Piezo and magneto resistance of magnetically oriented dispersions of magnetic particles covered with silver in bulk and screen-printed elastomer polymers

1) Synthesis and characterization of oxide@Ag particles that are simultaneously magnetic and conductive 2) Elaboration of composites: dispersion of particles in organic matrix: silicone (PDMS) or thermoplastic (ethylcellulose + wax) 3) Screen printing of composite paste on alumina substrate 4) Curing under controllable and orientable magnetic field Composite materials with a thermoplastic matrix may be re-melted an aligned again

Magnetoresistencia y elasticidad anisotrópica en elastómeros formados por cadenas de nanopartículas y nanotubos orientadas magnéticamente [magnetoresistance and anisotropic elasticity in elastomers formed by chains of magnetically oriented nanoparticles and nanotubes]

La meta de éste trabajo es obtener magneto-elastómeros compuestos por dispersión de nanopartículas magnéticas en polidimetilsiloxano (PDMS), curando el polímero en presencia de un campo magnético uniforme. [Le but de ce travail est d’obtenir des composites magnéto-élastomériques par dispersion de nanoparticules magnétiques dans du polydiméthylsiloxane (PDMS), en réticulant le polymère en présence d’un champ magnétique uniforme.] [The goal of this work is to obtain magneto-elastomeric composites through dispersion of magnetic nanoparticles in polydimethylsiloxane (PDMS), by curing the polymer in presence of a uniform magnetic field.

Structured elastomeric composites: study of magneto-piezoresistive effects and their application in piezometric devices

Los Compositos Elastoméricos Estructurados (SEC, por sus siglas en inglés) están formados por dispersiones de material inorgánico en una matriz elastomérica, en la cual se inducen propiedades anisotrópicas. La presente Tesis consta de un estudio experimental y teórico de sistemas SEC. En los sistemas experimentales estudiados, partículas que son simultáneamente magnéticas y conductoras de la electricidad se encuentran dispersas en polidimetilsiloxano (PDMS). La estructuración del material (por formación de cadenas de material inorgánico en la matriz polimérica) se logra curando la dispersión en presencia de un campo magnético intenso. El estudio experimental comenzó con la síntesis y caracterización de nanopart ículas de magnetita (NPs) y la formación de agregados micrométricos NPs/plata, que están en estado superparamagnético y son conductores óhmicos. El sistema SEC obtenido luego del curado presenta piezoresistividad (la resistividad eléctrica, ρ, es función de la tensión mecánica aplicada) y magnetoresistencia (ρ es función del campo magnético aplicado luego del curado del material). En esta Tesis se ha desarrollado también un sensor de tensión mecánica basado en dicho SEC, incluyendo la implementación de contactos, encapsulamiento y la calibración de su respuesta. Estos sistemas pueden presentar Anisotropía Eléctrica Total (TEA, por sus siglas en inglés), es decir, conductividad eléctrica apreciable únicamente en una dirección espacial, la de aplicación del campo magnético durante la preparación. El estudio teórico comienza con el análisis mediante simulaciones Monte Carlo de cómo los parámetros estructurales de los sistemas SEC influyen en la probabilidad de obtener TEA. En dichas simulaciones se comput ó la probabilidad de percolación en cada una de las direcciones características del material estructurado. En la segunda etapa teórica se desarrolló un modelo constitutivo de la respuesta piezoresistiva anisotrópica bajo la condici ón de TEA. Finalmente, se extendió dicho modelo con el fin de predecir la respuesta magnetoresistiva observada.Elastomeric Structured Composites (SEC) are formed by inorganic material dispersions in an elastomeric matrix, in which anisotropic properties are induced. This Thesis presents an experimental and theoretical study of SEC systems. In the studied experimental systems, particles which are simultaneously magnetic and electrically conductive are dispersed in polydimethylsiloxane (PDMS). The structuring of the material (by formation of chains of inorganic material in the polymer matrix) is achieved by curing it in the presence of an intense magnetic field. The experimental study started with the synthesis and characterization of magnetite nanoparticles (NPs) and aggregate formation of micrometer NPs/silver, which are in a superparamagnetic state and are ohmic conductors. The SEC system obtained after curing has piezoresistivity (the electrical resitivity, ρ, is a function of applied stress) and magnetoresistance (ρ is a function of a magnetic field applied after curing). In this Thesis it has been developed also a mechanical stress sensor based on that SEC, including the implementation of contacts, encapsulation and calibration of the response. These systems may present Total Electrical Anisotropy (TEA), that is, appreciable electrical conductivity only in one spatial direction, the one of application of the magnetic field during preparation. The theoretical study starts with the analysis by Monte Carlo simulations of how the structural parameters of SECs ifluence the probability of TEA. In these simulations the percolation probability in each of the characteristic directions is computed. In the second theoretical stage a constitutive model of the anisotropic piezoresistive response under conditions of TEA has been developed. Finally, this model is extended in order to predict the observed magnetoresistance response.Fil:Mietta, José Luis. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina

Anisotropic reversible piezoresistivity in magneticmetallic/polymer structured elastomer composites: modelling and experiments

Structured elastomeric composites (SECs) with electrically conductive fillers display anisotropic piezoresistivity. The fillers do not form string-of-particle structures but pseudo-chains formed by grouping micro-sized clusters containing nanomagnetic particles surrounded by noble metals (e.g. silver, Ag). The pseudo-chains are formed when curing or preparing the composite in the presence of a uniform magnetic field, thus pseudo-chains are aligned in the direction of the field. The electrical conduction through pseudo-chains is analyzed and a constitutive model for the anisotropic reversible piezoresistivity in SECs is proposed. Several effects and characteristics, such as electron tunnelling, conduction inside the pseudo-chains, and chain-contact resistivity, are included in the model. Experimental results of electrical resistance, R, as a function of the normal stress applied in the direction of the pseudo-chains, P, are very well fitted by the model in the case of Fe3O4[Ag] microparticles magnetically aligned while curing in polydimethylsiloxane, PDMS. The cross sensitivity of different parameters (like the potential barrier and the effective distance for electron tunnelling) is evaluated. The model predicts the presence of several gaps for electron tunnelling inside the pseudo-chains. Estimates of those parameters for the mentioned experimental system under strains up to 20% are presented. Simulations of the expected response for other systems are performed showing the influence of Young's modulus and other parameters on the predicted piezoresistivity.Fil: Mietta, José Luis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Tamborenea, Pablo Ignacio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Negri, Ricardo Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin