Piezoelektriska material lovar mycket som sensorer och som energiskördare men är normalt mycket mindre effektiva vid höga temperaturer, begränsar deras användning i miljöer som motorer eller rymdutforskning. Dock, en ny piezoelektrisk enhet utvecklad av ett team av forskare från Penn State och QorTek är fortfarande mycket effektiv vid förhöjda temperaturer.

Clive Randall, chef för Penn State's Materials Research Institute (MRI), utvecklat materialet och enheten i samarbete med forskare från QorTek, en statlig högskola, Pennsylvania-baserat företag som specialiserat sig på smarta materialanordningar och kraftfull elektronik med hög densitet.

"NASAs behov var hur man kan driva elektronik på avlägsna platser där batterier är svåra att komma åt för att byta, "Sa Randall. "De ville också ha självförsörjande sensorer som övervakar system som motorstabilitet och som får dessa enheter att fungera under raketuppskjutningar och andra högtemperatursituationer där nuvarande piezoelektrik misslyckas på grund av värmen."

Piezoelektriska material genererar en elektrisk laddning när de snabbt komprimeras av en mekanisk kraft under vibrationer eller rörelse, som från maskiner eller en motor. Detta kan fungera som en sensor för att mäta förändringar i tryck, temperatur, töjning eller acceleration. Potentiellt, piezoelektrik kan driva en rad enheter från personlig elektronik som armband till bryggstabilitetssensorer.

Teamet integrerade materialet i en version av en piezoelektrisk energiskördarteknologi som kallas en bimorf som gör att enheten kan fungera antingen som en sensor, en energiskördare eller ett ställdon. En bimorf har två piezoelektriska lager formade och sammansatta för att maximera effektiv energiskörd. Sensorer och energiskördare, samtidigt som den bimorfa strukturen böjs, generera en elektrisk signal för mätning eller fungera som en strömkälla.

Tyvärr, dessa funktioner fungerar mindre effektivt i högtemperaturmiljöer. Nuvarande toppmoderna piezoelektriska energiopptagare är normalt begränsade till ett maximalt effektivt drifttemperaturintervall på 176 grader Fahrenheit (80 grader Celsius) till 248 grader Fahrenheit (120 grader C).

"Ett grundläggande problem med piezoelektriska material är att deras prestanda börjar sjunka ganska kraftigt vid temperaturer över 120 C, till den punkt där över 200 C (392 F) deras prestanda är försumbar, "Gareth Knowles, teknisk chef för QorTek, sa. "Vår forskning visar en möjlig lösning för det för NASA."

Den nya piezoelektriska materialkompositionen som utvecklats av forskarna visade en nästan konstant effektiv prestanda vid temperaturer upp till 482 F (250 C). Dessutom, medan det var en gradvis minskning av prestanda över 482 F (250 °C), materialet förblev effektivt som en energiskördare eller sensor vid temperaturer till långt över 572 F, rapporterade forskarna i Journal of Applied Physics .

"Kompositionerna som presterar lika bra vid dessa höga temperaturer som de gör vid rumstemperatur är en första, eftersom ingen någonsin har hanterat piezoelektriska material som effektivt fungerar vid så höga temperaturer, " sa Knowles.

En annan fördel med materialet var en oväntat hög elproduktion. Medan för närvarande, piezoelektriska energiskördare är inte på nivån med mer effektiva kraftproducenter som solceller, det nya materialets prestanda var tillräckligt stark för att öppna möjligheter för andra tillämpningar, enligt Randall.

"Energiproduktionsdelen av detta var mycket imponerande, materialet visar rekordeffektivitet som en piezoelektrisk energiskördare, ", sa Randall. "Detta skulle potentiellt möjliggöra en kontinuerlig, batterifri strömförsörjning i mörka eller dolda miljöer som i ett bilsystem eller till och med människokroppen."

Både Randall och Knowles noterade att partnerskapet mellan Penn State och QorTek, som sträcker sig mer än 20 år tillbaka i tiden, möjliggjort utveckling av den nya, förbättrat piezoelektriskt material genom att komplettera varandras resurser.

"I allmänhet, en stor fördel med ett sådant partnerskap är att du kan utnyttja den stora kunskapsreservoar på området som MRI och Penn State har och som små företag som vårt ibland inte gör, " sa Knowles. "En annan fördel är att universitet ofta har fysiska resurser som utrustning som igen, du vanligtvis inte hittar i ett litet företag."

Randall noterade att eftersom QorTek har många anställda som är Penn State -alumner, det finns en förtrogenhet med både forskningsämnet och de inblandade personerna.

"En av mina postdoktorala forskare och första författare på tidningen, Wei-Ting Chen, anställdes av QorTek så det skedde en överföring av expertis i det fallet, " sa Randall. "Också, de färdigheter som erbjuds av QorTek såsom maskinteknik, expertis inom apparatdesign och mätning drev utvecklingen i en mycket snabbare takt än vad som skulle vara möjligt med tanke på den budget vi fick. Så partnerskapet möjliggjorde en riktigt givande förstärkning av projektet. "