Une feuille flexible imprimée de matériau piézoélectrique intelligent Crédit :H. Cui du Zheng Lab
Les matériaux piézoélectriques qui habitent tout, de nos téléphones portables aux cartes de vœux musicales, pourraient être améliorés grâce aux travaux discutés dans le journal. Matériaux naturels publié en ligne le 21 janvier.
Xiaoyu 'Rayne' Zheng, professeur adjoint de génie mécanique au Collège d'ingénierie, et membre du Macromolecules Innovation Institute, et son équipe ont développé des méthodes pour imprimer en 3D des matériaux piézoélectriques qui peuvent être conçus sur mesure pour convertir le mouvement, impact et stress de toutes les directions à l'énergie électrique.
"Les matériaux piézoélectriques convertissent les contraintes et les contraintes en charges électriques, " expliqua Zheng.
Les matériaux piézoélectriques ne se présentent que sous quelques formes définies et sont constitués de cristal cassant et de céramique, le genre qui nécessite une salle blanche pour être fabriqué. L'équipe de Zheng a développé une technique pour imprimer ces matériaux en 3D afin qu'ils ne soient pas limités par la forme ou la taille. Le matériau peut également être activé, fournissant la prochaine génération d'infrastructures intelligentes et de matériaux intelligents pour la détection tactile, surveillance des chocs et vibrations, récupération d'énergie, et d'autres applications.
Libérez la liberté de concevoir des piézoélectriques
Les matériaux piézoélectriques ont été découverts au 19ème siècle. Depuis lors, les progrès de la technologie de fabrication ont conduit à l'exigence de salles blanches et d'une procédure complexe qui produit des films et des blocs qui sont connectés à l'électronique après usinage. Le processus coûteux et la fragilité inhérente du matériau, a limité la capacité de maximiser le potentiel du matériau.
La feuille flexible imprimée de matériau piézoélectrique. Crédit :Virginia Tech
L'équipe de Zheng a développé un modèle qui leur permet de manipuler et de concevoir des constantes piézoélectriques arbitraires, ayant pour résultat que le matériau génère un mouvement de charge électrique en réponse à des forces entrantes et des vibrations provenant de n'importe quelle direction, via un ensemble de topologies imprimables en 3D. Contrairement aux piézoélectriques conventionnels où les mouvements de charge électrique sont prescrits par les cristaux intrinsèques, la nouvelle méthode permet aux utilisateurs de prescrire et de programmer des réponses de tension à agrandir, inversé ou supprimé dans n'importe quelle direction.
"Nous avons développé une méthode de conception et une plateforme d'impression pour concevoir librement la sensibilité et les modes de fonctionnement des matériaux piézoélectriques, " a déclaré Zheng. " En programmant la topologie active 3-D, vous pouvez obtenir à peu près n'importe quelle combinaison de coefficients piézoélectriques dans un matériau, et les utiliser comme transducteurs et capteurs qui ne sont pas seulement flexibles et solides, mais aussi répondre à la pression, vibrations et impacts via des signaux électriques qui indiquent l'emplacement, l'ampleur et la direction des impacts dans n'importe quel emplacement de ces matériaux. »
Impression 3D de piézoélectriques, capteurs et transducteurs
Un facteur dans la fabrication piézoélectrique actuelle est le cristal naturel utilisé. Au niveau atomique, l'orientation des atomes est fixe. L'équipe de Zheng a produit un substitut qui imite le cristal mais permet de modifier l'orientation du réseau par conception.
"Nous avons synthétisé une classe d'encres piézoélectriques hautement sensibles qui peuvent être sculptées en caractéristiques tridimensionnelles complexes avec la lumière ultraviolette. Les encres contiennent des nanocristaux piézoélectriques hautement concentrés liés à des gels sensibles aux UV, qui forment une solution - un mélange laiteux comme du cristal fondu - que nous imprimons avec une imprimante 3D numérique haute résolution, " a déclaré Zheng.
L'équipe a démontré les matériaux imprimés en 3D à une échelle mesurant des fractions du diamètre d'un cheveu humain. "Nous pouvons adapter l'architecture pour les rendre plus flexibles et les utiliser, par exemple, comme dispositifs de récupération d'énergie, en les enroulant autour de toute courbure arbitraire, " dit Zheng. " Nous pouvons les rendre épais, Et léger, rigide ou absorbant l'énergie."
Le matériau a des sensibilités 5 fois supérieures à celles des polymères piézoélectriques flexibles. La rigidité et la forme du matériau peuvent être ajustées et produites sous la forme d'une feuille mince ressemblant à une bande de gaze, ou sous forme de bloc rigide. "Nous avons une équipe qui en fait des appareils portables, comme des bagues, semelles, et les enfiler dans un gant de boxe où nous pourrons enregistrer les forces d'impact et surveiller la santé de l'utilisateur, " dit Zheng.
"La capacité d'atteindre la mécanique souhaitée, les propriétés électriques et thermiques réduiront considérablement le temps et les efforts nécessaires pour développer des matériaux pratiques, " a déclaré Shashank Priya, vice-président associé pour la recherche à Penn State et ancien professeur de génie mécanique à Virginia Tech.
Nouvelles candidatures
L'équipe a imprimé et démontré des matériaux intelligents enroulés autour de surfaces courbes, porté sur les mains et les doigts pour convertir le mouvement, et récolter l'énergie mécanique, mais les applications vont bien au-delà des appareils portables et de l'électronique grand public. Zheng voit la technologie comme un saut dans la robotique, récupération d'énergie, la détection tactile et les infrastructures intelligentes, où une structure est entièrement réalisée en matériau piézoélectrique, détecter les impacts, vibrations et mouvements, et permettant à ceux-ci d'être surveillés et localisés. L'équipe a imprimé un petit pont intelligent pour démontrer son applicabilité à la détection des emplacements des impacts de chute, ainsi que son ampleur, tout en étant suffisamment robuste pour absorber l'énergie de l'impact. L'équipe a également démontré son application d'un transducteur intelligent qui convertit les signaux de vibration sous-marins en tensions électriques.
"Traditionnellement, si vous vouliez surveiller la résistance interne d'une structure, vous auriez besoin d'avoir beaucoup de capteurs individuels placés partout dans la structure, chacun avec un certain nombre de fils et de connecteurs, " dit Huachen Cui, doctorant avec Zheng et premier auteur du Matériaux naturels papier. "Ici, la structure elle-même est le capteur - elle peut se surveiller elle-même."
