Composites piézoélectriques avec fibres de carbone pour capteurs de mouvement

Un groupe de recherche international a conçu un nouveau dispositif flexible à haute résistance en combinant des composites piézoélectriques avec de la fibre de carbone unidirectionnelle (UDCF), un matériau anisotrope qui fournit une résistance uniquement dans la direction des fibres. Le nouveau dispositif transforme l'énergie cinétique du mouvement humain en électricité, fournissant ainsi un moyen efficace et fiable pour les capteurs à haute résistance et auto-alimentés.

Les détails des recherches du groupe ont été publiés dans la revue Petit le 14 décembre 2023.

La diction du mouvement implique la conversion de l'énergie du mouvement humain en signaux électriques mesurables et constitue un élément crucial pour garantir un avenir durable.

“Les objets du quotidien, des équipements de protection aux équipements sportifs, sont connectés à Internet dans le cadre de l'Internet des objets (IoT), et beaucoup d'entre eux sont équipés de capteurs qui collectent des données”, explique Fumio Narita, co-auteur de l'étude. et professeur à la Graduate School of Environmental Studies de l'Université de Tohoku. “Et l'intégration efficace de ces appareils IoT dans les équipements personnels nécessite des solutions innovantes en matière de gestion de l'énergie et de conception des matériaux pour garantir durabilité et flexibilité.”

L'énergie mécanique peut être utilisée grâce à la capacité des matériaux piézoélectriques à générer de l'électricité lorsqu'ils sont physiquement sollicités. Parallèlement, la fibre de carbone se prête aux applications dans les industries aérospatiale et automobile, dans les équipements sportifs et médicaux en raison de sa durabilité et de sa légèreté.

“Nous nous sommes demandés si les équipements de protection individuelle, rendus flexibles par une combinaison de fibre de carbone et d'un composite piézoélectrique, pouvaient offrir confort, plus de durabilité et des capacités de détection”, explique Narita.

Le groupe a fabriqué le dispositif en utilisant une combinaison de nanoparticules de tissu en fibre de carbone unidirectionnelle (UDCF) et de niobate de potassium et de sodium (KNN) mélangées à de la résine époxy (EP). L'UDCF servait à la fois d'électrode et de renfort directionnel.

Le dispositif dit UDCF/KNN-EP a répondu à ses attentes. Les tests ont révélé qu'il pouvait maintenir des performances élevées même après avoir été étiré plus de 1 000 fois.

Il a été prouvé qu'il peut supporter une charge beaucoup plus élevée lorsqu'il est tiré dans le sens des fibres par rapport à d'autres matériaux flexibles. De plus, lorsqu'il est soumis à des impacts et à un étirement perpendiculaire à la direction des fibres, il surpasse les autres polymères piézoélectriques en termes de densité de production d'énergie.

Les réponses mécaniques et piézoélectriques de l'UDCF/KNN-EP ont été analysées à l'aide de simulations multi-échelles en collaboration avec le groupe du professeur Uetsuji de l'Institut de technologie d'Osaka.

L’UDCF/KNN-EP contribuera à propulser le développement de capteurs IoT flexibles et auto-alimentés, conduisant à des dispositifs IoT multifonctionnels avancés.

Narita et ses collègues sont enthousiasmés par les avancées technologiques de leur avancée.

“CF/KNN-EP a été intégré dans un équipement sportif et a détecté avec précision l'impact de la capture d'une balle de baseball et la fréquence des pas d'une personne. Dans notre travail, la haute résistance des CF a été exploitée pour améliorer la durabilité et la fiabilité des capteurs sans batterie tout en maintenant leur extensibilité directionnelle et fournit des informations et des conseils précieux pour les recherches futures dans le domaine de la détection de mouvement.