Magnetoelektrische und magnetomechanische Wechselwirkungen in nachgiebigen Verbundwerkstoffen

• Antragsteller: Professor Dr. Mikhail Chamonine
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389008375

Herkömmliche magnetoelektrische (ME) Schichtverbundwerkstoffe bestehen aus piezoelektrischen keramischen oder einkristallinen Materialien und ferromagnetischen Metallen oder Legierungen. Aufgrund der Resonanzverstärkung von Deformationen in der piezoelektrischen Schicht wird die Effizienz der ME-Wechselwirkung maximal, wenn die Modulationsfrequenz des externen Magnetfeldes der Eigenfrequenz von mechanischen Schwingungen in der Verbundstruktur entspricht. Da die konstitutiven Festkörpermaterialien große elastische Konstanten aufweisen, sind die entsprechenden Resonanzfrequenzen ebenfalls hoch (typischerweise im Bereich von 1 - 300 kHz). Für einige Anwendungen, z.B. für niederfrequente Magnetfeldsensorik oder Vibrationsenergiewandler wäre es vorteilhaft, wenn die mechanische Resonanzfrequenz der Verbundstruktur viel niedriger wäre, z.B. unter 100 Hz. Im derzeitigen Stand der Technik sind nachgiebige (flexible) Polymermaterialien vielversprechende Kandidaten für die Realisierung von flexiblen ME Verbundwerkstoffen. Im Allgemeinen sind Polymer-basierte intelligente Materialien für MEMS- und mikrofluidische Anwendungen sehr interessant, da sie die Vorteile der mechanischen Flexibilität, der geringeren Herstellungskosten und des schnelleren Herstellungsprozesses im Vergleich zu den Silizium-basierten Komponenten besitzen. Ziel dieses Projektes ist es, optimierte ME-Schicht-Verbundwerkstoffe zu entwickeln, welche vorzugsweise vollständig aus nachgiebigen (flexiblen) Polymeren hergestellt sind, und ihre ME-Eigenschaften im Detail untersuchen. Zur Optimierung von ME-Verbundwerkstoffen müssen die relevanten Eigenschaften von konstitutiven Materialien ebenfalls untersucht werden. Magnetoaktive Elastomere (MAEs) werden als magnetostriktive Schichten verwendet. Diese magnetoaktive Elastomere bestehen aus mikrometergroßen magnetischen Teilchen (z. B. Eisen), die in einer weichen Elastomer- (z.B. Polydimethylsiloxan, PDMS) Matrix verteilt sind. Magnetostriktive Eigenschaften von MAEs werden im breiten Temperaturbereich zwischen -60 ° C und + 60 ° C untersucht und der Zusammenhang mit der Erhöhung des dynamischen Schermoduls in externen Magnetfeldern (magnetorheologischer Effekt, field-stiffening Effekt) wird festgestellt. Der Wiedemann-Effekt in MAEs wird als eine spezifische Erscheinung der Magnetostriktion untersucht. Um ME-Verbundwerkstoffe zu bilden, müssen MAE-Schichten weiter mit nachgiebigen (flexiblen) PE-Materialien kombiniert werden. Es werden verschiedene Möglichkeiten der Implementierung von PE-Schichten erforscht. Insbesondere ist es vorgesehen, PDMS-basierte mikrostrukturierte ferroelektrische Strukturen, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Piezofaser-basierte Sandwich-Verbundwerkstoffe zu untersuchen. Temperaturabhängigkeiten der ME-Wechselwirkungseffizienz in gefertigten Verbundstrukturen werden experimentell bestimmt. Diese Temperaturcharakteristiken müssen aus Temperaturabhängigkeiten von konstitutiven Materialien erklärt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartner: Dr. Leonid Fetisov, Ph.D.