Пьезоэлектрические материалы имеют большие перспективы в качестве датчиков и сборщиков энергии, но обычно они гораздо менее эффективны при высоких температурах, что ограничивает их использование в таких средах, как двигатели или космические исследования. Однако новое пьезоэлектрическое устройство, разработанное группой исследователей из Университета штата Пенсильвания и разработчика-производителя пьезоэлектроники QorTek, остается высокоэффективным при повышенных температурах.
Клайв Рэндалл, директор Института исследований материалов Университета штата Пенсильвания, разработал материал и устройство в сотрудничестве с исследователями из QorTek, компания из Пенсильвании, специализирующаяся на устройствах из интеллектуальных материалов и силовой электронике высокой плотности.
«Агенству НАСА было необходимо, чтобы обеспечить питание электроники в удаленных местах, где трудно получить доступ к батареям для замены», - сказал Рэндалл. «Им также нужны датчики с автономным питанием, которые контролируют такие системы, как стабильность двигателя, и позволяют этим устройствам работать во время запусков ракет и других высокотемпературных ситуаций, когда существующие пьезоэлектрики выходят из строя из-за нагрева».
Пьезоэлектрические материалы генерируют электрический заряд при быстром сжатии под действием механической силы во время вибрации или движения, например, от машин или двигателя. Он может служить датчиком для измерения изменений давления, температуры, деформации или ускорения. Потенциально пьезоэлектрики могут питать целый ряд устройств, от персональной электроники, такой как браслеты, до датчиков устойчивости.
Команда интегрировала этот материал в версию технологии пьезоэлектрического устройства сбора энергии, называемую биморфом, которая позволяет устройству действовать как датчик, сборщик энергии или привод. Биморф имеет два пьезоэлектрических слоя, сформированных и собранных для максимального эффективного сбора энергии. Датчики и сборщики энергии, во время изгиба биморфной структуры, генерируют электрический сигнал для измерения или действуют как источник энергии.
К сожалению, эти функции работают менее эффективно в условиях высоких температур. Ультрасовременные пьезоэлектрические устройства для сбора энергии обычно ограничены максимальным эффективным диапазоном рабочих температур от 80°C до 120°C.
«Фундаментальная проблема пьезоэлектрических материалов заключается в том, что их характеристики начинают значительно падать при температурах выше 120°C, вплоть до того, что при температурах выше 200°C их характеристики незначительны», - сказал Гарет Ноулз, технический директор QorTek. «Наше исследование демонстрирует возможное решение этой проблемы для НАСА».
Новый состав пьезоэлектрического материала, разработанный исследователями, показал практически постоянную эффективность при температурах до 250°C. Кроме того, несмотря на постепенное снижение производительности при температуре выше 250°C, материал оставался эффективным в качестве сборщика энергии или датчика при температурах значительно выше 300°C, как сообщили исследователи в Journal of Applied Physics.
«Составы, работающие так же хорошо при таких высоких температурах, как и при комнатной температуре, являются первыми, поскольку никто никогда не создавал пьезоэлектрические материалы, которые эффективно работают при таких высоких температурах», - сказал Ноулз.
Еще одним преимуществом материала стал неожиданно высокий уровень выработки электроэнергии. По словам Рэндалла, хотя в настоящее время пьезоэлектрические устройства для сбора энергии не находятся на уровне более эффективных производителей энергии, таких как солнечные батареи, характеристики нового материала были достаточно высокими, чтобы открыть возможности для других приложений.
«Эта часть производства энергии была очень впечатляющей, материал демонстрирует рекордную эффективность по сравнению с пьезоэлектрическим сборщиком энергии», - сказал Рэндалл. «Это потенциально позволило бы обеспечить непрерывное питание без батарей в темноте или в скрытых помещениях, например, внутри автомобильной системы или даже человеческого тела».
И Рэндалл, и Ноулз отметили, что партнерство между Университетем штата Пенсильвания и QorTek, которое насчитывает более 20 лет, позволило разработать новый улучшенный пьезоэлектрический материал, дополняя ресурсы друг друга.
«В целом, большое преимущество такого партнерства заключается в том, что вы можете задействовать большой объем знаний в этой области, который есть у Института исследований материалов и Университета штата Пенсильвания, а у небольших компаний, таких как наша, иногда нет», - сказал Ноулз. «Еще одним преимуществом является то, что университеты часто имеют физические ресурсы, такие как оборудование, которое, опять же, вы обычно не найдете в небольшой компании».
Рэндалл отметил, что, поскольку в QorTek много сотрудников, которые являются выпускниками Университета штата Пенсильвания, они хорошо знакомы как с предметом исследования, так и с участниками.
«Один из моих постдокторантов и первый автор статьи, Вэй-Тинг Чен, был нанят QorTek, поэтому в этом случае произошла передача опыта», - сказал Рэндалл. «Кроме того, предлагаемые QorTek наборы навыков, такие как машиностроение, проектирование устройств и опыт измерений, подтолкнули разработку к гораздо более быстрым темпам, чем это было бы возможно с учетом предоставленного нам бюджета. Таким образом, партнерство позволило действительно плодотворно расширить проект».
Источник: Science Daily
