Une augmentation de 10 fois de la capacité de récolter l'énergie mécanique et thermique par rapport aux composites piézoélectriques standard peut être possible en utilisant une mousse céramique piézoélectrique supportée par un support polymère flexible, selon les chercheurs de Penn State.

Dans la recherche de moyens de récolter de petites quantités d'énergie pour faire fonctionner des appareils électroniques mobiles ou des capteurs pour la surveillance de la santé, les chercheurs ajoutent généralement des nanoparticules de céramique dure ou des nanofils à un matériau souple, support souple en polymère. Le polymère offre la flexibilité, tandis que les nanoparticules piézo convertissent l'énergie mécanique en tension électrique. Mais ces matériaux sont relativement inefficaces, car lors du chargement mécanique, l'énergie mécanique est en grande partie absorbée par la masse du polymère, avec une très petite fraction transférée aux nanoparticules piézo. Tout en ajoutant plus de céramique augmenterait l'efficacité énergétique, il vient avec le compromis de moins de flexibilité.

"La céramique dure dans le polymère mou est comme des pierres dans l'eau, " a déclaré Qing Wang, professeur de science et génie des matériaux, État de Penn. "Vous pouvez gifler la surface de l'eau, mais peu de force est transférée aux pierres. C'est ce que nous appelons la capacité de transfert de contrainte."

Il y a près de trois décennies, le regretté scientifique des matériaux de Penn State, Bob Newnham, a proposé le concept selon lequel la connectivité de la charge piézoélectrique déterminait l'efficacité de l'effet piézoélectrique. Un matériau tridimensionnel serait plus efficace que ce qu'il a qualifié de nanoparticules à zéro dimension, nanofils unidimensionnels ou films bidimensionnels, car l'énergie mécanique serait transportée directement à travers le matériau tridimensionnel au lieu de se dissiper dans la matrice polymère.

"Bob Newnham était une légende dans le domaine de la piézoélectrique, " a déclaré Wang. " donc tout le monde dans la communauté de la céramique connaissait son approche, mais comment réaliser cette structure 3-D avec une microstructure bien définie restait un mystère."

L'ingrédient secret pour résoudre le mystère s'est avéré être une feuille de dépoussiérage en mousse de polyuréthane bon marché qui peut être achetée dans n'importe quel magasin de rénovation domiciliaire. Les petites protubérances uniformes sur la feuille servent de gabarit pour former la microstructure de la céramique piézoélectrique. Les chercheurs ont appliqué la céramique à la feuille de polyuréthane sous forme de nanoparticules en suspension en solution. Lorsque le modèle et la solution sont chauffés à une température suffisamment élevée, la feuille brûle et la solution cristallise en une mousse microforme 3D solide avec des trous uniformes. Ils remplissent ensuite les trous de la mousse céramique avec du polymère.

"Nous voyons que ce composite 3D a une production d'énergie beaucoup plus élevée sous différents modes, " dit Wang. " Nous pouvons l'étirer, pliez le, Appuie. Et en même temps, il peut être utilisé comme récupérateur d'énergie pyroélectrique s'il y a un gradient de température d'au moins quelques degrés."

Sulin Zhang, professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique, Penn State est l'autre auteur correspondant sur l'article qui apparaît dans Sciences de l'énergie et de l'environnement . Zhang et ses étudiants étaient responsables d'un travail de calcul approfondi simulant les performances piézoélectriques du composite 3D.

« Nous avons pu montrer théoriquement que les performances piézoélectriques des composites nanoparticules/nanofils sont considérablement limitées par la grande disparité de rigidité de la matrice polymère et des céramiques piézoélectriques, mais la mousse composite 3-D n'est pas limitée par la rigidité, " a déclaré Zhang. " C'est la différence fondamentale entre ces matériaux composites, ce qui témoigne de l'innovation de ce nouveau composite 3D. Nos simulations approfondies démontrent une fois de plus cette idée. »

Actuellement, Wang et ses collaborateurs travaillent avec des alternatives sans plomb et plus respectueuses de l'environnement à la céramique actuelle de plomb-zirconium-titanate.

"C'est une méthode très générale, " a déclaré Wang. " C'est pour démontrer le concept, basé sur le travail de Bob Newnham. Il est bon de continuer le travail d'une légende de Penn State et de faire avancer ce domaine. » Auteurs supplémentaires sur l'article, "Composites flexibles à base de mousse céramique piézoélectrique interconnectée tridimensionnelle pour une récupération d'énergie mécanique et thermique simultanée très efficace, " sont les co-auteurs principaux Guangzu Zhang, anciennement dans le groupe de Wang et maintenant à l'Université des sciences et technologies de Huazhong, Chine; et Peng Zhao, un doctorant dans le groupe de Zhang. Les autres contributeurs sont Xiaoshin Zhang, Kuo Han, Tiankai Zhao, Yong Zhang, Chang Kyu Jeong et Shenglin Jiang.