Een 10-voudige toename van het vermogen om mechanische en thermische energie te oogsten ten opzichte van standaard piëzo-elektrische composieten kan mogelijk zijn met behulp van een piëzo-elektrisch keramisch schuim ondersteund door een flexibele polymeerdrager, volgens onderzoekers van Penn State.

Op zoek naar manieren om kleine hoeveelheden energie te oogsten om mobiele elektronische apparaten of sensoren voor gezondheidsmonitoring te laten werken, onderzoekers voegen doorgaans harde keramische nanodeeltjes of nanodraden toe aan een zachte, flexibele polymeerdrager. Het polymeer zorgt voor de flexibiliteit, terwijl de piëzo-nanodeeltjes de mechanische energie omzetten in elektrische spanning. Maar deze materialen zijn relatief inefficiënt, omdat bij mechanische belasting de mechanische energie grotendeels wordt geabsorbeerd door het grootste deel van het polymeer, met een zeer kleine fractie overgebracht naar de piëzo-nanodeeltjes. Terwijl het toevoegen van meer keramiek de energie-efficiëntie zou verhogen, het komt met de afweging van minder flexibiliteit.

"Het harde keramiek in het zachte polymeer is als stenen in water, " zei Qing Wang, hoogleraar materiaalkunde en techniek, Penn State. "Je kunt op het wateroppervlak slaan, maar er wordt weinig kracht op de stenen overgebracht. We noemen dat spanningsoverdrachtsvermogen."

Bijna drie decennia geleden, wijlen Penn State materiaalwetenschapper Bob Newnham kwam met het concept dat de connectiviteit van de piëzo-vuller de efficiëntie van het piëzo-elektrische effect bepaalt. Een driedimensionaal materiaal zou efficiënter zijn dan wat hij classificeerde als nuldimensionale nanodeeltjes, eendimensionale nanodraden of tweedimensionale films, omdat de mechanische energie direct door het driedimensionale materiaal zou worden getransporteerd in plaats van in de polymeermatrix te verdwijnen.

"Bob Newnham was een legende op het gebied van piëzo-elektriciteit, "zei Wang. "Dus iedereen in de keramiekgemeenschap kende zijn aanpak, maar hoe die 3D-structuur te bereiken met een goed gedefinieerde microstructuur bleef een mysterie."

Het geheime ingrediënt om het mysterie op te lossen bleek een goedkope polyurethaanschuimstofdoek te zijn die in elke bouwmarkt kan worden gekocht. De kleine uniforme uitsteeksels op de plaat fungeren als een sjabloon voor het vormen van de microstructuur van het piëzo-elektrische keramiek. De onderzoekers brachten het keramiek op de polyurethaanplaat aan in de vorm van gesuspendeerde nanodeeltjes in oplossing. Wanneer de sjabloon en de oplossing worden verwarmd tot een temperatuur die hoog genoeg is, het vel brandt uit en de oplossing kristalliseert uit tot een stevig 3-D microform schuim met uniforme gaten. Vervolgens vullen ze de gaten in het keramische schuim met polymeer.

"We zien dat deze 3D-composiet een veel hogere energie-output heeft onder verschillende modi, "zei Wang. "We kunnen het uitrekken, buig het, druk erop. En op hetzelfde moment, het kan worden gebruikt als een oogstmachine voor pyro-elektrische energie als er een temperatuurgradiënt is van ten minste enkele graden."

Sulin Zhang, hoogleraar technische wetenschappen en mechanica, Penn State is de andere corresponderende auteur op het papier dat verschijnt in Energie- en milieuwetenschappen . Zhang en zijn studenten waren verantwoordelijk voor uitgebreid computerwerk om de piëzo-elektrische prestaties van de 3D-composiet te simuleren.

"We waren in staat om theoretisch aan te tonen dat de piëzo-elektrische prestaties van nanodeeltjes / nanodraadcomposieten kritisch worden beperkt door de grote ongelijkheid in stijfheid van de polymeermatrix en piëzokeramiek, maar het 3D-composietschuim wordt niet beperkt door stijfheid, " zei Zhang. "Dit is het fundamentele verschil tussen deze composietmaterialen, die spreekt tot de innovatie van deze nieuwe 3D-composiet. Onze uitgebreide simulaties demonstreren dit idee verder."

Momenteel, Wang en zijn medewerkers werken met loodvrije en milieuvriendelijkere alternatieven voor het huidige lood-zirkonium-titanaat keramiek.

"Dit is een zeer algemene methode, " zei Wang. "Dit is om het concept te demonstreren, gebaseerd op het werk van Bob Newnham. Het is goed om het werk van een Penn State-legende voort te zetten en dit veld vooruit te helpen." Extra auteurs van het artikel, "Flexibele driedimensionale onderling verbonden piëzo-elektrische composieten op basis van keramisch schuim voor zeer efficiënte gelijktijdige mechanische en thermische energiewinning, " zijn co-lead auteurs Guangzu Zhang, voorheen in de groep van Wang en nu aan de Huazhong University of Science and Technology, China; en Peng Zhao, een promovendus in de groep van Zhang. Andere bijdragers zijn Xiaoshin Zhang, Kuo Han, Tiankai Zhao, Yong Zhang, Chang Kyu Jeong en Shenglin Jiang.