopta la notación de matriz comprimida, que es más útil que la notación de tensor extendida cuando se habla de simetría. En esta notación matricial, ij o kl (i, j, k, l = 1, 2, 3) se reemplaza por p, q (valorados de 1 a 6). Luego, las ecuaciones (1) y (2) se reescriben como las ecuaciones. (3) y (4)

Para demostrar las propiedades efectivas de los papeles compuestos CNF–CoFe2O4, consideramos el efecto magnetoestrictivo longitudinal, lo que significa que el campo externo (ya sea tensión mecánica o un campo magnético) actúa a lo largo de la dirección x3 (el eje de fácil magnetización del papel compuesto) . El factor de acoplamiento magnetomecánico viene dado por la ecuación. (5)

donde \({E}^{*}\) es el módulo de Young (pendiente del diagrama de tensión-deformación) del papel compuesto CNF-CoFe2O4. Tenga en cuenta que las propiedades del material \({E}^{*}\), \({d}_{33}^{*}\) y \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T }}\) son funciones de las fracciones de volumen de las partículas de CoFe2O4 (\({V}_{\mathrm{cfo}}\)), \(\mathrm{los}\) poros (\({V}_{ \mathrm{p}}\)), y de la matriz CNF \(({V}_{\mathrm{m}} = 1-({V}_{\mathrm{cfo}}+{V}_{ \mathrm{p}}))\), respectivamente. Por lo tanto, las propiedades del material se calculan insertando las fracciones de volumen en las ecuaciones. (6)–(8):

donde los subíndices \(\mathrm{los}\) cfo, p y m representan las partículas, los poros y la matriz (es decir, CNF) de CoFe2O4, respectivamente.

Las fracciones de peso de CoFe2O4 (\({W}_{\mathrm{cfo}}\)) y CNF (\({W}_{\mathrm{m}}\)) en los papeles compuestos se muestran en la Tabla 1 Las densidades reales de los papeles compuestos CNF–CoFe2O4 fueron 0,7983 g/cm3 (muestra de solución 5:95), 1,1967 g/cm3 (muestra de solución 20:80) y 1,5058 g/cm3 (muestra de solución 35:65). ). Suponiendo que toda el agua se evaporó del papel compuesto CNF-CoFe2O4 seco y tomando las densidades teóricas de CoFe2O4 y celulosa (5,2948 y 1,50 g/cm3, respectivamente), las fracciones de volumen de las partículas de CoFe2O4 en las muestras hechas a partir del 5:95, 20 Las soluciones :80 y 35:65 se calcularon como 10,9, 21,0 y 27,5% en volumen, respectivamente, en los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 finales (consulte la Tabla 1). Los espesores promedio de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 que contenían 10,9, 21,0 y 27,5% en volumen de CoFe2O4 fueron 0,25, 0,49 y 0,92 mm, respectivamente. La densidad real de la placa sinterizada de CoFe2O4 fue de 4,298 g/cm3. La densidad relativa de la placa sinterizada de CoFe2O4 se calculó como el 81,2 % de la densidad teórica de 5,29 g/cm3.

La Figura 2 muestra las distribuciones de tamaño de las partículas de CoFe2O4. El polvo de CoFe2O4 comprendía poblaciones de partículas pequeñas y grandes con diámetros aproximados de 10 y 150 μm, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 3, los patrones XRD del papel compuesto CNF-CoFe2O4 al 10,9 % en volumen coincidieron con los de las partículas CoFe2O4. Por lo tanto, el CoFe2O4 fue estable frente a las transformaciones químicas durante el proceso de fabricación. La Figura 4 muestra las imágenes SEM de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. Aunque las partículas de CoFe2O4 se dispersaron a través de la matriz CNF, se aglomeraron mediante el proceso de mezcla manual. El pico de distribución de tamaño a 150 μm en la Fig. 2 probablemente fue contribuido por grandes aglomerados de partículas de CoFe2O4. La figura 5 muestra el mapeo EDX del papel compuesto CNF-CoFe2O4 de 27,5% en volumen (la micrografía se muestra en la figura 4c). El EDX detectó C, O, Co y Fe en la superficie de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4, lo que implica que CoFe2O4 fue estable frente a las reacciones químicas durante el proceso de fabricación, lo que reconfirma los resultados de XRD. Cabe señalar que no aparecieron intensidades características de los rayos X en la sombra del detector EDX porque fueron atenuadas por la superficie irregular de la superficie del papel compuesto CNF-CoFe2O4.

Distribución del tamaño de las partículas de CoFe2O4.

Patrones de XRD del papel compuesto CNF-CoFe2O4 de 10,9 % en volumen (rojo) y partículas de CoFe2O4 (azul).

Imágenes SEM de los papeles compuestos CNF–CoFe2O4 con diferentes contenidos de CoFe2O4: (a) 10,9, (b) 21,0 y (c) 27,5 vol%.

Mapeos de EDS del papel compuesto CNF-CoFe2O4 de 27,5 % en volumen con un contenido de CoFe2O4 de 27,5 % en volumen.

La Figura 6 muestra las propiedades magnéticas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 y la placa de CoFe2O4. Los aditivos CoFe2O4 magnetizaron el papel CNF. La magnetización máxima del papel compuesto CNF-CoFe2O4 aumentó linealmente con el aumento de la proporción de partículas de CoFe2O4. De acuerdo con los presentes resultados, Williams et al.49 informaron que las propiedades magnéticas de la magnetización de fibras de celulosa dependen del porcentaje de volumen del relleno magnético implementado en la red de fibra. La curva magnética del papel compuesto CNF-CoFe2O4 alcanzó la saturación más lentamente que la placa sinterizada CoFe2O4. En la ecuación. (4), la permitividad magnética efectiva \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T}}\) del papel compuesto CNF–CoFe2O4 en condiciones libres de estrés fue dada por la ecuación. (9)

Propiedades magnéticas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 y la placa de CoFe2O4: (a) curva de magnetización versus campo magnético y (b) gráfico de magnetización máxima versus fracción de volumen de CoFe2O4.

Las permitividades magnéticas efectivas aparentes \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T}}\) de CNF–CoFe2O4 con contenidos de CoFe2O4 de 10,9, 21,0 y 27,5% en volumen se evaluaron como 0,0769 \(\times \) 10−6, 0,127 \(\times \) 10−6 y 0,228 \(\times \) 10−6 H/m, a partir de la pendiente inicial de la figura 6a (consulte la Tabla 1).

La Figura 7 muestra las propiedades magnetoestrictivas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 y la placa de CoFe2O4. En el papel compuesto CNF-CoFe2O4, la magnetoestricción fue negativa y positiva en las direcciones paralela y perpendicular al campo magnético, respectivamente, como se esperaba. La magnetoestricción de la placa de CoFe2O4 primero aumentó a un valor negativo máximo y luego disminuyó. El valor negativo máximo de la placa de CoFe2O4 fue de -90 ppm bajo un campo magnético de 217 kA/m. Bozorth et al.50 dijeron que CoFe2O4 tiene dos coeficientes de magnetostricción \({\lambda }_{100}\) y \({\lambda }_{111}\): \({\lambda }_{100}<0 \) y \({\lambda }_{111}>0\) a 300 K. Dado que el eje de magnetización fácil de CoFe2O4 es [100], en consecuencia, tiene un gran negativo \({\lambda }_{100} \) y un pequeño positivo \({\lambda }_{111}\)51,52. Se cree que ocurrió el mismo fenómeno. La magnetoestricción negativa máxima del papel compuesto CNF-CoFe2O4 se desvió de la línea de ajuste (ver Fig. 7e). Cabe señalar que los papeles compuestos de 10,9 y 21,0 % vol CNF-CoFe2O4 no lograron la saturación magnetostrictiva bajo un campo magnético de \({H}_{3}=\pm \) 733 kA/m. Estos resultados implican que los CNF entre las partículas de CoFe2O4 se deformaron con la magnetoestricción de las partículas de CoFe2O4 y facilitaron la magnetoestricción lineal de todo el papel compuesto CNF-CoFe2O4. En la ecuación. (3), la constante piezomagnética efectiva \({d}_{33}^{*}\) del papel compuesto CNF-CoFe2O4 en condiciones libres de estrés se calculó como Eq. (10).

Propiedades magnetoestrictivas de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 con contenidos de CoFe2O4 de (a) 10,9, (b) 21,0 y (c) 27,5 % en volumen y (d) la placa de CoFe2O4; (e) gráfico de magnetoestricción negativa máxima frente a la fracción de volumen de CoFe2O4.

Después del ajuste en línea recta de las porciones lineales de las curvas en la Fig. 7a–c, los valores \({d}_{33}^{*}\) de los papeles compuestos CNF–CoFe2O4 que contienen 10.9, 21.0 y 27.5 vol% CoFe2O4 se calcularon como − 8,95 \(\times \) 10−12, − 66,5 \(\times \) 10−12 y − 166 \(\times \) 10−12 m/A, respectivamente (consulte la Tabla 1). Claramente, el \({d}_{33}^{*}\) del papel compuesto CNF-CoFe2O4 aumentó al aumentar la adición de partículas de CoFe2O4. Usando la Ec. (3), la constante piezomagnética efectiva \({d}_{31}^{*}\) del papel compuesto CNF-CoFe2O4 en condiciones libres de estrés se obtuvo como Eq. (11).

De manera similar, los valores de \({d}_{31}^{*}\) de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 que contenían 10,9, 21,0 y 27,5 % en volumen de CoFe2O4 se calcularon como 0,391 \(\times \) 10−12, 18,8 \(\times \) 10−12 y 27,1 \(\times \) 10−12 m/A, respectivamente.

La Figura 8a muestra las curvas de tensión-alargamiento de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. Aquí, el alargamiento se estimó a partir del desplazamiento de la cruceta de la máquina de ensayo universal. Las pendientes iniciales (entre 0 y 0,2 % de alargamiento) de las curvas de tensión-alargamiento de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se calcularon para las muestras de 10,9, 21,0 y 27,5 % en volumen y se determinaron como 0,523, 0,269 y 0,195 GPa , respectivamente (ver Tabla 1). Estos valores se tomaron como los módulos de Young efectivos aparentes. Las Figuras 8 (b y c) representan las resistencias máximas a la tracción (UTS) y los alargamientos de fractura frente a la fracción de volumen CNF en los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. Las fracciones de volumen CNF en los papeles compuestos de 10,9, 21,0 y 27,5% en volumen fueron 14,7, 5,9 y 3,6% en volumen, respectivamente. La UTS del papel compuesto CNF-CoFe2O4 se incrementó mediante la adición de CNF. Sin embargo, la adición de partículas de CoFe2O4 disminuyó la UTS, es decir, CNF fue responsable de las propiedades de tracción de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4. Por lo tanto, las propiedades magnéticas y magnetoestrictivas y las propiedades de tracción de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4 se pueden controlar cambiando la proporción de mezcla de partículas CNF y CoFe2O4. Los valores aparentes de \({k}_{33}^{2}\) del papel compuesto de 10,9, 21,0 y 27,5% vol CNF–CoFe2O4 fueron 5,45 \(\times \) 10−16, 9,37 \(\times \) 10−15 y 2,36 \(\times \) 10−14, respectivamente (ver Tabla 1). El factor de acoplamiento magnetomecánico mejorado después de agregar CoFe2O4 implica que el papel compuesto CNF-CoFe2O4 es un candidato prometedor para aplicaciones de recolección de energía.

( a ) Curvas de tensión-alargamiento de los papeles compuestos CNF-CoFe2O4; gráficos de (b) UTS y (c) elongación de la fractura frente a la fracción de volumen CNF en los papeles compuestos CNF-CoFe2O4.

Este estudio evaluó las propiedades magnéticas, magnetoestrictivas y de tracción de papeles compuestos CNF-CoFe2O4 con diferentes fracciones de volumen de CoFe2O4. Los análisis XRD y EDX revelaron que CoFe2O4 permaneció estable durante el proceso de fabricación. Las imágenes SEM confirmaron que las partículas de CoFe2O4 se dispersaron a través de la matriz CNF, pero a veces se aglomeraron. Las partículas de CoFe2O4 impartieron magnetización al papel CNF y la magnetización máxima del papel compuesto CNF-CoFe2O4 fue una función linealmente creciente del contenido de CoFe2O4. La magnetoestricción del papel compuesto CNF-CoFe2O4 fue negativa y positiva en las direcciones paralela y perpendicular al campo magnético, respectivamente. El módulo de Young efectivo aparente y la UTS del papel compuesto CNF-CoFe2O4 disminuyeron con el aumento de CoFe2O4. Esto se debió a que el aumento de la cantidad de partículas de CoFe2O4 disminuyó la fracción de volumen CNF del papel compuesto. En conclusión, el CNF fue responsable de las propiedades de tracción del papel compuesto CNF-CoFe2O4. Por lo tanto, las propiedades magnéticas y magnetoestrictivas y las propiedades de tracción del papel compuesto CNF-CoFe2O4 se pueden controlar cambiando la proporción de mezcla de partículas CNF y CoFe2O4. En general, los aditivos CoFe2O4 imparten propiedades magnéticas y magnetoestrictivas al papel CNF y pueden aumentar su tenacidad a cambio de disminuir sus propiedades de tracción. Se mejoró el factor de acoplamiento magnetomecánico del papel mediante la adición de partículas de CoFe2O4; por lo tanto, se espera que el papel compuesto CNF-CoFe2O4 esté disponible para aplicaciones de recolección de energía.

Los materiales descritos en el manuscrito, incluidos todos los datos sin procesar relevantes, estarán disponibles gratuitamente para cualquier investigador que desee utilizarlos con fines no comerciales del autor correspondiente a pedido razonable.

Narita, F. & Fox, M. Una revisión sobre tecnologías de dispositivos y materiales piezoeléctricos, magnetoestrictivos y magnetoeléctricos para aplicaciones de recolección de energía. Adv. Ing. Mate. 20, 1700743 (2018).

Artículo Google Académico

Surmenev, RA et al. Nanocompuestos híbridos basados ​​en polímeros sin plomo con respuesta piezoeléctrica mejorada para aplicaciones biomédicas de recolección de energía: una revisión. Nanoenergía 62, 475–506 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Sezer, N. & Koç, M. Una revisión exhaustiva sobre el estado del arte de la recolección de energía piezoeléctrica. NanoEnergía 80, 105567 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Canción, HC et al. Principios de diseño de recolección de energía piezoeléctrica para materiales y estructuras: ajuste de resonancia propia y figura de mérito del material. Adv. Mate. 32, 2002208 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Hara, Y., Zhou, M., Li, A., Otsuka, K. y Makihara, K. Estrategia de mejora de energía piezoeléctrica para cosechadoras difusas activas con conmutación intermitente y variable en el tiempo. Mate inteligente. Estructura. 30, 015038 (2021).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Wang, Z., Maruyama, K. y Narita, F. Un nuevo método de fabricación y diseño estructural de compuestos piezoeléctricos clasificados funcionalmente para la recolección de energía. Mate. Des. 214, 110371 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Maruyama, K. et al. Caracterización electromecánica y captación de energía cinética de nanocompuestos piezoeléctricos reforzados con fibras de vidrio. compos. ciencia Tecnología 223, 109408 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Sánchez, FJD et al. Estructuras piezoeléctricas de microfibras y nanofibras similares a esponjas para la recolección de energía mecánica. Nanoenergía 98, 107286 (2022).

Artículo Google Académico

Mori, K., Narita, F., Wang, Z., Horibe, T. y Maejima, K. Características termoelectromecánicas de compuestos piezoeléctricos bajo carga mecánica y térmica. Adv. Ing. Mate. 24, 2101212 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Vijayakanth, T., Liptrot, DJ, Gazit, E., Boomishankar, R. & Bowen, CR Avances recientes en materiales híbridos orgánicos e orgánicos-inorgánicos para la recolección de energía mecánica piezoeléctrica. Adv. Función Mate. 32, 2109492 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Chen, B., Jia, Y., Narita, F., Wang, C. y Shi, Y. Estructuras sándwich celulares multifuncionales con topologías de núcleo optimizadas para mejorar las propiedades mecánicas y el rendimiento de recolección de energía. compos. Ing. B. 238, 109899 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Takacs, G. & Rohal-Ilkiv, B. Modelo de control predictivo de vibraciones: control de vibraciones MPC restringido eficiente para estructuras mecánicas ligeramente amortiguadas (Springer, 2012).

Libro MATEMÁTICAS Google Académico

Joule, JP Sobre una nueva clase de fuerzas magnéticas. Ana. eléctrico Magn. química 8, 219–224 (1842).

Google Académico

Grossinger, R. et al. Magnetoestricción gigante en Fe-Ga enfriado rápidamente. J. magn. Magn. Mate. 320, 2457–2465 (2008).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Wang, J., Gao, X., Yuan, C., Li, J. y Bao, X. Propiedades de magnetoestricción del CoFe2O4 policristalino orientado. J. magn. Magn. Mate. 401, 662–666 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Guo, X. et al. Dominio magnético y propiedades magnéticas de aleaciones Tb-Dy-Fe solidificadas direccionalmente y tratadas térmicamente en campos magnéticos elevados. Trans. IEEE. Magn. 57, 3013318 (2020).

ANUNCIOS Google Académico

Yamaura, S. Microestructura y magnetoestricción de alambres de aleación de Fe-Co fuertemente laminados en ranuras. Mate. ciencia Ing. B 264, 114946 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Gao, C., Zeng, Z., Peng, S. y Shuai, C. Aleaciones magnetoestrictivas: materiales prometedores para aplicaciones biomédicas. Bioact. Mate. 8, 177–195 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Yang, Z. et al. Diseño, fabricación y evaluación de materiales compuestos ligeros de fibra magnetostrictiva de matriz metálica. Mate. Des. 175, 107803 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Yang, Z. et al. Evaluación de la recolección de energía de vibración utilizando una placa magnetostrictiva revestida de hierro-cobalto/níquel. Mate inteligente. Estructura. 28, 034001 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Clemente, CS, Davino, D. & Loschiavo, VP Análisis de un recolector magnetoestrictivo con un modelado FEM no lineal totalmente acoplado. Trans. IEEE. Magn. 57, 9355166 (2021).

Artículo Google Académico

Nakajima, K., Tanaka, S., Mori, K., Kurita, H. y Narita, F. Efectos del tratamiento térmico y el contenido de Cr en las microestructuras, la magnetoestricción y el rendimiento de recolección de energía de las aleaciones de Fe-Co dopadas con Cr. Adv. Ing. Mate. 24, 2101036 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Li, A. et al. Cosecha de energía usando un transductor magnetoestrictivo basado en control de conmutación. Sens. Actuador A Phys. 355, 114303 (2023).

Artículo CAS Google Académico

Kurita, H., Lohmuller, P., Laheurte, P., Nakajima, K. y Narita, F. Fabricación aditiva y rendimiento de recolección de energía de aleaciones magnetostrictivas Fe52–Co48 con estructura de panal. Agregar Fabricación 54, 102741 (2022).

CAS Google Académico

Elhajjar, R., Law, CT y Pegoretti, A. Compuestos poliméricos magnetoestrictivos: Avances recientes en materiales, estructuras y propiedades. prog. Mate. ciencia 97, 204–229 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Altin, G. Propiedades estáticas de compuestos de terfenol-D/polímero alineados cristalográficamente. Aplicación J. física 101, 033537 (2007).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Walters, K., Busbridge, S. & Walters, S. Propiedades magnéticas de compuestos de partículas de hierro y galio unidos a epocy. Mate inteligente. Estructura. 22, 025009 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kurita, H., Keino, T., Senzaki, T. y Narita, F. Propiedades magnetoestrictivas directas e inversas de láminas compuestas blandas de matriz de poliuretano dispersado en partículas de aleación de Fe-Co-V. Sens. Actuadores A Phys. 337, 113427 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Guan, X., Dong, X. & Ou, J. Efecto magnetoestrictivo del elastómero magnetoreológico. J. magn. Magn. Mate. 320(3–4), 153–163 (2008).

Artículo ADS CAS Google Académico

Diguet, G., Beaugnon, E. & Cavaillé, JY Efecto de forma en la magnetostricción de compuestos ferromagnéticos. J. magn. Magn. Mate. 322(21), 3337–3341 (2010).

Artículo ADS CAS Google Académico

Nersessian, N., Or, SW, Carman, GP, Choe, W. & Radousky, HB Compuestos de partículas magnetoestrictivas esféricas sólidas y huecas. Aplicación J. física 96, 3362 (2004).

Artículo ADS CAS Google Académico

Ren, WJ, Or, SW, Chan, HLW y Zhang, ZD Propiedades magnetoelásticas de compuestos Sm0.88Dy0.12Fe1.93 pseudo-1-3 unidos a polímeros. J. magn. Magn. Mate. 293, 908–912 (2005).

Artículo ADS CAS Google Académico

Shi, K. et al. Nanogeneradores piezoeléctricos flexibles basados ​​en papel de aerogel de celulosa/BaTiO3 y el acoplamiento eléctrico con triboelectricidad. Nanoenergía 57, 450–458 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Thakur, A. & Devi, P. Dispositivos flexibles basados ​​en papel para aplicaciones de recolección, conversión y almacenamiento de energía: una revisión. Nanoenergía 94, 106927 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Ardanuy, M., Claramunt, J. & Filho, RDT Composites cementosos reforzados con fibras celulósicas: revisión de investigaciones recientes. Constr. Construir. Mate. 79, 115–128 (2015).

Artículo Google Académico

Lam, WS, Lee, PF & Lam, WH Nanofibras de celulosa para la producción sostenible: un análisis bibliométrico. Mate. Hoy Proc. 62, 6460 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Bhatnagar, A. & Sain, M. Procesamiento de compuestos reforzados con nanofibras de celulosa. J. Reinf. plástico compos. 24(12), 1229–1340 (2005).

Artículo Google Académico

Iwamoto, S., Kai, W., Isogai, A. & Iwata, T. Módulo elástico de microfibra de celulosa simple de tunicado medido por microscopía de fuerza atómica. Biomacromoléculas 10(9), 2571–2576 (2009).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Mittal, N. et al. Control multiescala del ensamblaje de nanocelulosa: transferencia de la notable mecánica de fibrillas a nanoescala a fibras a macroescala. ACS Nano 12(7), 6378–6388 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Xie, Y., Kurita, H., Ishigami, R. y Narita, F. Evaluación de las propiedades de flexión de los compuestos epoxi con una adición extremadamente baja de contenido de nanofibras de celulosa. aplicación ciencia 10, 1159 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Kurita, H., Ishigami, R., Wu, C. y Narita, F. Propiedades mecánicas de compuestos de matriz de resina epoxi reforzados con nanofibras de celulosa desfibrados mecánicamente. J. Compos. Mate. 55, 455–463 (2021).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kurita, H., Bernard, C., Lavrovsky, A. y Narita, F. Propiedades de tracción de compuestos de matriz de ácido poliláctico reforzado con nanofibra de celulosa desfibrada mecánicamente fabricados mediante modelado por deposición fundida. Trans. Universidad de Nanjing Aeronauta. Astronauta. 38, 68–74 (2021).

Google Académico

Wu, C. et al. Fibras de seda de gusano de seda reforzadas con nanocelulosa para su aplicación a polímeros biodegradables. Mate. Des. 202, 109537 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Mattos, BD et al. Las redes nanofibrilares permiten el ensamblaje universal de construcciones de partículas superestructuradas. ciencia Adv. 6(19), 7328 (2020).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Yermakov, A. et al. Membranas de nanocelulosa magnetostrictivas flexibles para aplicaciones de actuación, detección y recolección de energía. Frente. Mate. 7, 2296–8016 (2020).

Artículo Google Académico

Kim, J. & Hyun, J. Cadena de actuador magnetostrictivo suave con revestimiento de nanofibras de celulosa. Aplicación ACS. Mate. Interfaz 13(37), 43904–43913 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Antonel, PS, Berhó, FM, Jorge, G. & Molina, FV Compuestos magnéticos de nanopartículas de CoFe2O4 en una matriz de poli(anilina): mejora de la relación de remanencia y coercitividad. sintetizador Reunió. 199, 292–302. (2015).

Artículo CAS Google Académico

Thang, PD, Rjinders, G. & Blank, DHA Ferrita de cobalto espinela por síntesis complejométrica. J. magn. Magn. Mate. 295, 251–256 (2005).

Artículo ADS CAS Google Académico

Williams, S. et al. Magnetización de fibras de celulosa con nanopartículas de CoFe2O4 para apósitos inteligentes para la capacidad de control de la cicatrización. Aplicación ACS. Materia Bio. 2, 5653–5662 (2019).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Bozorth, RM, Tilden, EF & Williams, AJ Anisotropía y magnetostricción de algunas ferritas. física Rev. 99, 1788–1798 (1955).

Artículo ADS CAS Google Académico

Nlebedim, IC et al. Efecto de la variación de temperatura sobre las propiedades magnetoestrictivas de CoAlxFeO2-x4. Aplicación J. física 107, 09A936 (2010).

Artículo Google Académico

Chao, Z. et al. El diagrama de fase y los comportamientos magnetostrictivos exóticos en el sistema de óxido de espinela Co(Fe1-xAlx)2O4. Materiales 12, 1685 (2019).

Artículo CAS Google Académico

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Este trabajo fue apoyado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (Grant Number 22H00183) y Grant-in-Aid for Early-Career Scientists (Grant Number 19K14836).

Departamento de Ciencias Fronterizas para el Medio Ambiente Avanzado, Escuela de Graduados de Estudios Ambientales, Universidad de Tohoku, Sendai, Japón

Takumi Keino, Lovisa Rova, Alia Gallet--Pandelle, Hiroki Kurita y Fumio Narita

Laboratorio Ångström, Dominio Disciplinario de la Ciencia y la Tecnología, Departamento de Química, Universidad de Uppsala, Uppsala, Suecia

Lovisa Rova

Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, INSA-Lyon, Universidad de Lyon, Villeurbanne Cedex, Francia

Alia Gallet - Pandelle

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Conceptualización, KH; metodología, CT; análisis formal, TK, LR, AG--P.; investigación, CC.TT.; recursos, HK, FN; escritura—preparación del borrador original, TK; redacción—revisión y edición, TK, LR, AG--P., HK, FN; visualización, Hong Kong; supervisión, FN; administración de proyectos, Hong Kong; adquisición de fondos, HK, FN Todos los autores han leído y están de acuerdo con la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Hiroki Kurita o Fumio Narita.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Keino, T., Rova, L., Gallet--Pandellé, A. et al. Papel magnetostrictivo negativo formado por la dispersión de partículas de CoFe2O4 en nanofibrillas de celulosa. Informe científico 13, 6144 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31655-z

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Recibido: 31 de octubre de 2022

Aceptado: 15 de marzo de 2023

Publicado: 15 abril 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31655-z

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