用于压电能量收集的具有排列孔隙率的柔性柱基结构压电复合材料

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 15:36
文章英文标题
Flexible pillar-base structured piezocomposite with aligned porosity for piezoelectric energy harvesting
正文
柔性压电能量收集器由于能够将与弯曲相关的应变能转换为电能用于低功耗可穿戴电子设备,近年来受到了广泛关注。与0 - 3型压电复合材料相比,基于三维互联陶瓷骨架的柔性压电能量采集器具有较高的应力传递能力和较高的压电系数,因而受到广泛关注。本文采用冷冻铸造法制备了三维连通多孔锆钛酸钡钙( BCZT )柱基结构,将聚二甲基硅氧烷( PDMS )浸渍到定向孔道中形成柔性压电俘能器。详细研究了孔隙率对压电系数、铁电性能和能量收集性能的影响。压电系数和能量收集图的优点显著增强,因为存在一个排列的孔隙结构,导致高的应力转移到压电相。高度取向的孔隙率导致了聚合物60   vol %的压电复合材料的产生,其输出电压为30.2   V,电流为13.8  μA。而且峰值功率密度可达96.2  μW   cm-2,明显高于纳米颗粒基压电复合材料。该工作展示了柔性压电复合材料在能量收集方面的应用前景。
文章内容(英文)
Flexible piezoelectric energy harvesters have attracted significant attention in recent years due to their ability to convert strain energy associated with bending into electrical energy for low-power wearable electronic devices. Compared with 0–3 type piezoelectric composites, where the piezoelectric phase is isolated within the material, flexible piezoelectric energy harvesters based on a three-dimensional interconnected ceramic skeleton are of particular interest due to their high stress transfer capability and high piezoelectric coefficients. Herein, a three-dimensional interconnected porous barium calcium zirconate titanate (BCZT) pillar-based structure is created via freeze casting, where polydimethylsiloxane (PDMS) is impregnated into the aligned pore channels to form a flexible piezoelectric energy harvester. The effect of porosity on piezoelectric coefficients, ferroelectric properties and energy harvesting performance is investigated in detail. The piezoelectric coefficient and energy harvesting figure of merit are significantly enhanced due to the presence of an aligned pore structure which leads to a high transfer of applied stress into the piezoelectric phase. The highly aligned porosity leads to the creation of a piezoelectric composite with 60 vol% of polymer that exhibits a high output voltage of 30.2 V and current of 13.8 μA. Moreover, the peak power density can reach up to 96.2 μW cm −2 , which is significantly higher than that of nanoparticle-based piezoelectric composites. This work demonstrates a promising prospect of utilizing flexible piezoelectric composites for energy harvesting applications.
来源出处
Journal|[J]Nano EnergyVolume 88, 2021.
谷歌学术影响力
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DOI
https://doi.org/10.1016/J.NANOEN.2021.106278

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