GR1009017B - Διεργασια βελτιωσης των πιεζοηλεκτρικων συντελεστων σε συνθετα πιεζοηλεκτρικα υλικα - Google Patents
Διεργασια βελτιωσης των πιεζοηλεκτρικων συντελεστων σε συνθετα πιεζοηλεκτρικα υλικα Download PDFInfo
- Publication number
- GR1009017B GR1009017B GR20150100494A GR20150100494A GR1009017B GR 1009017 B GR1009017 B GR 1009017B GR 20150100494 A GR20150100494 A GR 20150100494A GR 20150100494 A GR20150100494 A GR 20150100494A GR 1009017 B GR1009017 B GR 1009017B
- Authority
- GR
- Greece
- Prior art keywords
- piezoelectric
- materials
- piezoelectric composite
- composite material
- conductive
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 10
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 claims description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 abstract description 17
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000011370 conductive nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000002520 smart material Substances 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/852—Composite materials, e.g. having 1-3 or 2-2 type connectivity
Abstract
Παρέχεται μέθοδος για την βελτίωση των πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων διάφορων πιεζοηλεκτρικών υλικών (1) με την εισαγωγή ηλεκτρικά αγώγιμων νανοσωματιδίων (2) με αποτέλεσμα την σύνθεση σύνθετων πιεζοηλεκτρικών υλικών (3). Το πλεονέκτημα αυτής της εφεύρεσης είναι ότι μπορεί να αντικαταστήσει τα ήδη υπάρχοντα πιεζοηλεκτρικά υλικά με σύνθετα με βελτιωμένη πιεζοηλεκτρική συμπεριφορά και αναβαθμισμένη απόδοση σε κάθε εφαρμογή.
Description
Διεργασία Βελτίωσης των Πιεζοηλεκτρικών Συντελεστών σε Σύνθετα Πιεζοηλεκτρικά Υλικά
Η παρούσα εφεύρεση αφορά την αναβάθμιση των πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων κεραμικών ή πολυμερικών πιεζοηλεκτρικών υλικών με την εισαγωγή ηλεκτρικά αγώγιμων μίκρο/νάνο- εγκλεισμάτων.
Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά θεωρούνται διηλεκτρικά υλικά ειδικής συμπεριφοράς. Το φαινόμενό του πιεζοηλεκτρισμού εκδηλώνεται με την εμφάνιση ηλεκτρικών φορτίων στις επιφάνειες ενός μονοκρύσταλλου που υπόκειται σε μηχανική παραμόρφωση, ενώ ισχύει και το αντίστροφο. Το φαινόμενο παρατηρείται σε κρυστάλλους που δεν παρουσιάζουν συμμετρία στην κατανομή των φορτίων. Ο πιεζοηλεκτρικός συντελεστής d ορίζεται ως η παράμετρος που συνδέει την πόλωση με την μηχανική τάση και την παραμόρφωση με το ηλεκτρικό πεδίο.
με Ρ: πόλωση, Ε: ηλεκτρικό πεδίο, Τ: μηχανική τάση και S: παραμόρφωση.<[1]>Γνωστές εφαρμογές των πιεζοηλεκτρικών υλικών είναι οι ηλεκτροακουστικοί και οι υπερηχητικοί μετατροπείς, τα επιταχυνσιόμετρα, οι αισθητήρες πίεσης και κίνησης καθώς και εφαρμογές πλέον αποτελούν και τα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS).<[2-4]>Πολυστρωματικά πιεζοηλεκτρικά σύνθετα υλικά έχουν αναπτυχθεί και στο παρελθόν και αποτελούν ολοκληρωμένους αισθητήρες σε μάκρο/μίκρο- εφαρμογές
Το αντικείμενο της παρούσης εφεύρεσης έχει στόχο να προσδώσει βελτιωμένες ιδιότητες σε ήδη υπάρχοντα πιεζοηλεκτρικά υλικά με την εισαγωγή ηλεκτρικά αγώγιμων σωματιδίων, συνθέτοντας νέα πιεζοηλεκτρικά σύνθετα υλικά.
Οι διαστάσεις, τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά, το υλικό και οι αποστάσεις μεταξύ των μικρο/νανο-σωματιδίων καθώς και το υλικό της πιεζοηλεκτρικής μήτρας εξαρτώνται από τις απαιτήσεις και τα χαρακτηριστικά της εκάστοτε εφαρμογής.
Ένας θεωρητικός υπολογισμός της μεταβολής των πιεζοηλεκτρικών συντελεστών με την εισαγωγή αγώγιμων νανοσωματιδίων έγινε με χρήση υπολογιστικού συστήματος finite element analysis. Οι υπολογισμοί έγιναν για δέκα διαφορετικές διαμέτρους των νανοσωματιδίων ώστε να καθοριστούν οι βέλτιστες διαστάσεις των νανοσωματιδίων, από 5 έως 50 nm με βήμα 5 nm. Ως πιεζοηλεκτρική μήτρα χρησιμοποιήθηκε Θειούχος Ψευδάργυρος (ZnS) ενώ ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιήθηκαν μεταλλικά νανοσωματίδια από Άργυρο (Ag), Χρυσό (Au), Χαλκό (Cu), Νικέλιο (Ni) και Πλατίνα (Pt).
Στα συνημμένα σχέδια, εμφανίζονται ορισμένα παραδείγματα ώστε να καταλάβουμε καλύτερα τα παραπάνω:
Το σχήμα 1 δείχνει ένα μοντέλο οκτώ σφαιρικών νανοσωματιδίων μέσα σε μία κυβική μήτρα, σύμφωνα με την παρούσα εφεύρεση.
Το σχήμα 2 είναι ένα διάγραμμα του πιεζοηλεκτρικού συντελεστή d31 ως συνάρτηση της διαμέτρου των νανοσω ματιδίων .
Το σχήμα 3 δείχνει την εξάρτηση του πιεζοηλεκτρικού συντελεστή d33 από την διάμετρο των νανοσωματιδίων.
Το σχήμα 4 δείχνει το άθροισμα των δύο πιεζοηλεκτρικών συντελεστών d31+d33 ως συνάρτηση της διαμέτρου των νανοσωματιδίων.
Το σχήμα 1 παρουσιάζει ένα πρότυπο, σύμφωνα με το οποίο μία κυβική πιεζοηλεκτρική μήτρα (1) πλευράς 150 nm εμπεριέχει οκτώ σφαιρικά αγώγιμα νανοσωματίδια (2) με διάμετρο 20 nm, δημιουργώντας έτσι ένα σύνθετο υλικό (3). Η συγκεκριμένη διάταξη των νανοσωματιδίων μέσα στην μήτρα έχει την παρούσα μορφή ώστε να υπολογιστούν θεωρητικά με την χρήση προσομοιώσεων οι πιεζοηλεκτρικοί συντελεστές του σύνθετου υλικού και είναι ενδεικτική.
Το σχήμα 2 παρουσιάζει τον πιεζοηλεκτρικό συντελεστή d31 ως συνάρτηση της διαμέτρου των νανοσωματιδίων. Η παρουσία των νανοσωματιδίων δείχνει ότι βελτιώνει την πιεζοηλεκτρική συμπεριφορά σε σχέση με το σκέτο ZnS ενώ την καλύτερη συμπεριφορά εμφανίζεται με την παρουσία των νανοσωματιδίων Χρυσού (Au) και Αργύρου (Ag) για διάμετρο 45 nm.
Το σχήμα 3 παρουσιάζει τον πιεζοηλεκτρικό συντελεστή d33 ως συνάρτηση της διαμέτρου των νανοσωματιδίων. Εδώ η παρουσία των νανοσωματιδίων είναι κυρίως αρνητική, με μόνη εξαίρεση τον Χρυσό (Au) στα 45 nm.
Το σχήμα 4 παρουσιάζει το άθροισμα των δύο πιεζοηλεκτρικών συντελεστών ώστε να καθοριστεί αν συνολικά η παρουσία των μεταλλικών νανοσωματιδίων έχει θετικό ή αρνητικό πρόσημο. Και εδώ, όπως και στα σχήματα 2 και 3, φαίνεται ότι η παρουσία των νανοσωματιδίων Χρυσού (Au) και Αργύρου (Ag) είναι ευεργετική, ενώ η παρουσία των άλλων μεταλλικών νανοσωματιδίων είναι αμυδρά ευεργετική μόνο για μικρές διαμέτρους, έως 15 nm.
[1] ‘Ευφυή Υλικά”, Γεώργιος X. Ψαρράς, Τμήμα Επιστήμης των Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών, 2008
[2] “Porous PTFE space-charge electrets for piezoelectric applications”, R. Gerhard-Multhaupt, W. Kunstler, T. Gome, A. Pucher, T. Weinhold, M. SeiB, IEEE Transactons on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 7(4), 2000, 480-488
[3] “Nanoscale Characterization of Polycrystalline Ferroelectric Materials for Piezoelectric Applications”, A. L. Kholkin, I. K. Bdikin, D. A. Kiselev, V. V. Shvartsman, S.-H. Kim, Journal of Electroceramics, Vol.l9 (l), 2007, 81-94
[4] “Rectifier-Free Piezoelectric Energy Harvester and Battery Charger”, D. Kwon, G. A. Rincon-Mora, US 8,368,290 B2, Feb. 5, 2013
[5] ‘Transducer Comprising Composite Electrical Materials”, J. Zola, US 4,572,981, Feb. 25, 1986
[6] ‘’Composite Ceramic/Polymer Piezoelectric Material”, H. Takeuchi, C. Nakaya, S. Umemura, K. Katakura, US 4,628,223, Dec. 9, 1986
Claims (8)
1. Πιεζοηλεκτρικό σύνθετο υλικό (3) χαρακτηρίζεται από την ενίσχυσή του με ηλεκτρικά αγώγιμα μεταλλικά νάνο-εγκλείσματα (2) σφαιρικού σχήματος και ορισμένης απόστασης αυτών μέσα στην πιεζοηλεκτρική μήτρα (1).
2. Πιεζοηλεκτρικό σύνθετο υλικό (3) όπως αναφέρεται στην αξίωση 1 χαρακτηρίζεται από νάνο-εγκλείσματα των οποίων η διάμετρος κυμαίνεται από 5 έως 50 nm και οι αποστάσεις μεταξύ τους παραμένουν σταθερές.
3. Πιεζοηλεκτρικό σύνθετο υλικό (3) κατά την αξίωση 1 χαρακτηρίζεται από πιεζοηλεκτρική μήτρα (1) από Θειούχο Ψευδάργυρο (ZnS).
4. Σύμφωνα με τις αξιώσεις 1 και 2, πιεζοηλεκτρικό σύνθετο υλικό χαρακτηρίζεται από αγώγιμα νάνοεγκλείσματα (2) τα οποία μπορούν να είναι από Άργυρο (Ag).
5. Κατά τις αξιώσεις 1 και 2, πιεζοηλεκτρικό σύνθετο υλικό χαρακτηρίζεται από αγώγιμα νάνο-εγκλείσματα (2) τα οποία μπορούν να είναι από Χρυσό (Au).
6. Σύμφωνα με τις αξιώσεις 1 και 2, πιεζοηλεκτρικό σύνθετο υλικό χαρακτηρίζεται από αγώγιμα νάνοεγκλείσματα (2) τα οποία μπορούν να είναι από Χαλκό (Cu).
7. Σύμφωνα με τις αξιώσεις 1 και 2, πιεζοηλεκτρικό σύνθετο υλικό χαρακτηρίζεται από αγώγιμα νάνοεγκλείσματα (2) τα οποία μπορούν να είναι από Νικέλιο (Ni).
8. Κατά τις αξιώσεις 1 και υλικό χαρακτηρίζεται από (2) τα οποία μπορούν να είν 2, πιεζοηλεκτρικό σύνθετο αγώγιμα νάνο-εγκλείσματα αι από Πλατίνα (Pt).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20150100494A GR1009017B (el) | 2015-11-16 | 2015-11-16 | Διεργασια βελτιωσης των πιεζοηλεκτρικων συντελεστων σε συνθετα πιεζοηλεκτρικα υλικα |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20150100494A GR1009017B (el) | 2015-11-16 | 2015-11-16 | Διεργασια βελτιωσης των πιεζοηλεκτρικων συντελεστων σε συνθετα πιεζοηλεκτρικα υλικα |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| GR1009017B true GR1009017B (el) | 2017-04-24 |
Family
ID=59223988
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| GR20150100494A GR1009017B (el) | 2015-11-16 | 2015-11-16 | Διεργασια βελτιωσης των πιεζοηλεκτρικων συντελεστων σε συνθετα πιεζοηλεκτρικα υλικα |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| GR (1) | GR1009017B (el) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120267563A1 (en) * | 2009-12-11 | 2012-10-25 | Universite Paul Sabatier Toulouse Iii | Piezoelectric and/or pyroelectric composite solid material, method for obtaining same and use of such a material |
| WO2014144532A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Brigham Young University | Composite material used as a strain gauge |
| US20140333184A1 (en) * | 2013-05-10 | 2014-11-13 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Nanoporous piezoelectric polymer films for mechanical energy harvesting |
-
2015
- 2015-11-16 GR GR20150100494A patent/GR1009017B/el unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120267563A1 (en) * | 2009-12-11 | 2012-10-25 | Universite Paul Sabatier Toulouse Iii | Piezoelectric and/or pyroelectric composite solid material, method for obtaining same and use of such a material |
| WO2014144532A1 (en) * | 2013-03-15 | 2014-09-18 | Brigham Young University | Composite material used as a strain gauge |
| US20140333184A1 (en) * | 2013-05-10 | 2014-11-13 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Nanoporous piezoelectric polymer films for mechanical energy harvesting |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yan et al. | High performance flexible piezoelectric nanogenerators based on BaTiO3 nanofibers in different alignment modes | |
| Mishra et al. | Advances in piezoelectric polymer composites for energy harvesting applications: a systematic review | |
| Fu et al. | Highly durable piezoelectric energy harvester based on a PVDF flexible nanocomposite filled with oriented BaTi2O5 nanorods with high power density | |
| Garain et al. | Design of in situ poled Ce3+-doped electrospun PVDF/graphene composite nanofibers for fabrication of nanopressure sensor and ultrasensitive acoustic nanogenerator | |
| Yang et al. | Self-powered magnetic sensor based on a triboelectric nanogenerator | |
| Aabid et al. | A systematic review of piezoelectric materials and energy harvesters for industrial applications | |
| Alluri et al. | Scavenging biomechanical energy using high-performance, flexible BaTiO3 nanocube/PDMS composite films | |
| Wang et al. | Piezoelectric nanowires in energy harvesting applications | |
| Zhang et al. | Piezoelectric effects and electromechanical theories at the nanoscale | |
| Maity et al. | Natural sugar-assisted, chemically reinforced, highly durable piezoorganic nanogenerator with superior power density for self-powered wearable electronics | |
| Park et al. | Piezoelectric BaTiO3 thin film nanogenerator on plastic substrates | |
| Zhao et al. | Flexible semitransparent energy harvester with high pressure sensitivity and power density based on laterally aligned PZT single-crystal nanowires | |
| CN103776567B (zh) | 基于摩擦电的压力感应电缆 | |
| Irani et al. | Graphene as a piezoresistive material in strain sensing applications | |
| Li et al. | ZnO thin film piezoelectric micromachined microphone with symmetric composite vibrating diaphragm | |
| KR101465366B1 (ko) | 신축성을 갖는 에너지 발전 소자 및 이의 제작 방법 | |
| Joshi et al. | Evaluation of transverse piezoelectric coefficient of ZnO thin films deposited on different flexible substrates: a comparative study on the vibration sensing performance | |
| Zeng et al. | Wearable Piezoelectric Nanogenerators Based on Core–Shell Ga-PZT@ GaO x Nanorod-Enabled P (VDF-TrFE) Composites | |
| Hu et al. | A study of the size-dependent elastic properties of ZnO nanowires and nanotubes | |
| Abas et al. | Electrode effects of a cellulose-based electro-active paper energy harvester | |
| KR102149829B1 (ko) | 다공성 pdms-cnt 구조체를 이용한 스트레인 센서 | |
| Wang et al. | Two-step regulation strategy improving stress transfer and poling efficiency boosts piezoelectric performance of 0–3 piezocomposites | |
| Wang et al. | Engineered mechanosensors inspired by biological mechanosensilla | |
| CN103746602B (zh) | 一种螺旋型压电式能量采集器制备方法 | |
| Lin et al. | Wearable Piezoelectric Films Based on MWCNT-BaTiO3/PVDF Composites for Energy Harvesting, Sensing, and Localization |