Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/23178

TitleMagnetoelectric nanocomposites based on electroactive polymers
Author(s)Martins, Pedro Libânio Abreu
Advisor(s)Lanceros-Méndez, S.
Barandiarán Garcia, José Manuel
Issue date14-Dec-2012
Abstract(s)The magnetoelectric (ME) effect is a physical phenomenon with a wide range of device applications such as computer memories, smart sensors, actuators and high frequency microelectronic devices. There are few single-phase ME materials and most of them show weak ME coupling at room temperature. In order overcome this limitation, composite materials with increased ME effect are being developed. Most of the ME investigations have used as piezoelectric matrix ceramic materials, but ceramic composites may become fragile and are limited by deleterious reactions at the interface regions leading to low electrical resistivities and high dielectric losses, making those ceramic composites not attractive for applications. In this way, new multifunctional Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and copolymers based nanocomposites were produced with magnetostrictive NiFe2O4, CoFe2O4 and Ni0.5Zn0.5Fe2O4 nanoparticles. PVDF and copolymers were used due to their flexibility and high piezoelectric coefficient and ferrite nanoparticles due to their good magnetostrictive properties and distinct magnetic response. The piezoelectric, dielectric, ferroelectric, magnetic and ME properties of the resulting nanocomposites were determined and discussed. It was found that the dispersed ferrite nanoparticles strongly enhanced the nucleation of the -phase of the PVDF matrix, essential for the ME response. The origin of such - phase nucleation was attributed to the electrostatic interactions resulting from the presence of negative nanoparticle surfaces that interact with the polymeric CH2 groups that have positive charge density. It was also verified that macroscopic magnetic and dielectric responses of the composites strongly depend on the ferrite nanoparticle content, with both magnetization and dielectric constant increasing for increasing filler content. The -relaxation in the composite samples was similar to the one observed for -PVDF obtained by stretching. A superparamagnetic behaviour was observed for PVDF/NiFe2O4 composites, whereas PVDF/CoFe2O4 samples show a magnetic hysteresis cycle with coercivity of 0.3 T. Ferroelectric and piezoelectric properties were improved when small amount of CoFe2O4 nanoparticles (up to 7% in weight percent (wt.%)) were added to the P(VDFTrFE) matrix. The highest ME response of 41.3 mV/cm.Oe was found in the P(VDFTrFE)/ CoFe2O4 (28/72 wt.%) composite when a HDC=0.25T was transversely applied to the sample surface and a ME voltage coefficient of 5mV/cm.Oe was obtained at a HDC=0.5T for the PVDF/CoFe2O4 (93/7 wt.%) sample. This ME response for the PVDF based composites was possible after stretching of the samples, which also led to the formation of voids. Direct ME effects up to 1.35 mV/cm.Oe were obtained in a HDC =0,5T, for the P(VDFTrFE)/ Ni0.5Zn0.5Fe2O4 (15/85 wt.% ). P(VDF-TrFE)/Ni0.5Zn0.5Fe2O4 nanocomposites show, as compared to P(VDF-TrFE)/CoFe2O4 nanocomposites, linear and nonhysteretic direct magnetoelectric responses up to 0.5 T. It is in this way, novel polymer based ME composites were produced and characterized in such way that it was demonstrated their suitability for sensor applications.
O efeito magnetoeléctrico (ME) é um fenómeno físico que tem uma vasta gama de aplicações de que são exemplo as memórias de computador, sensores inteligentes, atuadores e aparelhos microeletrónicos de alta frequência. Existem muito poucos materiais ME de fase única e a maior parte deles exibem um efeito ME muito baixo à temperatura ambiente. Para ultrapassar esta limitação, estão a ser desenvolvidos materiais compósitos com efeito ME melhorado. Contudo, a maior parte das investigações no âmbito dos materiais ME têm usado como matriz piezoelétrica materiais cerâmicos, estes podem-se tornar frágeis e são limitados por reações deletérias nas interfaces levando a resistividades elétricas muito baixas e a elevadas perdas dielétricas, o que faz com que estes compósitos cerâmicos não sejam atrativos do ponto de vista ads aplicações. Desta forma, novos compósitos multifuncionais baseados no Poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) ou nos seus copolímeros foram produzidos através da incorporação de partículas magnetostrictivas de NiFe2O4, CoFe2O4 e Ni0.5Zn0.5Fe2O4. O PVDF e os seus copolímeros foram utilizados devido à sua flexibilidade e alto coeficiente piezoelétrico. Por sua vez, as nanopartículas de ferrites foram usadas devido às suas propriedades magnetostritivas e resposta magnética distinta. As propriedades piezoelétricas, dielétricas, ferroelétricas, magnéticas e ME dos nanocompósitos resultantes foram determinadas e discutidas. Foi descoberto que as nanopartículas de ferrites dispersas no PVDF melhoravam, significativamente a nucleação da fase do polímero, fase essa que é essencial à resposta ME do compósito.A origem desta nucleação foi atribuída às interações eletrostáticas resultantes da presença de nanopartículas com superfícies negativas que interagiam com os grupos CH2 do polímero que possuem densidade de carga negativa. Verificou-se também que a resposta magnética e dielétrica dos compósitos era fortemente dependente da quantidade de ferrites adicionada, com a magnetização e constante dielétrica a aumentarem com o aumento da quantidade de partículas adicionadas. A relaxação nos compósitos foi similar aquela observada no -PVDF obtido através de estiramento.Foi ainda observado um comportamento superparamagético nos compósitos PVDF/NiFe2O4 enquanto que, nas amostras PVDF/CoFe2O4 observou-se um ciclo de histerese magnética com coercividade de 0.3 T. As propriedades piezoelétricas e ferroelétricas também foram melhoradas quando se adicionaram pequenas quantidades de nanopartículas de CoFe2O4 (até 7 % de percentagem em massa (wt.%)) ao P(VDF-TrFE). A maior resposta ME foi verificada na amostra P(VDF-TrFE)/CoFe2O4 (28/72 wt.%) quando um campo magnético HDC=41.3 mV/cm.Oe foi aplicado transversalmente à superfície da amostra, foi também obtido um coeficiente ME de 5mV/cm.Oe na amostra PVDF/CoFe2O4 (93/7 wt.%) quando se aplicou um HDC=0.5T. Esta resposta ME em amostras baseadas em PVDF foi possível graças ao estiramento da amostra, estiramento esse que também deu origem a vazios dentro do compósito. Foram também obtidas respostas ME diretas até 1.35 mV/cm.Oe na amostra P(VDFTrFE)/ Ni0.5Zn0.5Fe2O4 (15/85 wt.% ). Quando sujeitas a HDC até 0.5T estas amostras mostraram um comportamento linear e sem histerese. Desta forma, novos compósitos ME baseados em polímeros foram produzidos e caracterizados de tal forma que foi demonstrada a sua adequação para aplicações na área dos sensores.
TypedoctoralThesis
DescriptionTese de doutoramento em Ciências (especialidade de Física)
URIhttp://hdl.handle.net/1822/23178
AccessopenAccess
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
CDF - FCD - Teses de Doutoramento/PhD Thesis

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