Tomas Bata University in Zlín

Technology of Macromolecular Substances

Piezoelectric and thermoelectric polymer composites

Téma:Piezoelektrické a termoelektrické polymerní kompozity
Topic:Piezoelectric and thermoelectric polymer composites
Školitel/Tutor:prof. Ing. Petr Slobodian, Ph.D.
Konzultant/Consultant:Ing. Robert Olejník, Ph.D.
E-mail:slobodian@ft.utb.cz
Anotace:
Kompozitní materiály na bázi polymerní matrice mohou být použity jako generátory elektrického napětí principy piezoelektrického či termoelektrického jevu. První představuje generování elektrického potenciálu při aplikaci mechanického napětí, druhý princip pak generování elektrického proudu při existenci teplotního rozdílu mezi částmi kompozitu. Tyto pak mohou být efektivně použity jako generátory elektrické energie, k jejímu sběru s cílem signalizace vloženého stimulu jako mechanické napětí či teplotní rozdíl anebo k napájení méně energeticky náročných systémů.

PVDF (polyvinyliden fluorid) a jeho kopolymery jsou nejslibnější piezoelektrické polymery pro použití jako senzory či pro zmíněné aktivní členy pro získávání energie díky opakující se struktuře – [𝑪𝑯𝟐 – 𝑪𝑭𝟐] 𝒏 – dosahující až 50% krystalické fáze.

Vhodnou kombinací polymerních kompozitních materiálů s obsahem elektricky vodivého plniva mohou být připraveny nové termometrické materiály, které jsou plně na organické bázi, jsou lehké, ohebné a s možností vysokoelastické deformace. Děje se tak řízenou úpravou elektronických vlastností plniva, například uhlíkových nanotrubiček, za použití chemické funkcionalizace, popřípadě plazmou asistované úpravy. Takto dochází k modifikaci polovodičového charakteru plniva z pohledu koncentrace přenašečů náboje, které se stává více p nebo n. Sestavené organické termočlánky pak generují termoelektrické napětí při vložení teplotního rozdílu na studený a teplý konec.

Annotation:

Composite materials based on a polymer matrix can be used as voltage generators by the principles of piezoelectric or thermoelectric effects. The first is the generation of electric potential when applying mechanical stress, the second principle is the generation of electric current in the presence of a temperature difference between the parts of the composite. These can then be used effectively as generators of electrical energy, to collect it in order to signal detection when inserted stimulus as a mechanical stress or temperature difference, or to power less energy-intensive systems.

PVDF (polyvinylidene difluoride) and its copolymers are the most promising piezoelectric polymers in sensors, actuators, and energy harvesting, owing to a repetitive structure −[𝑪𝑯𝟐 − 𝑪𝑭𝟐 ]𝒏 − and 50% crystalline.

Combinations of polymer composite containing electrically conductive fillers can create novel thermometric materials that are completely organic based, are lightweight, flexible and stretchable. This is done by controlled modification of the electronic properties of the filler, e.g., carbon nanotubes, using chemical functionalization or plasma assisted treatment. Thus, there is a modification of the semiconducting nature of the fillers in terms of the concentration of charge carriers, which are becoming more p or n. Assembled organic thermocouples then generate thermoelectric voltages when inserting the temperature difference between cold and warm ends.

Požadavky na studenta:
Znalosti na úrovni ukončeného VŠ studia (Mgr., Ing.) technického typu, základy anglického jazyka na komunikační úrovni.
Requirements:
Finished university studies in a degree of MSc. or Ing. of technical type, basic ability to communicate in English language.
Literatura/Literature:
1.      Prasad P., Durga  J.H. Multifunctional films of poly(vinylidene fluoride)/ZnFe2O4 nanofibers for nanogenerator applications. Journal of Alloys and Compounds. 2021, 854, 2020, Article Number: 157189

2.      Khan F., Kowalchik T., Roundy S., R. Warren. Stretching-induced phase transitions in barium titanate-poly(vinylidene fluoride) flexible composite piezoelectric films. Scripta Materialia. 2021, 193, 64-70,  Article Number: 2020.10.036.

3.      Makarova LA., Alekhida Yu.A., Daisaev M.F.Khairullin N., PEROV N.S.. Tunable layered composites based on magnetoactive elastomers and piezopolymer for sensors and energy harvesting devices. Journal of Physics D: Applied Physics. 54(1), 2021,

4.      Slobodian, P. Riha, R. Olejnik, R. Benlikaya. Analysis of sensing properties of thermoelectric vapor sensor made of carbon nanotubes/ethylene-octene copolymer composites. Carbon 110, 2016, 110 257-266.

5.      Slobodian P., Riha P., Olejnik R., Kovar M., Svoboda P., Thermoelectric Properties of Carbon Nanotube and Nanofiber Based Ethylene-Octene Copolymer Composites for Thermoelectric Devices, J Nanomater (2013), Article Number:792875.

6.      Kaczmarek H., Królikowski B., Klimiec E., Chylińska M., and Bajer D. Advances in the study of piezoelectric polymers. Russ. Chem. Rev., vol. 88, no. 7, pp. 749–774, 2019.

Faculties and departments

Close