Fleksibel, højeffektiv multimodal energihøst

En 10-dobling af evnen til at høste mekanisk og termisk energi i forhold til standard piezoelektriske kompositter kan være mulig ved brug af et piezoelektrisk keramisk skum understøttet af en fleksibel polymerunderstøtning, ifølge forskere fra Penn State.

I søgen efter måder at høste små mængder energi på til at drive mobile elektroniske enheder eller sensorer til sundhedsovervågning, forskere tilføjer typisk hårde keramiske nanopartikler eller nanotråde til en blød, fleksibel polymerstøtte. Polymeren giver fleksibiliteten, mens piezo-nanopartiklerne omdanner den mekaniske energi til elektrisk spænding. Men disse materialer er relativt ineffektive, fordi den mekaniske energi ved mekanisk belastning i vid udstrækning absorberes af hovedparten af ​​polymeren, med en meget lille fraktion overført til piezo-nanopartiklerne. Mens tilføjelse af mere keramik ville øge energieffektiviteten, det kommer med en afvejning af mindre fleksibilitet.

"Den hårde keramik i den bløde polymer er som sten i vand, " sagde Qing Wang, professor i materialevidenskab og teknik, Penn State. "Du kan slå vandoverfladen, men lidt kraft overføres til stenene. Det kalder vi belastningsoverførselsevne."

For næsten tre årtier siden, den afdøde Penn State-materialeforsker Bob Newnham kom med det koncept, at piezofyldstoffets tilslutningsmuligheder bestemte effektiviteten af ​​den piezoelektriske effekt. Et tredimensionelt materiale ville være mere effektivt end det, han klassificerede som nuldimensionelle nanopartikler, endimensionelle nanotråde eller todimensionelle film, fordi den mekaniske energi ville blive transporteret direkte gennem det tredimensionelle materiale i stedet for at spredes ind i polymermatrixen.

"Bob Newnham var en legende inden for piezoelektrik, " sagde Wang. "så alle i det keramiske samfund kendte til hans tilgang, men hvordan man opnår den 3D-struktur med en veldefineret mikrostruktur forblev et mysterium."

Den hemmelige ingrediens til at løse mysteriet viste sig at være et billigt støvpapir af polyurethanskum, der kan købes i enhver boligforbedringsbutik. De små ensartede fremspring på pladen fungerer som en skabelon til dannelse af mikrostrukturen af ​​den piezoelektriske keramik. Forskerne påførte keramikken på polyurethanpladen i form af suspenderede nanopartikler i opløsning. Når skabelonen og opløsningen opvarmes til en tilstrækkelig høj temperatur, arket brænder ud, og opløsningen krystalliserer til et fast 3-D mikroformskum med ensartede huller. De fylder derefter hullerne i det keramiske skum med polymer.

"Vi ser, at denne 3D-komposit har en meget højere energiudgang under forskellige tilstande, " sagde Wang. "Vi kan strække det, bøj det, tryk på den. Og på samme tid, den kan bruges som en pyroelektrisk energihøster, hvis der er en temperaturgradient på mindst et par grader."

Sulin Zhang, professor i ingeniørvidenskab og mekanik, Penn State er den anden tilsvarende forfatter på papiret, der vises i Energi- og miljøvidenskab . Zhang og hans elever var ansvarlige for omfattende beregningsarbejde, der simulerede den piezoelektriske ydeevne af 3-D-kompositten.

"Vi var i stand til at vise teoretisk, at den piezoelektriske ydeevne af nanopartikel/nanowire-kompositter er kritisk begrænset af den store forskel i stivhed af polymermatrixen og piezokeramikken, men 3-D kompositskum er ikke begrænset af stivhed, " sagde Zhang. "Dette er den grundlæggende forskel mellem disse kompositmaterialer, som taler til innovationen af ​​denne nye 3-D komposit. Vores omfattende simuleringer demonstrerer denne idé yderligere."

I øjeblikket, Wang og hans samarbejdspartnere arbejder med blyfri og mere miljøvenlige alternativer til den nuværende bly-zirconium-titanat-keramik.

"Dette er en meget generel metode, " sagde Wang. "Dette er for at demonstrere konceptet, baseret på Bob Newnhams arbejde. Det er godt at fortsætte arbejdet med en Penn State-legende og at fremme dette felt." Yderligere forfattere på artiklen, "Fleksible tredimensionelle sammenkoblede piezoelektriske keramiske skumbaserede kompositter til højeffektiv samtidig mekanisk og termisk energihøst, " er co-lead forfattere Guangzu Zhang, tidligere i Wangs gruppe og nu ved Huazhong University of Science and Technology, Kina; og Peng Zhao, en ph.d.-studerende i Zhangs gruppe. Andre bidragydere er Xiaoshin Zhang, Kuo Han, Tiankai Zhao, Yong Zhang, Chang Kyu Jeong og Shenglin Jiang.