Piëzo-elektrische materialen zijn veelbelovend als sensoren en als energie-oogstmachines, maar zijn normaal gesproken veel minder effectief bij hoge temperaturen, het beperken van hun gebruik in omgevingen zoals motoren of verkenning van de ruimte. Echter, een nieuw piëzo-elektrisch apparaat ontwikkeld door een team van onderzoekers van Penn State en QorTek blijft zeer effectief bij verhoogde temperaturen.

Clive Randall, directeur van het Materials Research Institute (MRI) van Penn State, ontwikkelde het materiaal en apparaat in samenwerking met onderzoekers van QorTek, een staatscollege, Bedrijf gevestigd in Pennsylvania, gespecialiseerd in apparaten voor slimme materialen en vermogenselektronica met hoge dichtheid.

"De behoefte van NASA was hoe de elektronica van stroom moest worden voorzien op afgelegen locaties waar batterijen moeilijk toegankelijk zijn om te vervangen, "Zei Randall. "Ze wilden ook zelfaandrijvende sensoren die systemen zoals motorstabiliteit bewaken en deze apparaten laten werken tijdens raketlanceringen en andere situaties met hoge temperaturen waar de huidige piëzo-elektrische systemen door de hitte falen."

Piëzo-elektrische materialen genereren een elektrische lading wanneer ze snel worden samengedrukt door een mechanische kracht tijdens trillingen of beweging, zoals van machines of een motor. Dit kan dienen als een sensor om veranderingen in druk te meten, temperatuur, spanning of versnelling. Mogelijk, piëzo-elektrische apparaten kunnen een reeks apparaten van stroom voorzien, van persoonlijke elektronica zoals polsbandapparaten tot overbruggingsstabiliteitssensoren.

Het team integreerde het materiaal in een versie van een piëzo-elektrische energieoogsttechnologie, een bimorph genaamd, waarmee het apparaat als sensor, een energieoogstmachine of een actuator. Een bimorph heeft twee piëzo-elektrische lagen die gevormd en geassembleerd zijn om het efficiënt oogsten van energie te maximaliseren. Sensoren en energieoogstmachines, terwijl de bimorfe structuur wordt gebogen, genereren een elektrisch signaal voor meting of fungeren als een stroombron.

Helaas, deze functies werken minder effectief in omgevingen met hoge temperaturen. De huidige state-of-the-art piëzo-elektrische energieoogsters zijn normaal gesproken beperkt tot een maximaal effectief bedrijfstemperatuurbereik van 176 graden Fahrenheit (80 graden Celsius) tot 248 graden Fahrenheit (120 graden C).

"Een fundamenteel probleem met piëzo-elektrische materialen is dat hun prestaties behoorlijk beginnen te dalen bij temperaturen boven 120 C, tot het punt waar hun prestaties boven 200 C (392 F) verwaarloosbaar zijn, "Gareth Knowles, technisch directeur van QorTek, zei. "Ons onderzoek toont een mogelijke oplossing daarvoor voor NASA aan."

De nieuwe piëzo-elektrische materiaalsamenstelling ontwikkeld door de onderzoekers vertoonde een bijna constante efficiënte prestatie bij temperaturen tot 482 F (250 C). In aanvulling, terwijl er een geleidelijke afname van de prestaties was boven 482 F (250 ° C), het materiaal bleef effectief als een energieoogstmachine of -sensor bij temperaturen tot ruim boven de 572 F, rapporteerden de onderzoekers in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

"De composities die net zo goed presteren bij deze hoge temperaturen als bij kamertemperatuur is een primeur, aangezien niemand ooit piëzo-elektrische materialen heeft beheerd die effectief werken bij zulke hoge temperaturen, ' zei Knowles.

Een ander voordeel van het materiaal was een onverwacht hoge elektriciteitsproductie. Terwijl op dit moment, piëzo-elektrische energieoogsters zijn niet op het niveau van efficiëntere stroomproducenten zoals zonnecellen, de prestaties van het nieuwe materiaal waren sterk genoeg om mogelijkheden voor andere toepassingen te openen, volgens Randall.

"Het onderdeel energieproductie hiervan was erg indrukwekkend, het materiaal vertoont een recordprestatie-efficiëntie als piëzo-elektrische energieoogstmachine, "Zei Randall. "Dit zou mogelijk een continue, batterijloze voeding in donkere of verborgen omgevingen zoals in een autosysteem of zelfs het menselijk lichaam."

Zowel Randall als Knowles merkten op dat de samenwerking tussen Penn State en QorTek, die meer dan 20 jaar teruggaat, de ontwikkeling van de nieuwe, verbeterd piëzo-elektrisch materiaal door elkaars bronnen aan te vullen.

"In het algemeen, een groot voordeel van een partnerschap als dit is dat je kunt profiteren van het grote kennisreservoir in het veld dat MRI en Penn State hebben en dat kleine bedrijven zoals het onze soms niet hebben, "Zei Knowles. "Een ander voordeel is dat universiteiten vaak fysieke middelen hebben, zoals apparatuur die weer, die je normaal niet in een klein bedrijf aantreft."

Randall merkte op dat aangezien QorTek veel werknemers heeft die alumni van Penn State zijn, er is bekendheid met zowel het onderzoeksonderwerp als de betrokkenen.

"Een van mijn postdoctorale onderzoekers en eerste auteur van het artikel, Wei Ting Chen, werd ingehuurd door QorTek dus er was in dat geval een overdracht van expertise, "Zei Randall. "Ook, de vaardigheden die QorTek biedt, zoals werktuigbouwkunde, apparaatontwerp en meetexpertise stuwden de ontwikkeling in een veel sneller tempo dan mogelijk zou zijn gezien het budget dat we kregen. Het partnerschap maakte dus een zeer vruchtbare versterking van het project mogelijk."