Le nouveau matériau piézoélectrique reste efficace aux températures élevées – Science

Les matériaux piézoélectriques sont très prometteurs en tant que capteurs et collecteurs d’énergie, mais sont normalement beaucoup moins efficaces à des températures élevées, 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 de l’Institut de recherche sur les matériaux (MRI) de Penn State, a développé le matériau et l’appareil en partenariat avec des chercheurs de QorTek, une société basée en Pennsylvanie du State College, spécialisée dans les dispositifs de matériaux 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 changer”, a déclaré Randall. “Ils voulaient également des capteurs auto-alimentés qui surveillent les systèmes tels que les stabilités du moteur et font fonctionner ces dispositifs pendant les lancements de fusées et d’autres situations à haute température où les piézoélectriques actuels échouent à cause de la chaleur.”

Les matériaux piézoélectriques génèrent une charge électrique lorsqu’ils sont rapidement comprimés par une force mécanique pendant des vibrations ou un mouvement, comme à partir de machines ou d’un moteur. Cela peut servir de capteur pour mesurer les changements de pression, de température, de déformation ou d’accélération. Potentiellement, les piézoélectriques pourraient alimenter une gamme d’appareils allant de l’électronique personnelle comme les bracelets aux capteurs de stabilité.

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 comme un capteur, un récupérateur d’énergie ou un actionneur. Un bimorphe a deux couches piézoélectriques formées et assemblées pour maximiser la récupération d’énergie efficace. Les capteurs et les collecteurs d’énergie, tout en pliant la structure bimorphe, génèrent un signal électrique pour la mesure ou agissent comme une source d’énergie.

Malheureusement, ces fonctions fonctionnent moins efficacement dans les environnements à haute température. Les collecteurs d’énergie piézoélectrique 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), leurs performances sont négligeables», a déclaré Gareth Knowles, directeur technique de QorTek. “Nos recherches démontrent 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). De plus, 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 récupérateur d’énergie ou capteur à des températures bien supérieures à 572 F, ont rapporté les chercheurs dans le Journal of Applied Physics.

“Les compositions fonctionnant aussi bien à ces températures élevées qu’à la température ambiante est une première, car 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’à l’heure actuelle, les collecteurs d’énergie piézoélectrique ne sont pas au niveau des producteurs d’énergie plus efficaces tels que les cellules solaires, les performances du nouveau matériau étaient suffisamment fortes pour ouvrir des possibilités pour d’autres applications, selon Randall.

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

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

«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 ne le font parfois pas», a déclaré Knowles. “Un autre avantage est que les universités disposent souvent de ressources physiques telles que des équipements que, encore une fois, vous ne trouverez généralement pas dans une petite entreprise.”

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

“Un de mes chercheurs postdoctoraux et premier auteur de l’article, Wei-Ting Chen, a été embauché par QorTek, il y a donc eu un transfert d’expertise dans ce cas”, a déclaré Randall. «De plus, les compétences offertes par QorTek telles que l’ingénierie mécanique, la conception d’appareils et l’expertise en mesure ont poussé le développement à un rythme beaucoup plus rapide que ce qui serait possible compte tenu du budget qui nous était imparti. Le partenariat a donc permis une amplification vraiment fructueuse du projet.

Le programme de transfert de technologie pour les petites entreprises de la National Aeronautics and Space Administration et la National Science Foundation ont financé cette recherche.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par Penn State. Original écrit par Jamie Oberdick. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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