具有可调控磁电效应的编程磁电复合软材料及其制备方法

1.本发明公开了一种具有可调控磁电效应的编程磁电复合软材料及其制备方法，属于功能材料领域。


背景技术：

2.磁电效应是指物体由电场作用产生的磁化效应或由磁场作用产生的电极化效应。磁电复合材料作为磁电耦合效应中的功能材料，在数据存储、磁电传感、生物治疗和能量俘获，甚至在柔性机器人领域有着极其重要的应用前景。由于自然界中存在的本征磁电材料特别稀少，并且近半个世纪的磁电复合材料研究主要集中在压电材料和磁致伸缩材料的耦合上，这些材料往往难以变形，变形方式单一，工作频率高，并且通常都需要外加的直流磁场，因此，极大地限制了磁电功能材料在传感器和自供电器件的应用。
3.因此，制备一种具有丰富的变形方式，高磁电耦合系数的磁电复合软材料对磁电传感和自供电器件的发展都极为重要。


技术实现要素：

4.为了克服现有的技术难题，本发明提供了一种具有可调控磁电效应的编程磁电复合软材料及其制备方法,本发明运用驻极体和可编程的磁弹性体通过变形耦合获得优异的磁电耦合效应。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
6.一种具有可调控磁电效应的编程磁电复合软材料，包括上层电极1、上层磁弹性体层2、驻极体层3、下层磁弹性体层4和下层电极5。所述上层磁弹性体层2和下层磁弹性体层4均包括硬磁性颗粒和硅橡胶聚合物，硬磁性颗粒均匀地分散在硅橡胶聚合物中；上层磁弹性体层2、驻极体层3和下层磁弹性体层4依次堆叠在一起，形成“三明治”结构，所述上层电极1和下层电极5分别涂覆在上层磁弹性体层2和下层磁弹性体层4的表面上。
7.所述上层磁弹性体层2和下层磁弹性体层4均采用内部均匀分散有硬磁性颗粒的硅橡胶聚合物，使硅橡胶聚合物具有可编程的磁致变形能力。
8.所述硅橡胶聚合物为聚二甲基硅氧烷pdms或铂催化硅橡胶ecoflex,所述硬磁性颗粒为羟基钕铁硼ndfeb、铝镍钴合金或铁氧体。
9.所述驻极体层3的材料采用聚四氟乙烯ptfe、聚偏二氟乙烯pvdf、聚丙烯pp、聚乙烯pe、聚对苯二甲酸pet或聚萘二甲酸乙二醇酯pen。
10.所述上层电极1和下层电极5的材料为镓锡合金液、镓铟合金液或镓铟锡合金液。
11.所述的一种具有可调控磁电效应的编程磁电复合软材料的制备方法，选取玻璃板为基底，将硬磁性颗粒和硅橡胶聚合物掺杂制得预磁弹性体聚合物，将预磁弹性体聚合物倒入基底上，通过匀胶机进行旋涂，然后在高温下进行固化，固化后剪裁得到上层磁弹性体层2和下层磁弹性体层4，将上层磁弹性体层2和下层磁弹性体层4堆叠在一起，以弯曲的方式固定在强磁场中进行磁化，磁化结束后，解除约束，将上层磁弹性体层2和下层磁弹性体
层4分离开，将驻极体层3贴附在下层磁弹性体层4一侧，并在下层磁弹性体层4另一侧涂覆下层电极5，通过电晕法进行充电，使ptfe表面充满负电荷或正电荷，将上层磁弹性体层2以原有的方向堆叠在贴附有驻极体3的下层磁弹性体层4，并在另一侧涂覆上层电极1，制得编程磁电复合软材料。
12.所述掺杂采用物理掺杂，在室温下，将未固化的硅橡胶聚合物溶液与硬磁性颗粒按一定的比例混合在一起，充分搅拌后待用，其中，硬磁性颗粒的质量占混合物总质量的百分比为5％～67％。
13.所述固化方法是置于70℃～100℃的温控箱中，固化时间为20min～3h。
14.所述电晕法电压控制在-50kv～+50kv，充电时间在5min～1h,充电温度低于上层磁弹性体层、下层磁弹性体层和驻极体层的熔点温度。
15.本发明具有以下优点：
16.1、由于上层磁弹性体层和下层磁弹性体层均采用内部均匀分散有硬磁性颗粒的硅橡胶聚合物，硬磁性颗粒具有高的矫顽力和高的剩余磁通密度，因此可以在无外加磁场存在的情况下具有高的剩余磁通密度和丰富的表现形式，因此本发明复合软材料具有可编程的变形方式，适用范围广泛。
17.2、硅橡胶聚合物自身的弹性模量很低，因此复合软材料也具有很低的弹性模量，决定了材料具有较低的共振频率，同时在低幅值磁场下也可以产生显著的变形，因此，该编程磁电复合材料在低幅值、低频率的磁场中具有很高的室温磁电耦合系数。
18.3、制备工艺简单可行，成本低廉。
19.4、编程磁电复合软材料具有可调控的磁电效应，通过控制磁场的频率、驻极体层表面的电荷密度和材料的厚度来控制编程磁电复合软材料的磁电耦合系数。
20.5、本发明制备的编程磁电复合软材料可以应用于磁电传感、柔性机器人和自供电器件等领域。
附图说明
21.图1为本发明提出的一种具有可调控磁电效应的编程磁电复合软材料结构示意图。
22.图2(a)为编程磁电复合材料的制备流程图,图2(b)为制备流程相应的文字说明。
23.图3为实验中编程磁电复合材料的输出电荷和磁电耦合系数与外加磁场频率的关系。
24.图4为实验中编程磁电复合材料的输出电荷和磁电耦合系数与外加磁场幅值的关系。
25.图5为实验中编程磁电复合材料的输出电荷和磁电耦合系数与驻极体表面电荷密度的关系。
26.图6为实验中编程磁电复合材料磁电耦合系数与材料厚度的关系。
具体实施方式
27.下面将结合附图及具体实例来详细说明本发明，但并不作为对本发明的限定。
28.如图1所示，本发明提供了一种具有可调控磁电效应的编程磁电复合软材料及其
制备方法的具体实施方案，所述一种具有可调控磁电效应的编程磁电复合软材料包括上层电极1、上层磁弹性体层2、驻极体层3、下层磁弹性体层4和下层电极5。所述上层磁弹性体层2和下层磁弹性体层4均包括硬磁性颗粒和硅橡胶聚合物，硬磁性颗粒均匀地分散在硅橡胶聚合物中；上层磁弹性体层2、驻极体层3和下层磁弹性体层4逐层堆叠在一起，形成“三明治”结构，所述上层电极1和下层电极5分别涂覆在上层磁弹性体层2和下层磁弹性体层4的表面上。
29.如图2(a)和图2(b)所示，选取玻璃板为基底，将硬磁性颗粒和硅橡胶聚合物均匀混合制得预磁弹性体聚合物，将预磁弹性体聚合物倒入基底上，通过匀胶机进行旋涂，然后在高温下进行固化，通过悬涂次数来控制磁弹性体层的厚度，从而研究厚度对输出电荷和磁电耦合系数的影响。
30.固化后剪裁得到上层磁弹性体层2和下层磁弹性体层4，将上层磁弹性体层2和下层磁弹性体层4堆叠在一起，以弯曲的方式固定在强磁场中进行磁化，磁化结束后，解除约束，将上层磁弹性体层2和下层磁弹性体层4分离开，将驻极体层3贴附在下层磁弹性体层4上，并在下层磁弹性体层4另一侧涂覆下层电极5，通过电晕法进行充电，使驻极体层3表面充满负电荷或者正电荷，通过控制电晕法的充电电压来研究驻极体层3的表面电荷密度对编程磁电复合软材料的输出电荷和磁电耦合系数的影响。
31.将上层磁弹性体层2以原有的方向堆叠在贴附有驻极体层3的下层磁弹性体层4上，并在另一侧涂覆上层电极1，最终获得可编程磁电复合软材料。
32.本具体实施方式中，选用的硅橡胶聚合物为ecoflex0020，包括a液和b液，将a液和b液等比例混合使用，所述硬磁性颗粒选用粒径为30微米的铷铁硼粉末，所述驻极体层3的材料选用聚四氟乙烯ptfe,所述电极采用液态金属镓铟合金，所述电晕法的电压控制在-10kv～-30kv，使驻极体层3的表面充满负电荷。
33.制备出材料后，根据磁电耦合的定义，通过测量磁电复合软材料的输出电荷和等效电容，求得磁电复合材料的磁电耦合系数为：
[0034][0035]
其中，α
me
为磁电耦合系数，e为电场，he为外加磁场，dq为输出电荷，l和c
eff
分别为磁电复合软材料的厚度的等效电容；根据公式(1)在实验中测得磁电复合材料的磁电耦合系数。
[0036]
如图3所示，输出电荷和磁电耦合系数随着外加磁场的频率先增大后减小，在4hz时，输出电荷和磁电耦合系数达到最大，在该频率附近发生了共振。
[0037]
如图4所示，控制交流磁场的频率为4hz，输出电荷随着外加磁场线性增加，磁电耦合系数不随外加磁场的幅值发生变化。
[0038]
如图5所示，改变驻极体层表面的电荷密度，输出电荷和磁电耦合系数随着驻极体表面的电荷密度线性增加。
[0039]
如图6所示，改变磁电复合材料的厚度，磁电耦合系数随着厚度的增加而增加。