Flexoelectric phenomenon in polymer materials
| 1. | Téma: | Flexoelektrický jev u polymerních materiálů
|
| Topic: | Flexoelectric phenomenon in polymer materials | |
| Školitel/Tutor: | Prof. Ing. Petr Slobodian, Ph. D | |
| Konzultant/Consultant: | Ing. Robert Olejník, Ph.D | |
| E-mail: | slobodian@utb.cz | |
| Anotace: | ||
| Od fascinace možnými jevy při přechodu našeho makrosvěta do oblasti nano, až po jejich reálnou aplikaci a konečnou realizaci původní představy – to je cesta k inovaci a pokroku.
Působením makroskopického mechanického zatížení na materiál jako je například polymer, dochází k jeho deformaci. Protože všechny jevy v přírodě probíhají v čase a nejsou okamžité, deformace materiálu vytváří napěťový gradient. Zde pak na úrovni nano dochází ke konverzi vložené mechanické energie na energii elektrickou. Z pohledu našeho makroskopického světa se pak tento flexoelektrický fenomén projevuje generováním elektrického náboje. Prakticky pak vhodně uspořádaný experiment dynamického zatěžování polymerního filmu generuje elektrické napěťové pulzy v hodnotách desítek voltů v trvání desítek milisekund. Polymer je tak inovativně vnímán jako nový materiál s uplatněními jako například samo-napájecí senzor deformace a vibrací nebo jako zdroj využitelné a obnovitelné elektrické energie. Hlavním cílem této práce je analýza a popis základních mechanismů přeměny mechanické práce na elektrickou energii fenoménem flexoelektrické elektrifikace [1-2] a dále její spojitost s průvodními principy jako je elektrifikace piezo a triboelektrická [3]. Zkoumané amorfní a semikrystalické polymerní materiály budou adaptovány do forem aplikovatelných jako samo-napájecí senzory deformace a zařízení pro efektivní sběr elektřiny generované elektromechanickou konverzí stimulů jako jsou odpadní mechanické vibrace strojů nebo přírodních zdrojů jako je energie větru a mořského příboje [4].
|
||
| Annotation: | ||
| From the fascination with possible phenomena during the transition of our macro world to the nano area, to their real application and the final realization of the original idea – this is the path to innovation and progress. By applying a macroscopic mechanical load to a material such as a polymer, its deformation occurs. Since all phenomena in nature take place over time and are not instantaneous, the deformation of the material creates a stress gradient. Here, at the nano level, the input mechanical energy is converted into electrical energy. From the perspective of our macroscopic world, this flexoelectric phenomenon manifests itself in the generation of electric charge. In practice, a suitably organized experiment of dynamic loading of a polymer film generates electrical voltage pulses in values of tens of volts and lasting tens of milliseconds. The polymer material is thus innovatively perceived as a new material with applications such as a self-powered deformation and vibration sensors or as a source of usable and renewable electrical energy. The main goal of this work is the analysis and description of the basic mechanisms of the transformation of mechanical work into electrical energy by the phenomenon of flexoelectric electrification [1-2] and its connection with accompanying principles such as piezo and triboelectric electrification [3]. The investigated amorphous and semi-crystalline polymer materials will be adapted into forms applicable as self-powered deformation sensors and devices for efficient collection of electricity generated by electromechanical conversion of stimuli such as waste mechanical vibrations of machines or natural sources such as wind and sea wave energy [4].
|
||
| Požadavky na studenta: | ||
| Uchazeč s magisterským vzděláním v technických vědách, obecná znalost materiálů a procesů, zběhlost v oblastech matematiky, fyziky a chemie, technická angličtina, praktické zkušenosti s anglicky psanými odbornými texty. Etické chování a touha po vědění.
|
||
| Requirements: | ||
| Applicant with master’s degree in technical sciences, general knowledge of materials and processes, proficiency in the fields of mathematics, physics and chemistry, technical English, practical experience with scientific literature written in English. Ethical behavior and the desire for knowledge.
|
||
| Literatura/Literature: | ||
| 1. Tagantsev, A., et.al. Flexoelectricity in Solids. World Scientific, 2016. ISBN 978-981-4719-31-5.
2. Hafner, T., Örnek, M., Costello, C., Nunes, C. The flexoelectric properties of various polymers and energetic composites. Applied Physics Letters. 124, 2024, 9. 3. Slobodian, P., Olejnik, R., Matyas, J., Riha, P., Hausnerova, B. A coupled piezo-triboelectric nanogenerator based on the electrification of biaxially oriented polyethylene terephthalate food packaging films. Nano Energy, 118, 2023, 108986. 4. Triphaty, A., et.al. Comprehensive Review on Flexoelectric Energy Harvesting Technology: Mechanisms, Device Configurations, and Potential Applications. ACS Applied Electronic Materials. 3(7), 2021, 2898-2924.
|
||