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Sep 21, 2023

Negativ magnetostriktives Papier, das durch Dispergieren von CoFe2O4-Partikeln in Cellulose-Nanofibrillen entsteht

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 6144 (2023) Diesen Artikel zitieren 505 Zugriffe 1 Altmetric Metrics Details Polymere werden oft mit magnetostriktiven Materialien kombiniert, um ihre Wirkung zu verbessern

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Polymere werden häufig mit magnetostriktiven Materialien kombiniert, um ihre Zähigkeit zu erhöhen. Diese Studie berichtet über ein Verbundpapier auf Basis von Cellulose-Nanofibrillen (CNF), das dispergierte CoFe2O4-Partikel (CNF–CoFe2O4) enthält. Neben der Verleihung von Magnetisierung und Magnetostriktion verringerte der Einbau von CoFe2O4-Partikeln auch die Zugfestigkeit und erhöhte die Bruchdehnung des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers. CNF war für die Zugeigenschaften des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers verantwortlich. Folglich können die magnetischen und magnetostriktiven Eigenschaften sowie die Zugeigenschaften von CNF-CoFe2O4-Verbundpapier durch Ändern des Mischungsverhältnisses von CNF- und CoFe2O4-Partikeln gesteuert werden.

Um die globale Energiekrise und die Umweltverschmutzung zu mildern, erforschen viele Forscher alternative Energietechnologien, die Energie aus der Umgebung gewinnen (z. B. mechanische Vibrationen)1,2,3. Wenn die Umgebungsenergieversorgung begrenzt ist, erzeugen piezoelektrische Energiegewinnungsgeräte ausreichend Strom für gezielte Geräte wie Sensoren für das Internet der Dinge4. Zu diesem Zweck wurden piezoelektrische Materialien, Verbundwerkstoffe und Geräte aktiv erforscht5,6,7,8,9,10,11 und ihre Leistung bei der Gewinnung von Schwingungsenergie wurde bewertet.

Magnetostriktive Materialien können sich unter einem externen Magnetfeld verformen12. Der magnetostriktive Effekt wurde erstmals 184213 von James Prescott Joule beschrieben. Er berichtete, dass Eisen, ein ferromagnetisches Material, seine Dimension als Reaktion auf ein Magnetfeld ändert. Seitdem haben Forscher verschiedene magnetostriktive Materialien wie Tb-Dy-Fe-Legierungen (Terfenol-D), Fe-Ga-Legierungen (Galfenol), Fe-Co-Legierungen und CoFe2O4 (Kobaltferrite)14,15,16,17 entwickelt ,18. Magnetostriktive Materialien, Verbundwerkstoffe und Geräte erregen auch im Bereich der Energiegewinnung Aufmerksamkeit19,20,21,22,23,24. Terfenol-D und Galfenol sind bekannte riesige magnetostriktive Legierungen, die bei Raumtemperatur gute magnetostriktive Eigenschaften zeigen, aber spröde und teuer sind1,16.

Um die Sprödigkeit magnetostriktiver Materialien zu überwinden, haben viele Forscher magnetostriktive Partikel durch eine Polymermatrix verteilt und so magnetostriktive Polymerverbundstoffe (MPCs) gebildet25. Unter einem externen Magnetfeld verformen sich die magnetostriktiven Partikel und üben eine Kraft auf die Polymermatrix aus, wodurch der gesamte Verbundwerkstoff verformt wird. Das Gleichgewicht wird durch den Ausgleich der in den magnetostriktiven Partikeln und der Polymermatrix erzeugten Spannungen erreicht, was zu einer Gesamtverformung des MPC führt. MPCs sind möglicherweise für die Strom- und Spannungsmessung, Vibrationsdämpfung, Betätigung, Gesundheitsüberwachung und biomedizinische Anwendungen anwendbar. Darüber hinaus lassen sie sich einfacher in der erforderlichen Geometrie herstellen als die oben genannten riesigen magnetostriktiven Legierungen. Frühere Studien zu MPCs haben über Terfenol-D-Partikel26 und Galfenol-Partikel27 berichtet, die durch eine Epoxidharzmatrix dispergiert sind (Terfenol-D/Epoxid- bzw. Galfenol/Epoxid-Komposite), Fe-Co-Legierungspartikel, die durch eine Polyurethan-Matrix dispergiert sind (Fe-Co/PU). Verbundwerkstoffe)28 und verschiedene andere29,30. Positive Magnetostriktionswerte von 1600, 360 und 70 ppm wurden für Terfenol-D/Epoxid, Galfenol/Epoxid bzw. Fe-Co/PU berichtet. MPCs mit negativer magnetostriktiver Wirkung wurden jedoch nur in geringem Umfang untersucht. Nersessian et al.31 berichteten über Sättigungsmagnetostriktionen von −24 bzw. −28 ppm in hohlen bzw. massiven Nickelkompositen. In ähnlicher Weise berichteten Ren et al.32 über eine negative Magnetostriktion in polymergebundenen Sm0,88Dy0,12Fe1,93-Pseudo-1-3-Verbundwerkstoffen.

In letzter Zeit haben Geräte auf Papier- und Zellulosebasis zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen33, da Papier kostengünstig ist (~ 0,005 $/m2), biokompatibel, umweltfreundlich, 100 % recycelbar und dehnbarer als andere flexible Geräte auf Polymerbasis34. Zellulosefasern sind kostengünstig, biobasiert, biologisch abbaubar, ungefährlich, recycelbar und haben eine geringe Dichte35. Insbesondere Cellulose-Nanofibrillen (CNFs) weisen eine herausragende Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit auf36 und werden voraussichtlich als Verstärkungsfasern verwendet37,38,39,40,41,42,43.

Mattos et al.44 zeigten, dass aus CNFs erzeugte Nanonetzwerke aufgrund des durch die Fibrillen bereitgestellten supramolekularen Zusammenhalts Überstrukturen mit praktisch jeder Art von Partikeln bilden können. Es wurde gezeigt, dass dieser Zusammenhalt auf das hohe Aspektverhältnis der Fibrillen zurückzuführen ist. Yermakov et al.45 stellten magnetostriktive Nanozellulosemembranen her, indem sie Terfenol-D-Partikel in CNFs einbetteten. Nach der Auswertung der magnetostriktiven Eigenschaften der Membranen stellten sie fest, dass verschiedene Ausrichtungen der Terfenol-D-Partikel in den Membranen induziert wurden und dass Partikel mit einer Ausrichtung in der Ebene den stärksten magnetostriktiven Effekt zeigten. Kim et al.46 stellten eine magnetostriktive Aktuatorkette her, die auf ein externes Magnetfeld reagieren konnte, indem sie magnetische Nanopartikel aus Fe2O3 in einer CNF-Matrix kombinierten. Allerdings gibt es keine Veröffentlichungen, in denen magnetostriktive Verbundwerkstoffe durch die Kombination von CNFs und CoFe2O4 hergestellt wurden. Antonel et al.47 stellten einen CoFe2O4-Poly(anilin)-Verbundstoff her, indem sie CoFe2O4-Nanopartikel in eine Poly(anilin)-Polymermatrix einbetteten. Sie zeigten, dass man aufgrund der Partikel-Polymer-Wechselwirkungen durch Variation des Partikel-Polymer-Verhältnisses das magnetische Verhalten des Materials modulieren kann.

In der vorliegenden Studie wurden CoFe2O4-Partikel durch CNF dispergiert, um CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere zu bilden. In diesem Artikel werden die magnetischen, magnetostriktiven und Zugeigenschaften der Papiere beschrieben. Die Mikrostrukturen der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) und einem Röntgenbeugungssystem (XRD) beobachtet.

Abbildung 1 ist eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere. Die Ausgangsmaterialien waren CoFe2O4-Partikel (Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., Japan) und eine 2 Gew.-%ige CNF-Aufschlämmung (IMA-10002, Sugino Machine, Japan). Die CoFe2O4-Partikelgrößenverteilung wurde mit einem Laserbeugungs-Partikelgrößenanalysator (MASTERSIZER 3000, Malvern Panalytical, Spectris, UK) gemessen. Die CoFe2O4-Partikel und die CNF-Aufschlämmung wurden manuell 5 Minuten lang bei Raumtemperatur durch Handmischen gemischt. Unter Verwendung unterschiedlicher Gewichtsverhältnisse von CoFe2O4-Partikeln:CNF-Aufschlämmung wurden 3 Lösungen hergestellt: 5:95, 20:80 und 35:65, Gesamtgewicht 20 g. Die Lösungen wurden zwischen zwei Maschenplatten mit einer Größe von 100 \(\times \) 2 mm2 eingelegt. Die Proben wurden unter einer ultrakompakten manuellen hydraulischen Heizpresse (Modell IMC-195A-E, Imoto Mfg. Co., Ltd., Japan) komprimiert und dehydriert, die 30 s lang bei 120 °C betrieben wurde. Nach dem Abziehen der Netzblätter wurden die dehydrierten CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere weiter komprimiert und mit einem 2500-g-Gewicht 24 Stunden lang getrocknet. Die kreisförmige CoFe2O4-Platte (\(\phi \) 15 \(\times \) 2,25 mm3) wurde dann durch Funkenplasmasintern (SPS, SPS-1050, Fuji Electric Industrial Co., Ltd., Japan) unter Druck verfestigt Belastung von 20 MPa bei 1000 °C für 10 min im Vakuum. Eine Referenz-CoFe2O4-Platte wurde auf eine Größe von 10 \(\times \) 10 \(\times) 2,25 mm3 zugeschnitten und für weitere Messungen reserviert.

Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere (gezeichnet mit Microsoft PowerPoint für Mac, Version 16.70).

Um die Dichten der CoFe2O4-Verbundpapiere und der CoFe2O4-Sinterplatte zu ermitteln, wurden die Längen und Dicken der Proben mit einem elektronischen digitalen Messschieber (SDV-150, Fujiwara Industrial Co., Ltd., Japan) und einem digitalen Dickenmessgerät (MDC) gemessen -SX, Mitutoyo, Japan) und die Gewichte der Proben wurden auf einer digitalen Waage gemessen (ALE223R, Sinko Denshi Co., Ltd., Japan).

Die Mikrostrukturen der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere und CoFe2O4-Partikel wurden in einem Mehrzweck-XRD-System (Ultima IV, Rigaku Co., Japan) untersucht. Die XRD-Muster wurden unter CuK\({\upalpha }\)-Strahlung mit einer Zählzeit von 1,67/s, einer Schrittweite von 0,02°, einer Spannung von 40 kV und einem Strom von 40 mA erhalten. Der Scanbereich wurde mit 10° bis 70° ermittelt. Die Mikrostrukturen der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere wurden mit einem Feldemissions-REM (FE-SEM) (SU-70, Hitachi High-Tech Co., Ltd., Japan) mit einer Beschleunigungsspannung von 5 kV und einem Arbeitsabstand beobachtet von 10 mm. Zur Vorbereitung der FE-SEM wurden die Oberflächen der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere 30 s lang mit einem Ionensputtergerät (E-1045, Hitachi High-Tech Co., Ltd., Japan) mit einem Entladestrom von 15 mA gesputtert bei 15 Pa, um den Verbundpapieren elektrische Leitfähigkeit zu verleihen. Darüber hinaus war das FE-SEM mit einem energiedispersiven Röntgenspektrometer (EDX) zur Messung der Kohlenstoff- (C), Sauerstoff- (O), Kobalt- (Co) und Eisen- (Fe) Konzentrationen in den CNF-CoFe2O4-Verbundpapieren ausgestattet. Der EDX wurde mit einer Beschleunigungsspannung von 5 kV und einem Arbeitsabstand von 15 mm betrieben.

Die magnetischen Eigenschaften der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere wurden mit einem Vibrationsprobenmagnetometer (VSM) (BHV-50H, Riken Denshi Co., Ltd., Japan) bewertet, das auf 4,931 Emu kalibriert war. Das VSM wurde auf einer Platte aus reinem Nickel mit einer Größe von 10 \(\times \) 10 \(\times) 0,1 mm3 kalibriert. Der angelegte Magnetfeldbereich betrug ± 759 kA/m. Die magnetostriktiven Eigenschaften der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere wurden unter den VSM-Elektromagneten bewertet. Die Elektromagnete hatten einen Abstand von 50 mm. Das angelegte Magnetfeld wurde mit einem Gaussmeter (GM-4002, Denshijiki Industry Co., Ltd., Japan) gemessen. Die Spannungen der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere wurden mit einem orthogonalen Dehnungsmessstreifen (JFGS-1-120-D16-16 L3M2S, Kyowa Electronic Instruments Co., Ltd., Japan) gemessen, der auf der Probenoberfläche unter einem angelegten Magnetfeldbereich positioniert wurde von ± 733 kA/m. Die Daten wurden von Datenloggern (NR-ST04 und NR-HA08, Keyence, Japan)28 erfasst.

Die Zugeigenschaften von CNF-CoFe2O4-Verbundpapierproben mit einer Größe von 30 \(\times \) 15 mm2 wurden auf einem kompakten Tischtester (EZ-SX, Shimazu Co., Ltd., Japan) mit einer 500-N-Lastzelle (Shimazu) untersucht Co., Ltd., Japan). Die Zugklemmen hatten einen Abstand von 15 mm. Zwischen dem CNF-CoFe2O4-Verbundpapier und den Zugklemmen wurde Schleifpapier der Körnung #600 eingelegt, um ein Verrutschen zu verhindern.

In diesem Abschnitt wird das Problem der Vorhersage der effektiven magnetomechanischen Eigenschaften des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers formuliert. In rechtwinkligen kartesischen Koordinaten xi (O-x1, x2, x3) sind die Materialgleichungen des heterogenen magnetostriktiven Verbundmaterials durch die Gleichungen gegeben. (1) und (2)

wobei \(\langle{\varepsilon }_{ij}\rangle,\langle{\sigma }_{kl}\rangle,\langle{B}_{i}\rangle\) und \(\langle{H} _{k}\rangle\) sind die durchschnittlichen Komponenten des Dehnungstensors, des Spannungstensors, des magnetischen Flussdichtevektors bzw. des magnetischen Feldintensitätsvektors und \({s}_{ijkl}^{*\mathrm{H }}\), \({d}_{kij}^{*}\) und \({\mu }_{ik}^{*\mathrm{T}}\) sind die elastische Nachgiebigkeit unter einem konstanten Magnetismus Feld, die piezomagnetische Konstante bzw. die magnetische Permittivität unter konstanter Spannung. Im Folgenden bezeichnet das Sternchen (*) die effektiven Durchschnittseigenschaften des magnetostriktiven Verbundmaterials. Diese Formulierung übernimmt die komprimierte Matrixnotation, die bei der Erörterung der Symmetrie nützlicher ist als die erweiterte Tensornotation. In dieser Matrixschreibweise wird ij oder kl (i, j, k, l = 1, 2, 3) durch p, q (Wert von 1 bis 6) ersetzt. Die Gleichungen (1) und (2) werden dann als Gleichungen umgeschrieben. (3) und (4)

Um die effektiven Eigenschaften der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere zu demonstrieren, betrachten wir den longitudinalen magnetostriktiven Effekt, was bedeutet, dass das äußere Feld (entweder mechanische Spannung oder ein Magnetfeld) entlang der x3-Richtung (der leichten Magnetisierungsachse des Verbundpapiers) wirkt. . Der magnetomechanische Kopplungsfaktor ergibt sich aus Gl. (5)

Dabei ist \({E}^{*}\) der Elastizitätsmodul (Steigung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms) des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers. Beachten Sie, dass die Materialeigenschaften \({E}^{*}\), \({d}_{33}^{*}\) und \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T }}\) sind Funktionen der Volumenanteile der CoFe2O4-Partikel (\({V}_{\mathrm{cfo}}\)), \(\mathrm{die}\) Poren (\({V}_{ \mathrm{p}}\)), und der CNF-Matrix \(({V}_{\mathrm{m}} = 1-({V}_{\mathrm{cfo}}+{V}_{ \mathrm{p}}))\). Somit werden die Materialeigenschaften berechnet, indem die Volumenanteile in die Gleichungen eingesetzt werden. (6)–(8):

wobei die Indizes cfo, p und m die CoFe2O4-Partikel, Poren und Matrix (dh CNF) darstellen.

Die Gewichtsanteile von CoFe2O4 (\({W}_{\mathrm{cfo}}\)) und CNF (\({W}_{\mathrm{m}}\)) in den Verbundpapieren sind in Tabelle 1 dargestellt Die tatsächlichen Dichten der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere betrugen 0,7983 g/cm3 (Probe aus 5:95-Lösung), 1,1967 g/cm3 (Probe aus 20:80-Lösung) und 1,5058 g/cm3 (Probe aus 35:65-Lösung). ). Unter der Annahme, dass das gesamte Wasser aus dem getrockneten CNF-CoFe2O4-Verbundpapier verdampft ist, und unter Berücksichtigung der theoretischen Dichten von CoFe2O4 und Cellulose (5,2948 bzw. 1,50 g/cm3) ergeben sich die Volumenanteile der CoFe2O4-Partikel in Proben aus 5:95, 20 :80- und 35:65-Lösungen wurden in den endgültigen CNF-CoFe2O4-Verbundpapieren mit 10,9, 21,0 bzw. 27,5 Vol.-% berechnet (siehe Tabelle 1). Die durchschnittliche Dicke der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere mit 10,9, 21,0 und 27,5 Vol.-% CoFe2O4 betrug 0,25, 0,49 bzw. 0,92 mm. Die tatsächliche Dichte der CoFe2O4-Sinterplatte betrug 4,298 g/cm3. Die relative Dichte der CoFe2O4-Sinterplatte wurde mit 81,2 % der theoretischen Dichte von 5,29 g/cm3 berechnet.

Abbildung 2 zeigt die Größenverteilungen der CoFe2O4-Partikel. Das CoFe2O4-Pulver bestand aus kleinen und großen Partikelpopulationen mit ungefähren Durchmessern von 10 bzw. 150 μm. Wie in Abb. 3 dargestellt, stimmten die XRD-Muster des 10,9 Vol.-% CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers mit denen der CoFe2O4-Partikel überein. Daher war das CoFe2O4 stabil gegenüber chemischen Umwandlungen während des Herstellungsprozesses. Abbildung 4 zeigt die REM-Bilder der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere. Obwohl die CoFe2O4-Partikel in der CNF-Matrix dispergiert waren, wurden sie durch den Handmischprozess agglomeriert. Der Größenverteilungspeak bei 150 μm in Abb. 2 wurde wahrscheinlich durch große Agglomerate von CoFe2O4-Partikeln verursacht. Abbildung 5 zeigt die EDX-Kartierung des 27,5 Vol.-% CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers (die mikroskopische Aufnahme ist in Abb. 4c dargestellt). Das EDX erkannte C, O, Co und Fe auf der Oberfläche der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere, was darauf hindeutet, dass CoFe2O4 gegenüber chemischen Reaktionen während des Herstellungsprozesses stabil war, was die XRD-Ergebnisse erneut bestätigte. Es ist zu beachten, dass im Schatten des EDX-Detektors keine charakteristischen Intensitäten der Röntgenstrahlung auftraten, da diese durch die unebene Oberfläche der CNF-CoFe2O4-Verbundpapieroberfläche abgeschwächt wurden.

Größenverteilung der CoFe2O4-Partikel.

XRD-Muster des 10,9 Vol.-% CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers (rot) und der CoFe2O4-Partikel (blau).

REM-Bilder der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere mit unterschiedlichen CoFe2O4-Gehalten: (a) 10,9, (b) 21,0 und (c) 27,5 Vol.-%.

EDS-Kartierungen des 27,5 Vol.-% CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers mit 27,5 Vol.-% CoFe2O4-Gehalt.

Abbildung 6 zeigt die magnetischen Eigenschaften der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere und der CoFe2O4-Platte. Die CoFe2O4-Zusätze magnetisierten das CNF-Papier. Die maximale Magnetisierung des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers nahm linear mit zunehmendem Anteil an CoFe2O4-Partikeln zu. In Übereinstimmung mit den vorliegenden Ergebnissen berichteten Williams et al.49, dass die magnetischen Eigenschaften magnetisierender Cellulosefasern vom Volumenprozentsatz des implementierten magnetischen Füllstoffs im Fasernetzwerk abhängen. Die magnetische Kurve des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers erreichte die Sättigung langsamer als die der CoFe2O4-Sinterplatte. In Gl. (4) wurde die effektive magnetische Permittivität \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T}}\) des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers unter spannungsfreien Bedingungen durch Gl. (9)

Magnetische Eigenschaften der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere und der CoFe2O4-Platte: (a) Kurve der Magnetisierung gegenüber dem Magnetfeld und (b) Auftragung der maximalen Magnetisierung gegenüber dem CoFe2O4-Volumenanteil.

Die scheinbaren effektiven magnetischen Permittivitäten \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T}}\) von CNF-CoFe2O4 mit CoFe2O4-Gehalten von 10,9, 21,0 und 27,5 Vol.-% wurden mit 0,0769 \(\times) bewertet \) 10−6, 0,127 \(\times \) 10−6 und 0,228 \(\times \) 10−6 H/m, ausgehend von der anfänglichen Steigung in Abb. 6a (siehe Tabelle 1).

Abbildung 7 zeigt die magnetostriktiven Eigenschaften der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere und der CoFe2O4-Platte. Im CNF-CoFe2O4-Verbundpapier war die Magnetostriktion erwartungsgemäß negativ und positiv in den Richtungen parallel bzw. senkrecht zum Magnetfeld. Die Magnetostriktion der CoFe2O4-Platte stieg zunächst auf einen maximalen negativen Wert an und nahm dann ab. Der maximale negative Wert der CoFe2O4-Platte betrug −90 ppm unter einem Magnetfeld von 217 kA/m. Bozorth et al.50 sagten, dass CoFe2O4 zwei Magnetostriktionskoeffizienten \({\lambda }_{100}\) und \({\lambda }_{111}\) hat: \({\lambda }_{100}<0 \) und \({\lambda }_{111}>0\) bei 300 K. Da die leichte Magnetisierungsachse von CoFe2O4 [100] ist, hat es entsprechend einen großen negativen \({\lambda }_{100} \) und ein kleines positives \({\lambda }_{111}\)51,52. Es wird angenommen, dass das gleiche Phänomen aufgetreten ist. Die maximale negative Magnetostriktion des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers weicht von der Anpassungslinie ab (siehe Abb. 7e). Es ist zu beachten, dass die Verbundpapiere aus CNF und CoFe2O4 mit 10,9 und 21,0 Vol.-% keine magnetostriktive Sättigung unter einem Magnetfeld von \({H}_{3}=\pm \) 733 kA/m erreichen konnten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die CNFs zwischen den CoFe2O4-Partikeln durch die Magnetostriktion der CoFe2O4-Partikel verformten und die lineare Magnetostriktion des gesamten CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers erleichterten. In Gl. (3) wurde die effektive piezomagnetische Konstante \({d}_{33}^{*}\) des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers unter spannungsfreien Bedingungen als Gleichung berechnet. (10).

Magnetostriktive Eigenschaften der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere mit CoFe2O4-Gehalten von (a) 10,9, (b) 21,0 und (c) 27,5 Vol.-% und (d) der CoFe2O4-Platte; (e) Diagramm der maximalen negativen Magnetostriktion gegenüber dem CoFe2O4-Volumenanteil.

Nach einer geradlinigen Anpassung der linearen Abschnitte der Kurven in Abb. 7a–c ergeben sich die \({d}_{33}^{*}\)-Werte der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere mit 10,9, 21,0 und 27,5 Vol.-% CoFe2O4 wurden als − 8,95 \(\times \) 10−12, − 66,5 \(\times \) 10−12 und − 166 \(\times \) 10−12 m/A berechnet (siehe Tabelle). 1). Offensichtlich nahm der \({d}_{33}^{*}\) des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers mit zunehmender Zugabe von CoFe2O4-Partikeln zu. Unter Verwendung von Gl. (3) wurde die effektive piezomagnetische Konstante \({d}_{31}^{*}\) des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers unter spannungsfreien Bedingungen als Gleichung erhalten. (11).

In ähnlicher Weise wurden die \({d}_{31}^{*}\)-Werte der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere mit 10,9, 21,0 und 27,5 Vol.-% CoFe2O4 zu 0,391 \(\times \) 10−12 berechnet, 18,8 \(\times \) 10−12 bzw. 27,1 \(\times \) 10−12 m/A.

Abbildung 8a zeigt die Spannungs-Dehnungskurven der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere. Dabei wurde die Dehnung aus der Verschiebung der Universalprüfmaschinentraverse abgeschätzt. Die anfänglichen Steigungen (zwischen 0 und 0,2 % Dehnung) der Spannungs-Dehnungskurven der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere wurden für die Proben mit 10,9, 21,0 und 27,5 Vol.-% berechnet und zu 0,523, 0,269 und 0,195 GPa bestimmt , bzw. (siehe Tabelle 1). Diese Werte wurden als die scheinbar effektiven Young-Module verwendet. In den Abbildungen 8 (b und c) sind die Zugfestigkeiten (UTSs) und Bruchdehnungen im Vergleich zum CNF-Volumenanteil in den CNF-CoFe2O4-Verbundpapieren dargestellt. Die CNF-Volumenanteile in den Verbundpapieren mit 10,9, 21,0 und 27,5 Vol.-% betrugen 14,7, 5,9 bzw. 3,6 Vol.-%. Die UTS des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers wurde durch die Zugabe von CNFs erhöht. Die Zugabe von CoFe2O4-Partikeln verringerte jedoch die UTS, dh CNF war für die Zugeigenschaften von CNF-CoFe2O4-Verbundpapieren verantwortlich. Daher können die magnetischen und magnetostriktiven Eigenschaften sowie die Zugeigenschaften von CNF-CoFe2O4-Verbundpapieren durch Änderung des Mischungsverhältnisses von CNF- und CoFe2O4-Partikeln gesteuert werden. Die scheinbaren \({k}_{33}^{2}\)-Werte des 10,9, 21,0 und 27,5 Vol.-% CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers betrugen 5,45 \(\times \) 10−16, 9,37 \(\times \) 10−15 bzw. 2,36 \(\times \) 10−14 (siehe Tabelle 1). Der verbesserte magnetomechanische Kopplungsfaktor nach der Zugabe von CoFe2O4 lässt darauf schließen, dass das CNF-CoFe2O4-Verbundpapier ein vielversprechender Kandidat für Energiegewinnungsanwendungen ist.

(a) Spannungs-Dehnungs-Kurven der CNF-CoFe2O4-Verbundpapiere; Diagramme von (b) UTS und (c) Bruchdehnung gegenüber dem CNF-Volumenanteil in den CNF-CoFe2O4-Verbundpapieren.

Diese Studie untersuchte die magnetischen, magnetostriktiven und Zugeigenschaften von CNF-CoFe2O4-Verbundpapieren mit unterschiedlichen Volumenanteilen von CoFe2O4. Die XRD- und EDX-Analysen zeigten, dass CoFe2O4 während des Herstellungsprozesses stabil blieb. Die SEM-Bilder bestätigten, dass CoFe2O4-Partikel in der CNF-Matrix dispergiert waren, manchmal aber auch agglomeriert waren. Die CoFe2O4-Partikel verliehen dem CNF-Papier eine Magnetisierung, und die maximale Magnetisierung des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers war eine linear zunehmende Funktion des CoFe2O4-Gehalts. Die Magnetostriktion des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers war in den Richtungen parallel und senkrecht zum Magnetfeld negativ und positiv. Der scheinbare effektive Elastizitätsmodul und die UTS des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers nahmen mit zunehmendem CoFe2O4 ab. Dies lag daran, dass eine erhöhte Menge an CoFe2O4-Partikeln den CNF-Volumenanteil des Verbundpapiers verringerte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der CNF für die Zugeigenschaften des CNF-CoFe2O4-Verbundpapiers verantwortlich war. Daher können die magnetischen und magnetostriktiven Eigenschaften sowie die Zugeigenschaften von CNF-CoFe2O4-Verbundpapier durch Änderung des Mischungsverhältnisses von CNF- und CoFe2O4-Partikeln gesteuert werden. Insgesamt verleihen die CoFe2O4-Zusätze dem CNF-Papier magnetische und magnetostriktive Eigenschaften und können seine Zähigkeit im Austausch für eine Verringerung seiner Zugeigenschaften erhöhen. Der magnetomechanische Kopplungsfaktor des Papiers wurde durch die Zugabe von CoFe2O4-Partikeln verbessert; Daher wird erwartet, dass das CNF-CoFe2O4-Verbundpapier für Energiegewinnungsanwendungen verfügbar sein wird.

Die im Manuskript beschriebenen Materialien, einschließlich aller relevanten Rohdaten, stehen jedem Forscher, der sie für nichtkommerzielle Zwecke nutzen möchte, auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor frei zur Verfügung.

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Diese Arbeit wurde vom KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (Grant-Nummer 22H00183) und dem Grant-in-Aid for Early-Career Scientists (Grant-Nummer 19K14836) der Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) unterstützt.

Abteilung für Grenzwissenschaften für fortgeschrittene Umwelt, Graduate School of Environmental Studies, Universität Tohoku, Sendai, Japan

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

Ångström-Labor, Fachbereich Wissenschaft und Technologie, Fachbereich Chemie, Universität Uppsala, Uppsala, Schweden

Lovisa Rova

Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, INSA-Lyon, Universität Lyon, Villeurbanne Cedex, Frankreich

Alia Gallet--Pandellé

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Korrespondenz mit Hiroki Kurita oder Fumio Narita.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Keino, T., Rova, L., Gallet--Pandellé, A. et al. Negativ magnetostriktives Papier, das durch Dispergieren von CoFe2O4-Partikeln in Cellulose-Nanofibrillen entsteht. Sci Rep 13, 6144 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31655-z

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Eingegangen: 31. Oktober 2022

Angenommen: 15. März 2023

Veröffentlicht: 15. April 2023

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

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