Optimization of laminated magnetoelectric structures based on electroactive polymers

Abstract

Polymer-based Magnetoelectric (ME) materials are becoming relevant in the development of new technologies for biomedical applications, sensors, actuators and recording devices, among others. The advance of technology has allowed the improvement of the know-how in order to generate new, enhanced and smaller devices. Furthermore, mathematical models and simulations are tools that have become a requirement to reduce costs, optimize features and to acquire fundamental knowledge on material properties to achieve new alternatives to develop these devices. This work is focused on the simulation of polymer-based magnetoelectric laminates, together with spherical, ellipsoidal and fibre composites, to obtain knowledge about the influence of their structure, mechanical, electrical and magnetic properties on the magnetoelectric response, as well as on the dimensional and assembly requirements for optimal functioning. The developed model considers magnetostrictive and electrostrictive domains coupled via strain. The effect of size, bonding and configuration of poly(vinylidene fluoride) Vitrovac/PVDF laminated composites has been analysed and compared with the simulated response of lead zirconate titanate Vitrovac/PZT composites. Laminates composed by bi-layers, tri-layers and multi-layers have being analysed. It has been established that the elastic properties and amorphous constitution of PVDF is a key parameter governing its magnetoelectric performance, increasing its influence with increasing number of layers in the composite. Although configurations of multi-layers where the laminate is sandwiched between magnetostrictive layers (M-M configurations) presented more stable ME performances, the structural influence of PVDF in the configurations where the multi-layer is sandwiched between piezoelectric layers (P-P configurations) established peaks of ME performance, which should be further studied. Magnetoelectric (ME) spheres, ellipsoids, fibres and piezoelectric composites embedding magnetostrictive spheres all composed by cobalt ferrite (CoFe2O4, CFO) and PVDF, were also reported. Simulations results established improvement of the ME performance by increasing size or CFO weight concentration (wt.%) of the structures, as well as a direct relation between the maximal operational magnetic field and the normal surface of the structure exposed to the magnetic field, introducing the possibility of modifying the structures operational magnetic field range by changing the sphere´s eccentricity.

Materiais magnetoelétricos (ME) baseados em polímeros eletroativos são fundamentais no desenvolvimento de novas tecnologias em aplicações biomédicas, sensores, atuadores e aparelhos de gravação, entre outros. A evolução da tecnologia tem permitido avançar na transferência de conhecimento para a geração de novos dispositivos, melhorados e de menor dimensão. Além disso, a modelação matemática e as simulações são ferramentas que aparecem como requisito fundamental com vista à redução de custos e alcançar novas alternativas para construir esses dispositivos. Este trabalho de pesquisa foca-se na simulação do efeito ME em laminados, estruturas esféricas e elipsoidais, fibras e compósitos ME baseados em polímeros eletroativos. Tal simulação tem como objetivo primordial estudar o efeito da estrutura, das propriedades mecânicas e dos limites de operação dos materiais ME. O modelo estabelecido articula o funcionamento dos domínios magnetostritivos e piezoelétricos, introduzindo o acoplamento entre eles, através da transmissão de deformações. No que diz respeito ao efeito ME em laminados, foi realizado um estudo acerca da influência do tamanho, tipo de colagem (entre lâminas magnetostritivas e piezoelétricas), e configuração de compósitos laminados de Poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF)/Vitrovac na resposta ME do material. Esta resposta foi ainda comparada com o desempenho simulado de laminados de titanato zirconato de chumbo (PZT)/Vitrovac. Foram analisados compósitos de duas e três camadas e multicamadas. Os resultados estabelecem que a elasticidade e a estrutura amorfa do PVDF são parâmetros fundamentais de comportamento do PVDF. Estruturas ME de forma esférica e elípsoidal, fibras e compósitos piezoelétricos que incorporam esferas magnetostritivas, de PVDF e ferrita de cobalto (CoFe2O4, CFO) também foram alvos de estudo. Os resultados das simulações revelam uma tendência de aumento da resposta ME com o aumento do tamanho e da concentração de CFO, e uma relação direta entre a faixa de campo magnético de operação e a área normal da estrutura exposta ao campo magnético, desta forma verificou-se que existe a possibilidade de modificar a faixa de campo magnético de operação com a variação da excentricidade das estruturas elípticas.