Materiales compósitos con anisotropía magnética reprogramable

Abstract

En el presente trabajo se han desarrollado materiales compuestos magnéticos con la particularidad de que sus propiedades de anisotropía magnética son reconfigurables o reprogramables. Esto se ha logrado empleando una matriz no magnética termoplástica que puede ablandarse y volverse maleable a temperaturas cercanas a la ambiental. En particular, se usaron plastilina o bien parafina como matrices en las cuales se dispersan micro partículas magnéticas. En el trabajo se han propuesto y validado cuatro esquemas mediante los cuales es posible introducir de manera controlada y reconfigurable cambios en las propiedades magnéticas del compósito. Estos son mediante (1) el moldeo de la forma macroscópica del compósito, (2) la alineación de las partículas al interior de la matriz aplicando calor y un campo magnético, (3) usando partículas de un material magnético duro y polarizando el compósito en diferentes direcciones, y (4) introduciendo en el volumen del compósito huecos no magnéticos con geometrías bien definidas y una distribución controlada. Los cambios en las propiedades magnéticas inducidas por estos mecanismos han sido evidenciados usando una balanza digital basada en la plataforma Arduino que se diseñó y construyó para el presente proyecto. Esta permite medir los cambios de masa que produce la fuerza magnética resultante al aplicar campo magnético al material. A partir de estas mediciones se ha mostrado que los cuatro mecanismos probados resultan en cambios claros en la anisotropía magnética del compósito, y estos son reconfigurables. El moldeo de la forma macroscópica, la alineación de partículas aplicando calor y campo magnético, así como la introducción de huecos no magnéticos, modifican la anisotropía mediante efectos desmagnetizantes o bien de interacción dipolo-dipolo entre partículas. Mientras que, para el caso de materiales con partículas de material magnético duro, la anisotropía proviene de la anisotropía magnetocristalina de las micropartículas. Finalmente, se ha aprovechado la propiedad de maleabilidad de los compósitos para adaptarlos a una guía de onda tipo coplanar, mediante la cual se han realizado con éxito mediciones de resonancia ferromagnética. Esto abre perspectivas importantes tanto como técnica de caracterización magnética, así como para posibles aplicaciones relacionadas con absorción de microondas y apantallamiento de ondas electromagnéticas. Finalmente, gracias a que la respuesta magnética de estos materiales es reconfigurable, tienen perspectivas interesantes como materiales magneto-ópticos o magneto-acústicos, así como materiales de transición de fase que responden al campo

In this proyect we have developed magnetic composite materials with the particularity that their magnetic anisotropy properties are reconfigurable or reprogrammable. This has been achieved by using a non-magnetic thermoplastic matrix that can soften and become malleable at temperatures close to ambient. Specifically, plasticine or paraffin were used as matrices in which magnetic micro particles are dispersed. Four schemes have been proposed and validated in the study through which controlled and reconfigurable changes in the magnetic properties of the composite can be introduced. These include (1) molding the macroscopic shape of the composite, (2) aligning the particles within the matrix by applying heat and a magnetic field, (3) using particles of a hard magnetic material and polarizing the composite in different directions, and (4) introducing non-magnetic voids with well-defined geometries and controlled distribution within the composite volume. The changes in magnetic properties induced by these mechanisms have been evidenced using a digital balance based on the Arduino platform, which was designed and built for this project. It allows for measuring the mass changes resulting from the magnetic force applied to the material. Based on these measurements, it has been shown that the four tested mechanisms result in clear changes in the magnetic anisotropy of the composite, and these changes are reconfigurable. Molding the macroscopic shape, aligning particles through heat and magnetic field, as well as introducing non-magnetic voids, modify the anisotropy through demagnetizing effects or dipole-dipole interaction among particles. On the other hand, for materials with particles of hard magnetic material, the anisotropy follows from the magnetocrystalline anisotropy of the microparticles. Finally, the malleability property of the composites has been exploited to adapt them to a coplanar waveguide, through which successful measurements of ferromagnetic resonance have been performed. This opens important prospects both as a magnetic characterization technique and for potential applications related to microwave absorption and electromagnetic wave shielding. Finally, thanks to the reconfigurable magnetic response of these materials, they have interesting prospects as magneto-optical or magnto-acoustic materials, as well as field responsive phase transition materials.