En 10-faldig ökning av förmågan att skörda mekanisk och termisk energi jämfört med vanliga piezoelektriska kompositer kan vara möjlig med ett piezoelektriskt keramiskt skum som stöds av ett flexibelt polymerstöd, enligt Penn State forskare.

I sökandet efter sätt att skörda små mängder energi för att köra mobila elektroniska enheter eller sensorer för hälsoövervakning, forskare lägger vanligtvis hårda keramiska nanopartiklar eller nanotrådar till en mjuk, flexibelt polymerstöd. Polymeren ger flexibiliteten, medan piezo-nanopartiklarna omvandlar den mekaniska energin till elektrisk spänning. Men dessa material är relativt ineffektiva, eftersom vid mekanisk belastning absorberas den mekaniska energin till stor del av huvuddelen av polymeren, med en mycket liten fraktion överförd till piezonanopartiklarna. Samtidigt som mer keramik skulle öka energieffektiviteten, det kommer med en kompromiss med mindre flexibilitet.

"Den hårda keramiken i den mjuka polymeren är som stenar i vatten, sa Qing Wang, professor i materialvetenskap och teknik, Penn State. "Du kan slå på vattenytan, men lite kraft överförs till stenarna. Vi kallar det belastningsöverföringsförmåga."

För nästan tre decennier sedan, den sena materialforskaren i Penn State Bob Newnham kom på konceptet att anslutningen av piezofyllmedlet avgjorde effektiviteten av den piezoelektriska effekten. Ett tredimensionellt material skulle vara mer effektivt än vad han klassificerade som noldimensionella nanopartiklar, endimensionella nanotrådar eller tvådimensionella filmer, eftersom den mekaniska energin skulle transporteras direkt genom det tredimensionella materialet istället för att försvinna in i polymermatrisen.

"Bob Newnham var en legend inom området piezoelektrisk, "sa Wang." så alla i det keramiska samhället visste om hans tillvägagångssätt, men hur man uppnår den 3D-strukturen med en väldefinierad mikrostruktur förblev ett mysterium."

Den hemliga ingrediensen för att lösa mysteriet visade sig vara ett billigt dammark av polyuretanskum som kan köpas i vilken hemförbättringsbutik som helst. De små enhetliga utsprången på arket fungerar som en mall för att bilda mikrostrukturen hos den piezoelektriska keramen. Forskarna applicerade keramiken på polyuretanarket i form av suspenderade nanopartiklar i lösning. När mallen och lösningen värms till tillräckligt hög temperatur, arket brinner ut och lösningen kristalliseras till ett fast 3-D mikroformskum med enhetliga hål. De fyller sedan hålen i det keramiska skummet med polymer.

"Vi ser att den här 3D-kompositen har en mycket högre energiproduktion under olika lägen, " sa Wang. "Vi kan sträcka det, böj den, tryck på den. Och på samma gång, den kan användas som en pyroelektrisk energiskördare om det finns en temperaturgradient på minst några grader."

Sulin Zhang, professor i ingenjörsvetenskap och mekanik, Penn State är den andra motsvarande författaren på tidningen som visas i Energi- och miljövetenskap . Zhang och hans elever ansvarade för omfattande beräkningsarbete som simulerade den piezoelektriska prestandan hos 3D-kompositen.

"Vi kunde teoretiskt visa att den piezoelektriska prestandan för nanopartiklar/nanotrådskompositer är kritiskt begränsad av den stora skillnaden i styvhet hos polymermatrisen och piezoceramik, men 3D-kompositskummet begränsas inte av styvhet, " sade Zhang. "Detta är den grundläggande skillnaden mellan dessa kompositmaterial, vilket talar till innovationen av denna nya 3D-komposit. Våra omfattande simuleringar visar ytterligare denna idé."

För närvarande, Wang och hans medarbetare arbetar med blyfria och mer miljövänliga alternativ till den nuvarande bly-zirkonium-titanat-keramen.

"Detta är en väldigt allmän metod, " sa Wang. "Detta är för att demonstrera konceptet, baserat på Bob Newnhams arbete. Det är bra att fortsätta arbetet med en Penn State-legend och att främja detta område." Ytterligare författare på artikeln, "Flexibla tredimensionella sammankopplade piezoelektriska keramiska skumbaserade kompositer för högeffektiv samtidig mekanisk och termisk energiskörd, " är medförfattarna Guangzu Zhang, tidigare i Wangs grupp och nu vid Huazhong University of Science and Technology, Kina; och Peng Zhao, en doktorand i Zhangs grupp. Andra bidragsgivare är Xiaoshin Zhang, Kuo Han, Tiankai Zhao, Yong Zhang, Chang Kyu Jeong och Shenglin Jiang.