Papier magnétostrictif négatif formé en dispersant des particules de CoFe2O4 dans des nanofibrilles de cellulose

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6144 (2023) Citer cet article

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Les polymères sont souvent combinés avec des matériaux magnétostrictifs pour améliorer leur ténacité. Cette étude rapporte un papier composite à base de nanofibrilles de cellulose (CNF) contenant des particules de CoFe2O4 dispersées (CNF-CoFe2O4). En plus de conférer une magnétisation et une magnétostriction, l'incorporation de particules de CoFe2O4 a diminué la résistance à la traction ultime et augmenté l'allongement à la rupture du papier composite CNF-CoFe2O4. CNF était responsable des propriétés de traction du papier composite CNF-CoFe2O4. Par conséquent, les propriétés magnétiques et magnétostrictives et les propriétés de traction du papier composite CNF-CoFe2O4 peuvent être contrôlées en modifiant le rapport de mélange des particules CNF et CoFe2O4.

Pour atténuer la crise énergétique mondiale et la pollution de l'environnement, de nombreux chercheurs explorent des technologies énergétiques alternatives qui récupèrent l'énergie de l'environnement ambiant (par exemple, les vibrations mécaniques)1,2,3. Lorsque l'approvisionnement énergétique ambiant est limité, les dispositifs de récupération d'énergie piézoélectrique génèrent suffisamment d'énergie pour les dispositifs ciblés tels que les capteurs de l'Internet des objets4. À cette fin, les matériaux piézoélectriques, les composites et les dispositifs ont été activement recherchés5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 et leurs performances de récupération d'énergie vibratoire ont été évaluées.

Les matériaux magnétostrictifs peuvent se déformer sous un champ magnétique externe12. L'effet magnétostrictif a été décrit pour la première fois par James Prescott Joule en 184213. Il a rapporté que le fer, un matériau ferromagnétique, change de dimension en réponse à un champ magnétique. Depuis lors, les chercheurs ont développé divers matériaux magnétostrictifs tels que les alliages Tb-Dy-Fe (terfenol-D), les alliages Fe-Ga (galfenol), les alliages Fe-Co et le CoFe2O4 (ferrites de cobalt)14,15,16,17,18. Les matériaux, composites et dispositifs magnétostrictifs attirent également l'attention dans le domaine de la récupération d'énergie19,20,21,22,23,24. Le terfénol-D et le galfénol sont des alliages magnétostrictifs géants bien connus présentant de bonnes propriétés magnétostrictives à température ambiante, mais ils sont cassants et coûteux1,16.

Pour surmonter la fragilité des matériaux magnétostrictifs, de nombreux chercheurs ont dispersé des particules magnétostrictives à travers une matrice polymère, formant des composites polymères magnétostrictifs (MPC)25. Sous un champ magnétique externe, les particules magnétostrictives se déforment et exercent une force sur la matrice polymère, déformant l'ensemble du composite. L'équilibre est atteint en équilibrant les contraintes générées dans les particules magnétostrictives et la matrice polymère, entraînant une déformation globale du MPC. Les MPC sont potentiellement applicables à la détection de courant et de contrainte, à l'amortissement des vibrations, à l'actionnement, à la surveillance de la santé et aux applications biomédicales. De plus, ils sont plus faciles à fabriquer à la géométrie requise que les alliages magnétostrictifs géants précités. Des études antérieures sur les MPC ont rapporté des particules de terfénol-D26 et des particules de galfénol27 dispersées à travers une matrice de résine époxy (composites terfénol-D/époxy et galfénol/époxy, respectivement), des particules d'alliage Fe-Co dispersées à travers une matrice de polyuréthane (composites Fe-Co/PU)28 et divers autres29,30. Des valeurs positives de magnétostriction de 1 600, 360 et 70 ppm ont été signalées respectivement pour le terfénol-D/époxy, le galfénol/époxy et le Fe–Co/PU. Cependant, les MPC à effet magnétostrictif négatif n'ont été étudiés que dans une faible mesure. Nersessian et al.31 ont rapporté des magnétostrictions à saturation de − 24 et − 28 ppm dans des composites de nickel creux et solides, respectivement. De même, Ren et al.32 ont rapporté une magnétostriction négative dans des composites pseudo-1-3 Sm0.88Dy0.12Fe1.93 liés par un polymère.

Récemment, les dispositifs à base de papier et de cellulose ont attiré une attention croissante33 car le papier est peu coûteux (~ 0,005 $/m2), biocompatible, respectueux de l'environnement, 100 % recyclable et plus extensible que les autres dispositifs flexibles à base de polymères34. La fibre de cellulose est peu coûteuse, biosourcée, biodégradable, non dangereuse, recyclable et à faible densité35. Les nanofibrilles de cellulose (CNF) présentent en particulier une résistance, une rigidité et une ténacité exceptionnelles36 et devraient être utilisées comme fibres de renforcement37,38,39,40,41,42,43.

Mattos et al.44 ont montré que les nanoréseaux créés à partir de CNF peuvent former des superstructures avec pratiquement n'importe quel type de particule en raison de la cohésion supramoléculaire fournie par les fibrilles. Cette cohésion s'est avérée être le résultat du rapport d'aspect élevé des fibrilles. Yermakov et al.45 ont fabriqué des membranes de nanocellulose magnétostrictives en incorporant des particules de terfénol-D dans des CNF. Après avoir évalué les propriétés magnétostrictives des membranes, ils ont constaté que diverses orientations des particules de terfénol-D étaient induites dans les membranes et que les particules avec alignement dans le plan présentaient l'effet magnétostrictif le plus fort. Kim et al.46 ont fabriqué une chaîne d'actionneur magnétostrictif qui pourrait répondre à un champ magnétique externe, en combinant des nanoparticules magnétiques de Fe2O3 dans une matrice CNF. Cependant, il n'existe aucune publication dans laquelle des composites magnétostrictifs ont été fabriqués en combinant des CNF et du CoFe2O4. Antonel et al.47 ont produit un composite CoFe2O4-poly(aniline) en incorporant des nanoparticules de CoFe2O4 dans une matrice polymère poly(aniline). Ils ont montré qu'en raison des interactions particule-polymère, en faisant varier le rapport particule-polymère, on peut moduler le comportement magnétique du matériau.

Dans la présente étude, les particules de CoFe2O4 ont été dispersées à travers le CNF pour former des papiers composites CNF-CoFe2O4. Cet article rapporte les propriétés magnétiques, magnétostrictives et de traction des papiers. Les microstructures des papiers composites CNF-CoFe2O4 ont été observées à l'aide d'un microscope électronique à balayage (SEM) et d'un système de diffraction des rayons X (XRD).

La figure 1 est un schéma du processus de fabrication des papiers composites CNF-CoFe2O4. Les matériaux de départ étaient des particules de CoFe2O4 (Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd., Japon) et une suspension de CNF à 2 % en poids (IMA-10002, Sugino Machine, Japon). La distribution granulométrique de CoFe2O4 a été mesurée par un analyseur de taille de particules à diffraction laser (MASTERSIZER 3000, Malvern Panalytical, Spectris, Royaume-Uni). Les particules de CoFe2O4 et la suspension de CNF ont été mélangées manuellement pendant 5 min à température ambiante par mélange à la main. En utilisant différents rapports pondéraux particules de CoFe2O4 : suspension de CNF, 3 solutions ont été préparées : 5:95, 20:80 et 35:65, poids total 20 g. Les solutions ont été prises en sandwich entre deux feuilles de maille de 100 \(\times \) 100 mm2. Les échantillons ont été comprimés et déshydratés sous une presse chauffante hydraulique manuelle ultra-compacte (modèle IMC-195A-E, Imoto Mfg. Co., Ltd., Japon) fonctionnant à 120 ° C pendant 30 s. Après avoir décollé les feuilles de treillis, les papiers composites CNF-CoFe2O4 déshydratés ont été compressés et séchés à l'aide d'un poids de 2500 g pendant 24 h. La plaque circulaire de CoFe2O4 (\(\phi \) 15 \(\times \) 2,25 mm3) a ensuite été consolidée par frittage plasma (SPS, SPS-1050, Fuji Electric Industrial Co., Ltd., Japon), sous une contrainte de compression de 20 MPa à 1000 °C pendant 10 min sous vide. Une plaque de CoFe2O4 de référence a été découpée à une taille de 10 \(\times \) 10 \(\times \) 2,25 mm3 et réservée pour des mesures ultérieures.

Schéma du processus de fabrication des papiers composites CNF-CoFe2O4 (dessiné par Microsoft PowerPoint pour Mac, version 16.70).

Pour obtenir les densités des papiers composites CoFe2O4 et de la plaque frittée CoFe2O4, les longueurs et les épaisseurs des échantillons ont été mesurées à l'aide d'un pied à coulisse numérique électronique (SDV-150, Fujiwara Industrial Co., Ltd., Japon) et d'une jauge d'épaisseur numérique (MDC-SX, Mitutoyo, Japon), respectivement, et les poids des échantillons ont été mesurés sur une balance numérique (ALE223R, Sinko Denshi Co., Ltd., Japon).

Les microstructures des papiers composites CNF-CoFe2O4 et des particules de CoFe2O4 ont été étudiées dans un système XRD polyvalent (Ultima IV, Rigaku Co., Japon). Les diagrammes XRD ont été obtenus sous rayonnement CuK\({\upalpha }\) avec un temps de comptage de 1,67/s, un pas de 0,02°, une tension de 40 kV et un courant de 40 mA. La plage de balayage a été déterminée entre 10° et 70°. Les microstructures des papiers composites CNF-CoFe2O4 ont été observées à l'aide d'un SEM à émission de champ (FE-SEM) (SU-70, Hitachi High-Tech Co., Ltd., Japon), avec une tension d'accélération de 5 kV et une distance de travail de 10 mm. En préparation pour FE-SEM, les surfaces des papiers composites CNF – CoFe2O4 ont été pulvérisées pendant 30 s à l'aide d'un dispositif de pulvérisation ionique (E-1045, Hitachi High-Tech Co., Ltd., Japon) avec un courant de décharge de 15 mA à 15 Pa pour fournir une conductivité électrique aux papiers composites. De plus, le FE-SEM était équipé d'un spectromètre à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) pour mesurer les concentrations de carbone (C), d'oxygène (O), de cobalt (Co) et de fer (Fe) dans les papiers composites CNF-CoFe2O4. L'EDX fonctionnait à une tension d'accélération de 5 kV et une distance de travail de 15 mm.

Les propriétés magnétiques des papiers composites CNF – CoFe2O4 ont été évaluées à l'aide d'un magnétomètre à échantillon vibrant (VSM) (BHV-50H, Riken Denshi Co., Ltd., Japon) calibré à 4,931 emu. Le VSM a été calibré sur une plaque de nickel pur de 10 \(\times \) 10 \(\times \) 0,1 mm3. La plage de champ magnétique appliqué était de ± 759 kA/m. Les propriétés magnétostrictives des papiers composites CNF-CoFe2O4 ont été évaluées sous les électroaimants VSM. Les électroaimants étaient séparés de 50 mm. Le champ magnétique appliqué a été mesuré avec un gaussmètre (GM-4002, Denshijiki Industry Co., Ltd., Japon). Les déformations des papiers composites CNF-CoFe2O4 ont été mesurées par une jauge de contrainte orthogonale (JFGS-1-120-D16-16 L3M2S, Kyowa Electronic Instruments Co., Ltd., Japon) positionnée sur la surface de l'échantillon sous une plage de champ magnétique appliquée de ± 733 kA/m. Les données ont été collectées par des enregistreurs de données (NR-ST04 et NR-HA08, Keyence, Japon)28.

Les propriétés de traction d'échantillons de papier composite CNF – CoFe2O4 de 30 \(\times \) 15 mm2 ont été étudiées sur un testeur de table compact (EZ-SX, Shimazu Co., Ltd., Japon) avec une cellule de charge de 500 N (Shimazu Co., Ltd., Japon). Les pinces de traction étaient séparées de 15 mm. Du papier de verre de grain #600 a été inséré entre le papier composite CNF-CoFe2O4 et les poignées de traction pour éviter de glisser.

Cette section formule le problème de la prédiction des propriétés magnéto-mécaniques effectives du papier composite CNF-CoFe2O4. En coordonnées cartésiennes rectangulaires xi (O-x1, x2, x3), les équations constitutives du matériau composite magnétostrictif hétérogène sont données par les équations. (1) et (2)

où \(\langle{\varepsilon }_{ij}\rangle,\langle{\sigma }_{kl}\rangle,\langle{B}_{i}\rangle\) et \(\langle{H}_{k}\rangle\) sont les composantes moyennes du tenseur de déformation, du tenseur de contrainte, du vecteur de densité de flux magnétique et du vecteur d'intensité de champ magnétique, respectivement, et \({s}_{ijkl}^{*\mathrm{H }}\), \({d}_{kij}^{*}\) et \({\mu }_{ik}^{*\mathrm{T}}\) sont respectivement la compliance élastique sous un champ magnétique constant, la constante piézomagnétique et la permittivité magnétique sous une contrainte constante. Ci-après, l'astérisque (*) désignera les propriétés moyennes effectives du matériau composite magnétostrictif. Cette formulation adopte la notation matricielle compressée, qui est plus utile que la notation tensorielle étendue lors de l'examen de la symétrie. Dans cette notation matricielle, ij ou kl (i, j, k, l = 1, 2, 3) est remplacé par p, q (valeur de 1 à 6). Les équations (1) et (2) sont ensuite réécrites en tant qu'équations. (3) et (4)

Pour démontrer les propriétés effectives des papiers composites CNF-CoFe2O4, nous considérons l'effet magnétostrictif longitudinal, ce qui signifie que le champ externe (soit une contrainte mécanique, soit un champ magnétique) agit le long de la direction x3 (l'axe de magnétisation facile du papier composite). Le facteur de couplage magnéto-mécanique est donné par l'Eq. (5)

où \({E}^{*}\) est le module de Young (pente du tracé contrainte-déformation) du papier composite CNF-CoFe2O4. Notez que les propriétés des matériaux \({E}^{*}\), \({d}_{33}^{*}\) et \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T}}\) sont des fonctions des fractions volumiques des particules de CoFe2O4 (\({V}_{\mathrm{cfo}}\)), \(\mathrm{the}\) pores (\({V}_{\mathrm{p}} \)), et de la matrice CNF \(({V}_{\mathrm{m}} = 1-({V}_{\mathrm{cfo}}+{V}_{\mathrm{p}}))\), respectivement. Ainsi, les propriétés du matériau sont calculées en insérant les fractions volumiques dans les équations. (6)–(8) :

où \(\mathrm{les}\) indices cfo, p et m représentent respectivement les particules, les pores et la matrice de CoFe2O4 (c'est-à-dire CNF).

Les fractions pondérales de CoFe2O4 (\({W}_{\mathrm{cfo}}\)) et CNF (\({W}_{\mathrm{m}}\)) dans les papiers composites sont présentées dans le tableau 1. Les densités réelles des papiers composites CNF-CoFe2O4 étaient de 0,7983 g/cm3 (échantillon de solution le de la solution 20:80) et 1,5058 g/cm3 (échantillon de la solution 35:65). En supposant que toute l'eau s'est évaporée du papier composite CNF-CoFe2O4 séché et en prenant les densités théoriques de CoFe2O4 et de cellulose (5,2948 et 1,50 g/cm3, respectivement), les fractions volumiques de particules de CoFe2O4 dans les échantillons fabriqués à partir des solutions 5:95, 20:80 et 35:65 ont été calculées comme 10,9, 21,0 et 27,5 vol%, respectivement, dans les papiers composites finaux CNF-CoFe2O4 (voir tableau 1). Les épaisseurs moyennes des papiers composites CNF-CoFe2O4 contenant 10,9, 21,0 et 27,5 % en volume de CoFe2O4 étaient de 0,25, 0,49 et 0,92 mm, respectivement. La masse volumique réelle de la plaque frittée CoFe2O4 était de 4,298 g/cm3. La densité relative de la plaque frittée CoFe2O4 a été calculée comme 81,2 % de la densité théorique de 5,29 g/cm3.

La figure 2 montre les distributions de taille des particules de CoFe2O4. La poudre de CoFe2O4 comprenait des populations de particules petites et grandes avec des diamètres approximatifs de 10 et 150 μm, respectivement. Comme le montre la figure 3, les diagrammes XRD du papier composite à 10, 9% en volume CNF – CoFe2O4 correspondaient à ceux des particules de CoFe2O4. Par conséquent, le CoFe2O4 était stable contre les transformations chimiques au cours du processus de fabrication. La figure 4 montre les images SEM des papiers composites CNF-CoFe2O4. Bien que les particules de CoFe2O4 aient été dispersées à travers la matrice CNF, elles ont été agglomérées par le processus de mélange manuel. Le pic de distribution de taille à 150 μm sur la figure 2 a probablement été contribué par de grands agglomérats de particules de CoFe2O4. La figure 5 montre la cartographie EDX du papier composite CNF-CoFe2O4 à 27,5 % en volume (la micrographie est illustrée à la figure 4c). L'EDX a détecté C, O, Co et Fe à la surface des papiers composites CNF-CoFe2O4, ce qui implique que CoFe2O4 était stable contre les réactions chimiques au cours du processus de fabrication, reconfirmant les résultats XRD. Il convient de noter qu'aucune intensité caractéristique des rayons X n'est apparue dans l'ombre du détecteur EDX car elles étaient atténuées par la surface inégale de la surface du papier composite CNF-CoFe2O4.

Distribution granulométrique des particules de CoFe2O4.

Modèles XRD du papier composite CNF-CoFe2O4 à 10,9 % en volume (rouge) et des particules de CoFe2O4 (bleu).

Images MEB des papiers composites CNF-CoFe2O4 avec différentes teneurs en CoFe2O4 : (a) 10,9, (b) 21,0 et (c) 27,5 % vol.

Cartographies EDS du papier composite CNF-CoFe2O4 à 27,5 % en volume avec une teneur en CoFe2O4 de 27,5 % en volume.

La figure 6 montre les propriétés magnétiques des papiers composites CNF-CoFe2O4 et de la plaque CoFe2O4. Les additifs CoFe2O4 ont magnétisé le papier CNF. L'aimantation maximale du papier composite CNF-CoFe2O4 a augmenté linéairement avec l'augmentation de la proportion de particules de CoFe2O4. Conformément aux résultats actuels, Williams et al.49 ont rapporté que les propriétés magnétiques des fibres de cellulose magnétisantes dépendent du pourcentage en volume de la charge magnétique mise en œuvre dans le réseau de fibres. La courbe magnétique du papier composite CNF-CoFe2O4 a atteint la saturation plus lentement que la plaque frittée CoFe2O4. Dans l'éq. (4), la permittivité magnétique effective \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T}}\) du papier composite CNF-CoFe2O4 dans des conditions sans contrainte a été donnée par l'équation. (9)

Propriétés magnétiques des papiers composites CNF-CoFe2O4 et de la plaque CoFe2O4 : (a) courbe d'aimantation en fonction du champ magnétique et (b) tracé de l'aimantation maximale en fonction de la fraction volumique de CoFe2O4.

Les permittivités magnétiques effectives apparentes \({\mu }_{33}^{*\mathrm{T}}\) de CNF–CoFe2O4 avec des teneurs en CoFe2O4 de 10,9, 21,0 et 27,5 vol% ont été évaluées à 0,0769 \(\times \) 10−6, 0,127 \(\times \) 10−6 et 0,228 \( \times \) 10−6 H/m, à partir de la pente initiale de la Fig. 6a (voir Tableau 1).

La figure 7 montre les propriétés magnétostrictives des papiers composites CNF-CoFe2O4 et de la plaque CoFe2O4. Dans le papier composite CNF-CoFe2O4, la magnétostriction était respectivement négative et positive dans les directions parallèle et perpendiculaire au champ magnétique, comme prévu. La magnétostriction de la plaque CoFe2O4 a d'abord augmenté jusqu'à une valeur négative maximale, puis a diminué. La valeur négative maximale de la plaque CoFe2O4 était de − 90 ppm sous un champ magnétique de 217 kA/m. Bozorth et al.50 ont déclaré que CoFe2O4 a deux coefficients de magnétostriction \({\lambda }_{100}\) et \({\lambda }_{111}\) : \({\lambda }_{100}<0\) et \({\lambda }_{111}>0\) à 300 K. Étant donné que l'axe de facile aimantation de CoFe2O4 est [1 00], en conséquence, il a un grand négatif \({\lambda }_{100}\) et un petit positif \({\lambda }_{111}\)51,52. On pense que le même phénomène s'est produit. La magnétostriction négative maximale du papier composite CNF – CoFe2O4 s'est écartée de la ligne d'ajustement (voir Fig. 7e). Il convient de noter que les papiers composites 10,9 et 21,0 vol% CNF – CoFe2O4 n'ont pas atteint la saturation magnétostrictive sous un champ magnétique de \({H}_{3}=\pm \) 733 kA/m. Ces résultats impliquent que les CNF entre les particules de CoFe2O4 se sont déformées avec la magnétostriction des particules de CoFe2O4 et ont facilité la magnétostriction linéaire de l'ensemble du papier composite CNF-CoFe2O4. Dans l'éq. (3), la constante piézomagnétique effective \({d}_{33}^{*}\) du papier composite CNF-CoFe2O4 dans des conditions sans contrainte a été calculée comme l'Eq. (dix).

Propriétés magnétostrictives des papiers composites CNF-CoFe2O4 avec des teneurs en CoFe2O4 de (a) 10,9, (b) 21,0 et (c) 27,5 % en volume et (d) la plaque CoFe2O4 ; (e) tracé de la magnétostriction négative maximale en fonction de la fraction volumique de CoFe2O4.

Après ajustement linéaire des parties linéaires des courbes de la Fig. 7a–c, les valeurs \({d}_{33}^{*}\) des papiers composites CNF-CoFe2O4 contenant 10,9, 21,0 et 27,5 % en volume de CoFe2O4 ont été calculées comme étant − 8,95 \(\times \) 10−12, − 66,5 \(\times \) 10−1 2, et − 166 \(\times \) 10−12 m/A, respectivement (voir Tableau 1). De toute évidence, le \({d}_{33}^{*}\) du papier composite CNF-CoFe2O4 a augmenté avec l'augmentation de l'ajout de particules de CoFe2O4. En utilisant l'éq. (3), la constante piézomagnétique effective \({d}_{31}^{*}\) du papier composite CNF-CoFe2O4 dans des conditions sans contrainte a été obtenue comme Eq. (11).

De même, les valeurs \({d}_{31}^{*}\) des papiers composites CNF-CoFe2O4 contenant 10,9, 21,0 et 27,5 vol% CoFe2O4 ont été calculées comme 0,391 \(\times \) 10−12, 18,8 \(\times \) 10−12 et 27,1 \(\times \) 10−12 m/A, respectivement.

La figure 8a montre les courbes contrainte-allongement des papiers composites CNF-CoFe2O4. Ici, l'allongement a été estimé à partir du déplacement de la traverse de la machine d'essai universelle. Les pentes initiales (entre 0 et 0,2 % d'allongement) des courbes contrainte-allongement des papiers composites CNF-CoFe2O4 ont été calculées pour les échantillons de 10,9, 21,0 et 27,5 % en volume, et elles ont été déterminées à 0,523, 0,269 et 0,195 GPa, respectivement (voir tableau 1). Ces valeurs ont été prises comme modules d'Young efficaces apparents. Les figures 8 (b et c) tracent les résistances à la traction ultimes (UTS) et les allongements à la rupture en fonction de la fraction volumique CNF dans les papiers composites CNF-CoFe2O4. Les fractions volumiques de CNF dans les papiers composites à 10,9, 21,0 et 27,5 % en volume étaient de 14,7, 5,9 et 3,6 % en volume, respectivement. L'UTS du papier composite CNF-CoFe2O4 a été augmenté par l'ajout de CNF. Cependant, l'ajout de particules de CoFe2O4 a diminué l'UTS, c'est-à-dire que le CNF était responsable des propriétés de traction des papiers composites CNF-CoFe2O4. Par conséquent, les propriétés magnétiques et magnétostrictives et les propriétés de traction des papiers composites CNF-CoFe2O4 peuvent être contrôlées en modifiant le rapport de mélange des particules CNF et CoFe2O4. Les valeurs apparentes de \({k}_{33}^{2}\) des papiers composites à 10,9, 21,0 et 27,5 % en volume de CNF-CoFe2O4 étaient de 5,45 \(\times \) 10−16, 9,37 \(\times \) 10−15 et 2,36 \(\times \) 10−14, respectivement (voir tableau 1). Le facteur de couplage magnéto-mécanique amélioré après l'ajout de CoFe2O4 implique que le papier composite CNF-CoFe2O4 est un candidat prometteur pour les applications de récupération d'énergie.

( a ) Courbes contrainte-allongement des papiers composites CNF – CoFe2O4; tracés de (b) UTS et (c) allongement de fracture par rapport à la fraction volumique de CNF dans les papiers composites CNF-CoFe2O4.

Cette étude a évalué les propriétés magnétiques, magnétostrictives et de traction des papiers composites CNF-CoFe2O4 avec différentes fractions volumiques de CoFe2O4. Les analyses XRD et EDX ont révélé que CoFe2O4 est resté stable pendant le processus de fabrication. Les images SEM ont confirmé que les particules de CoFe2O4 étaient dispersées à travers la matrice CNF mais étaient parfois agglomérées. Les particules de CoFe2O4 ont conféré une magnétisation au papier CNF et la magnétisation maximale du papier composite CNF-CoFe2O4 était une fonction linéairement croissante de la teneur en CoFe2O4. La magnétostriction du papier composite CNF-CoFe2O4 était respectivement négative et positive dans les directions parallèle et perpendiculaire au champ magnétique. Le module de Young efficace apparent et l'UTS du papier composite CNF–CoFe2O4 ont diminué avec l'augmentation de CoFe2O4. Cela était dû au fait qu'une quantité accrue de particules de CoFe2O4 diminuait la fraction volumique de CNF du papier composite. En conclusion, le CNF était responsable des propriétés de traction du papier composite CNF-CoFe2O4. Par conséquent, les propriétés magnétiques et magnétostrictives et les propriétés de traction du papier composite CNF-CoFe2O4 peuvent être contrôlées en modifiant le rapport de mélange des particules CNF et CoFe2O4. Dans l'ensemble, les additifs CoFe2O4 confèrent des propriétés magnétiques et magnétostrictives au papier CNF et peuvent augmenter sa ténacité en échange de la diminution de ses propriétés de traction. Le facteur de couplage magnéto-mécanique du papier a été amélioré en ajoutant des particules de CoFe2O4 ; par conséquent, le papier composite CNF-CoFe2O4 devrait être disponible pour les applications de récupération d'énergie.

Les matériaux décrits dans le manuscrit, y compris toutes les données brutes pertinentes, seront librement accessibles à tout chercheur souhaitant les utiliser à des fins non commerciales auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par la Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI Grant-in-Aid for Scientific Research (A) (Grant Number 22H00183) et Grant-in-Aid for Early-Career Scientists (Grant Number 19K14836).

Département des sciences frontalières pour l'environnement avancé, École supérieure d'études environnementales, Université de Tohoku, Sendai, Japon

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

Laboratoire Ångström, Domaine disciplinaire des sciences et technologies, Département de chimie, Université d'Uppsala, Uppsala, Suède

Lovisa Rova

Department of Materials Science and Engineering, INSA-Lyon, Université de Lyon, Villeurbanne Cedex, France

Alia Gallet--Pandellé

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Conceptualisation, KH ; méthodologie, savoirs traditionnels ; analyse formelle, TK, LR, AG--P. ; enquête, savoirs traditionnels ; ressources, HK, FN ; rédaction—préparation de l'ébauche originale, TK ; rédaction—révision et édition, TK, LR, AG--P., HK, FN ; visualisation, HK ; surveillance, FN ; administration du projet, Hong Kong ; financement acquisition, HK, FN Tous les auteurs ont lu et accepté la version publiée du manuscrit.

Correspondance à Hiroki Kurita ou Fumio Narita.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Keino, T., Rova, L., Gallet--Pandellé, A. et al. Papier magnétostrictif négatif formé en dispersant des particules de CoFe2O4 dans des nanofibrilles de cellulose. Sci Rep 13, 6144 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31655-z

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Reçu : 31 octobre 2022

Accepté : 15 mars 2023

Publié: 15 avril 2023

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

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