بخشی از مقاله
چکیده
اخیرا نانوالیاف انعطاف پذیر PVDF با ضریب تبدیل الکترومکانیکی بالا کاربرد گستردهاي در زمینه نانوحسگرهاي پیزوالکتریک پیدا کردهاند. در این تحقیق، با بهره گیري از روش المان محدود و استفاده از نرم افزار شبیه سازي کامسول، عملکرد الیاف PVDF در نقش حسگر پیزوالکتریک بررسی شد. سلول واحد شبیه سازي عبارت است از لیف یک سر گیردار PVDF محصور در فضاي مشخصی از هوا که از سر آزاد آن تحت نیروي فشاري 10 kPa قرار گرفته است. ولتاژ تولیدي این المان 5/3 ولت بود. در ادامه به کمک تحلیل عددي، اثر افزودن ترکیب درصدهاي مختلف حجمی از CNT بر کارایی الیاف نانوکامپوزیتی PVDF/CNT شبیه سازي شد. نتایج حاکی از رشد %20 ولتاژ تولیدي الیاف PVDF در حضور %2/5 حجمی از نانولولههاي کربن است.
-1 مقدمه
حسگرهاي پیزوالکتریک توانایی تولید انرژي الکتریکی از حالات مختلف انرژي مکانیکی را دارند. هر چند افزایش ضریب تبدیل الکترومکانیکی یا بهبود شدت ولتاژ تولیدي همواره چالش پیشروي محققان این زمینه بوده ا ست. جنس و نحوه ساخت حسگرهاي پیزوالکتریک دو فاکتور اساسی در تعیین میزان ضریب تبدیل الکترومکانیکی حسگرهاي پیزوالکتریک است .[1] در میان مواد پیزوالکتریک مورد ا ستفاده، پلی وینیلیدین فلوراید - PVDF - با انعطاف پذیري بالا و فرآیند پذیري راحت بی شترین کاربرد را در تولید حسگرهاي پیزوالکتریک دارد.
در میان روشهاي متعدد تهیه حسگرهاي پیزوالکتریک، نانوالیاف الکتروریسی با نسبت منظر بالا گزینه مناسبی براي بهبود بازدهی پیزوالکتریک هستند. نانوحسگرهاي پیزوالکتریک ساخته شده از نانوالیاف PVDF قابلیت تولید ولتاژ الکتریکی حتی از مقادیر کم انرژي مکانیکی از قبیل تغییرات گردش خون، فشار انگشت یا ارتعاشات را دارند .[2] به منظور افزایش ولتاژ تولیدي، از نانوذرات سرامیکی از قبیل BaTiO3 و PZT استفاده شده است.
شکل 1 سلول واحد شبیه سازي نانوالیاف PVDF/CNT و شرایط مرزي اعمالی را نشان میدهد. طول و قطر لیف به ترتیب 16 میکرون و 1 میلیمتر است. فضایی به حجم 45×45×1000 •m3 پیرامون لیف با هوا محصور شده است تا فرآیند شبیهسازي به شرایط واقعی نزدیکتر باشد. فشار 10 kPa به سر آزاد لیف اعمال و سر دیگر آن ثابت، به ولتاژ الکتریکی صفر متصل شده است. خواص پیزوالکتریک، دي الکتریک و مدول الاستیک PVDF و CNT طبق اطلاعات موجود در مراجع به شبیه ساز وارد شد. براي محاسبه خواص نانوکامپوزیت، ضخامت سطح مشترك پلیمر-CNT معادل شعاع نانولولههاي کربن - 10 nm - در نظر گرفته شده است.
-3 نتایج و بحث
اثر حضور نانوذرات CNT در شش ترکیب درصد حجمی 0، 0/25، 0/5، 1، 1/5 و 2/5 و در قالب 6 اجرا بر ولتاژ پیزوالکتریک تولیدي الیاف PVDF بررسی شد. شکل -2الف توزیع ولتاژ تولیدي نسبت طول تک لیف PVDF در حضور %2/5 حجمی از CNT را نشان میدهد. همچنین شکل الحاقی نیز خم شدن سر آزاد سلول واحد تحت فشار اعمالی را به تصویر کشیده است. با خم شدن سر آزاد لیف، ولتاژ در فاصلهاي بسیار نزدیک به سر گیردار لیف بیشینه میشود. سپس با فاصله گرفتن از سر گیردار لیف پیک ولتاژ از بین رفته، شدت ولتاژ تولیدي به صفر نزدیک میشود.
شکل -2ب تاثیر CNT بر خروجی حسگر لیف PVDF را نشان میدهد . در پاسخ به ولتاژ تولیدي 10 kPa، لیف خالص PVDF ولتاژي به بزرگی 5/3 ولت تولید میکنند. اما در حضور 0%/25 حجمی از CNT این مقدار به 5/5 ولت افزایش مییابد. با افزایش ترکیب درصد CNT، روند تغییرات ولتاژ پیزوالکتریک صعودي است. هر چند که در ترکیبدرصدهاي بالاي نانوذرات، از شیب افزایش ولتاژ کاسته میشود. بیشینه شدت ولتاژ تولیدي الیاف نانوکامپوزیتی PVDF/CNT در حضور %2/5 حجمی از CNT به دست میآید. این مقدار معادل 6/4 ولت است. نانوذرات CNT از خاصیت پیزوالکتریک بالاتري نسبت به PVDF برخوردارند.
با فرض برهمکنش ایده آل میان CNT و PVDF در فرآیند شبیه سازي و تشکیل سطح مشترك نانولوله کربنی-ماتریس پلیمري، افزایش ترکیب درصد CNT منجر به بهبود خروجی حسگر میشود. از طرفی ضریب دي الکتریک CNT نزدیک به 1000 است که نسبت به PVDF با ضریب دي الکتریک 15-10 به مراتب بالاتر است. از آنجایی که ضریب دي الکتریک برخلاف خروجی حسگر عمل میکند، در ترکیب درصدهاي بالا از CNT ، به دلیل رشد بی رویه ضریب دي الکتریک، از سرعت رشد ولتاژ تولیدي کم میشود تا جایی که حتی روند تغییرات نزولی میشود.
-4 نتیجهگیري
بازدهی پیزوالکتریک حسگرهاي طراحی شده از لیف نانوکامپوزیتی یک سرگیردار PVDF/CNT مورد بررسی قرار گرفت. تحت فشار اعمالی 10 kPa به سر آزاد المان، ولتاژي در محدوده 5/3 تا 6/4 ولت به ترتیب در حضور 0 تا %2/5 حجمی از CNT تولید شد. شبیهسازيها نشان میدهد که بیشینه ولتاژ تولیدي در سر گیر دار الیاف تولید میشود. نتایج تجربی ارائه شده توسط سایر محققان نیز بهبود عملکرد حسگرهاي پیزوالکتریک در حضور نانولولههاي کربن را تایید میکند.
