Les matériaux piézoélectriques sont très prometteurs en tant que capteurs et récupérateurs d'énergie, mais sont normalement beaucoup moins efficaces à haute température, limitant leur utilisation dans des environnements tels que les moteurs ou l'exploration spatiale. Cependant, un nouveau dispositif piézoélectrique développé par une équipe de chercheurs de Penn State et de QorTek reste très efficace à des températures élevées.

Clive Randall, directeur du Materials Research Institute (MRI) de Penn State, développé le matériel et le dispositif en partenariat avec des chercheurs de QorTek, un Collège d'État, Entreprise basée en Pennsylvanie spécialisée dans les dispositifs matériels intelligents et l'électronique de puissance haute densité.

"Le besoin de la NASA était de savoir comment alimenter l'électronique dans des endroits éloignés où les batteries sont difficiles d'accès pour le changement, " a déclaré Randall. " Ils voulaient également des capteurs auto-alimentés qui surveillent des systèmes tels que la stabilité des moteurs et font fonctionner ces dispositifs pendant les lancements de fusées et d'autres situations à haute température où les piézoélectriques actuels échouent en raison de la chaleur. "

Les matériaux piézoélectriques génèrent une charge électrique lorsqu'ils sont rapidement comprimés par une force mécanique lors de vibrations ou de mouvements, tels que des machines ou un moteur. Cela peut servir de capteur pour mesurer les changements de pression, Température, contrainte ou accélération. Potentiellement, les piézoélectriques pourraient alimenter une gamme d'appareils allant de l'électronique personnelle comme les bracelets aux capteurs de stabilité de pont.

L'équipe a intégré le matériau dans une version d'une technologie de récupération d'énergie piézoélectrique appelée bimorphe qui permet à l'appareil d'agir soit en tant que capteur, un récupérateur d'énergie ou un actionneur. Un bimorphe a deux couches piézoélectriques formées et assemblées pour maximiser la récupération d'énergie efficace. Capteurs et récupérateurs d'énergie, en pliant la structure bimorphe, générer un signal électrique pour la mesure ou servir de source d'alimentation.

Malheureusement, ces fonctions fonctionnent moins efficacement dans les environnements à haute température. Les récupérateurs d'énergie piézoélectriques à la pointe de la technologie sont normalement limités à une plage de température de fonctionnement effective maximale de 176 degrés Fahrenheit (80 degrés Celsius) à 248 degrés Fahrenheit (120 degrés C).

« Un problème fondamental avec les matériaux piézoélectriques est que leurs performances commencent à chuter de manière assez significative à des températures supérieures à 120 C, au point où au-dessus de 200 C (392 F) leur performance est négligeable, " Gareth Knowles, directeur technique de QorTek, mentionné. "Notre recherche démontre une solution possible pour cela pour la NASA."

La nouvelle composition de matériau piézoélectrique développée par les chercheurs a montré une performance efficace presque constante à des températures allant jusqu'à 482 F (250 C). En outre, alors qu'il y avait une baisse progressive des performances au-dessus de 482 F (250°C), le matériau est resté efficace en tant que collecteur d'énergie ou capteur à des températures bien au-dessus de 572 F, les chercheurs ont rapporté dans le Journal de physique appliquée .

« Les compositions performantes aussi bien à ces hautes températures qu'à température ambiante est une première, comme personne n'a jamais géré des matériaux piézoélectriques qui fonctionnent efficacement à des températures aussi élevées, " a déclaré Knowles.

Un autre avantage du matériau était un niveau de production d'électricité étonnamment élevé. Alors qu'actuellement, les récupérateurs d'énergie piézoélectriques ne sont pas au niveau des producteurs d'énergie plus efficaces tels que les cellules solaires, la performance du nouveau matériau était suffisamment forte pour ouvrir des possibilités pour d'autres applications, selon Randall.

"La partie production d'énergie était très impressionnante, le matériau présente des performances record en tant que récupérateur d'énergie piézoélectrique, " a déclaré Randall. " Cela permettrait potentiellement une alimentation sans batterie dans des environnements sombres ou cachés, comme à l'intérieur d'un système automobile ou même du corps humain."

Randall et Knowles ont tous deux noté que le partenariat entre Penn State et QorTek, qui remonte à plus de 20 ans, permis le développement du nouveau, matériau piézoélectrique amélioré en se complétant mutuellement les ressources.

"En général, un grand avantage d'un partenariat comme celui-ci est que vous pouvez puiser dans le vaste réservoir de connaissances dans le domaine que MRI et Penn State ont et que les petites entreprises comme la nôtre n'ont parfois pas, " a déclaré Knowles. " Un autre avantage est que les universités ont souvent des ressources physiques telles que des équipements qui, encore une fois, vous ne trouverez normalement pas dans une petite entreprise."

Randall a noté que puisque QorTek a de nombreux employés qui sont des anciens élèves de Penn State, il y a une familiarité avec le sujet de recherche et les personnes impliquées.

"Un de mes chercheurs post-doctoraux et premier auteur de l'article, Wei Ting Chen, a été embauché par QorTek donc il y a eu un transfert d'expertise dans ce cas, " a dit Randall. " Aussi, les compétences offertes par QorTek telles que l'ingénierie mécanique, L'expertise en matière de conception et de mesure d'appareils a poussé le développement à un rythme beaucoup plus rapide que cela ne serait possible compte tenu du budget qui nous a été accordé. Le partenariat a donc permis une amplification vraiment fructueuse du projet."