Nyt piezoelektrisk materiale forbliver effektivt til høje temperaturer

Piezoelektriske materialer lover meget som sensorer og som energihøstere, men er normalt meget mindre effektive ved høje temperaturer, begrænser deres brug i miljøer som motorer eller rumudforskning. Imidlertid, en ny piezoelektrisk enhed udviklet af et team af forskere fra Penn State og QorTek forbliver yderst effektiv ved forhøjede temperaturer.

Clive Randall, direktør for Penn State's Materials Research Institute (MRI), udviklet materialet og enheden i samarbejde med forskere fra QorTek, en statsskole, Pennsylvania-baseret virksomhed med speciale i smarte materialeenheder og højdensitetskraftelektronik.

"NASA's behov var, hvordan man kan drive elektronik på fjerntliggende steder, hvor batterier er svære at få adgang til for udskiftning, "Randall sagde. "De ønskede også selvforsynende sensorer, der overvåger systemer såsom motorstabilitet og har disse enheder til at fungere under raketopsendelser og andre høje temperaturer situationer, hvor nuværende piezoelektriske fejl på grund af varmen."

Piezoelektriske materialer genererer en elektrisk ladning, når de hurtigt komprimeres af en mekanisk kraft under vibrationer eller bevægelse, fra maskiner eller en motor. Dette kan tjene som en sensor til at måle ændringer i tryk, temperatur, belastning eller acceleration. Potentielt, piezoelektrik kunne drive en række enheder fra personlig elektronik som armbåndsenheder til brostabilitetssensorer.

Holdet integrerede materialet i en version af en piezoelektrisk energihøsterteknologi kaldet en bimorf, der gør det muligt for enheden at fungere enten som en sensor, en energihøster eller en aktuator. En bimorf har to piezoelektriske lag formet og samlet for at maksimere effektiv energihøst. Sensorer og energihøstere, mens den bimorfe struktur bøjes, generere et elektrisk signal til måling eller fungere som en strømkilde.

Desværre, disse funktioner fungerer mindre effektivt i miljøer med høje temperaturer. Nuværende state-of-the-art piezoelektriske energihøstere er normalt begrænset til et maksimalt effektivt driftstemperaturområde på 176 grader Fahrenheit (80 grader Celsius) til 248 grader Fahrenheit (120 grader C).

"Et grundlæggende problem med piezoelektriske materialer er, at deres ydeevne begynder at falde temmelig betydeligt ved temperaturer over 120 C, til det punkt, hvor over 200 C (392 F) deres ydeevne er ubetydelig, " Gareth Knowles, teknisk chef for QorTek, sagde. "Vores forskning viser en mulig løsning for det for NASA."

Den nye piezoelektriske materialesammensætning udviklet af forskerne viste en næsten konstant effektiv ydeevne ved temperaturer op til 482 F (250 C). Ud over, mens der var et gradvist fald i ydeevne over 482 F (250 °C), materialet forblev effektivt som en energihøster eller sensor ved temperaturer til langt over 572 F, rapporterede forskerne i Journal of Applied Physics .

"Kompositionerne, der klarer sig lige så godt ved disse høje temperaturer, som de gør ved stuetemperatur, er en første, da ingen nogensinde har håndteret piezoelektriske materialer, der effektivt fungerer ved så høje temperaturer, " sagde Knowles.

En anden fordel ved materialet var et uventet højt niveau af elproduktion. Mens der pt. piezoelektriske energihøstere er ikke på niveau med mere effektive strømproducenter såsom solceller, det nye materiales ydeevne var stærk nok til at åbne muligheder for andre applikationer, ifølge Randall.

"Energiproduktionsdelen af ​​dette var meget imponerende, materialet viser rekordhøj ydeevne som en piezoelektrisk energihøster, " sagde Randall. "Dette ville potentielt muliggøre en kontinuerlig, batterifri strømforsyning i mørke eller skjulte omgivelser, såsom inde i et bilsystem eller endda i den menneskelige krop."

Både Randall og Knowles bemærkede, at partnerskabet mellem Penn State og QorTek, som går over 20 år tilbage, muliggjort udvikling af det nye, forbedret piezoelektrisk materiale ved at supplere hinandens ressourcer.

"Generelt, en stor fordel ved et partnerskab som dette er, at du kan udnytte det store videnreservoir på området, som MRI og Penn State har, og som små virksomheder som vores nogle gange ikke gør, " sagde Knowles. "En anden fordel er, at universiteterne ofte har fysiske ressourcer, såsom udstyr, der igen, du normalt ikke finder i et lille firma."

Randall bemærkede, at da QorTek har mange ansatte, der er Penn State-alumner, der er et kendskab til både forskningsemnet og de involverede personer.

"En af mine post-doktorale forskere og første forfatter på papiret, Wei-Ting Chen, blev ansat af QorTek, så der var en overførsel af ekspertise i den sag, " sagde Randall. "Også, de færdigheder, der tilbydes af QorTek, såsom maskinteknik, ekspertise inden for udstyrsdesign og -måling satte udviklingen i gang i et meget hurtigere tempo, end det ville være muligt givet det budget, vi fik. Så partnerskabet muliggjorde en virkelig frugtbar forstærkning af projektet."