CoFe2O4 입자를 셀룰로오스 나노섬유에 분산시켜 형성된 음자왜 종이

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6144(2023) 이 기사 인용

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폴리머는 인성을 높이기 위해 종종 자기 변형 재료와 결합됩니다. 이 연구는 분산된 CoFe2O4 입자(CNF-CoFe2O4)를 포함하는 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 기반 복합 종이를 보고합니다. CoFe2O4 입자의 혼합은 자화 및 자기왜곡을 부여하는 것 외에도 최대 인장 강도를 감소시키고 CNF-CoFe2O4 복합 종이의 파단 연신율을 증가시켰습니다. CNF는 CNF-CoFe2O4 복합종이의 인장 특성을 담당했습니다. 결과적으로 CNF-CoFe2O4 복합종이의 자기 및 자기왜곡 특성과 인장특성은 CNF와 CoFe2O4 입자의 혼합비를 변화시킴으로써 제어될 수 있다.

글로벌 에너지 위기와 환경 오염을 완화하기 위해 많은 연구자들이 주변 환경(예: 기계적 진동)에서 에너지를 수확하는 대체 에너지 기술을 탐구하고 있습니다1,2,3. 주변 에너지 공급이 제한되는 경우 압전 에너지 수확 장치는 사물 인터넷 센서4와 같은 대상 장치에 충분한 전력을 생성합니다. 이를 위해 압전재료, 복합재, 소자 등이 활발히 연구되고5,6,7,8,9,10,11 이들의 진동-에너지 하베스팅 성능이 평가되었다.

자기 변형 재료는 외부 자기장 하에서 변형될 수 있습니다12. 자기변형 효과는 1842~13년 James Prescott Joule에 의해 처음으로 기술되었습니다. 그는 강자성 물질인 철이 자기장에 반응하여 크기가 변한다고 보고했습니다. 그 이후로 연구자들은 Tb-Dy-Fe 합금(terfenol-D), Fe-Ga 합금(galfenol), Fe-Co 합금 및 CoFe2O4(코발트 페라이트)와 같은 다양한 자기 변형 재료를 개발했습니다14,15,16,17 ,18. 자기 변형 재료, 복합 재료 및 장치는 에너지 수확 분야에서도 주목을 받고 있습니다. Terfenol-D와 galfenol은 실온에서 우수한 자기 변형 특성을 나타내는 잘 알려진 거대 자기 변형 합금이지만 부서지기 쉽고 가격이 비쌉니다1,16.

자기변형 재료의 취성을 극복하기 위해 많은 연구자들은 자기변형 입자를 폴리머 매트릭스를 통해 분산시켜 자기변형 폴리머 복합재(MPC)를 형성했습니다. 외부 자기장 하에서 자기 변형 입자는 변형되어 폴리머 매트릭스에 힘을 가하여 전체 복합재를 변형시킵니다. 평형은 자기왜곡 입자와 폴리머 매트릭스에서 생성된 응력의 균형을 이루어 MPC의 전반적인 변형을 초래함으로써 달성됩니다. MPC는 잠재적으로 전류 및 응력 감지, 진동 감쇠, 작동, 건강 모니터링 및 생체 의학 응용 분야에 적용할 수 있습니다. 또한 위에서 언급한 거대 자기 변형 합금보다 필요한 형상으로 제조하기가 더 쉽습니다. MPC에 대한 이전 연구에서는 에폭시 수지 매트릭스(각각 테르페놀-D/에폭시 및 갈페놀/에폭시 복합재)를 통해 분산된 테르페놀-D 입자26 및 갈페놀 입자27, 폴리우레탄 매트릭스(Fe-Co/PU)를 통해 분산된 Fe-Co 합금 입자를 보고했습니다. 복합재)28 및 기타 다양한29,30. 테르페놀-D/에폭시, 갈페놀/에폭시 및 Fe-Co/PU에서 각각 1600, 360 및 70ppm의 양의 자기왜곡 값이 보고되었습니다. 그러나 음의 자기왜곡 효과를 갖는 MPC는 극히 일부만 연구되었습니다. Nersessian et al.31은 속이 빈 니켈 복합재와 고체 니켈 복합재에서 각각 -24ppm과 -28ppm의 포화 자기왜곡을 보고했습니다. 유사하게 Ren et al.32은 고분자 결합 Sm0.88Dy0.12Fe1.93 pseudo-1-3 복합재에서 음의 자기왜곡을 보고했습니다.

최근 종이 및 셀룰로오스 기반 장치는 종이가 저렴하고(~ 0.005 $/m2), 생체 적합성, 환경 친화적이고, 100% 재활용 가능하며, 다른 폴리머 기반 유연한 장치보다 신축성이 높기 때문에 주목을 받고 있습니다. 셀룰로오스 섬유는 저렴하고, 바이오 기반이며, 생분해성이고, 위험하지 않으며, 재활용이 가능하고, 밀도가 낮습니다35. 특히 셀룰로오스 나노섬유(CNF)는 뛰어난 강도, 강성 및 인성을 나타내며 강화 섬유로 활용될 것으로 예상됩니다.