Nyt måleudstyr forstærker forskning i elektromekanisk konvertering

mandag 24 sep 18

Kontakt

Astri Bjørnetun Haugen
Forsker
DTU Energi
21 56 09 19

DTU Energi har for nyligt startet forskning i elektrostriktive, piezoelektriske, dielektriske og ferroelektriske materialer. Nyt udstyr gør forskningen nemmere og øger muligheden for undervisning indenfor feltet.

Elektromekanisk konvertering er et nyetableret forskningsområde på DTU Energi, som inkluderer forskning i elektrostriktive, piezoelektriske, dielektriske og ferroelektriske materialer. Det er alle sammen materialer, der udgør standardkomponenter i elektriske aktuatorer, sensorer, transducere og kondensatorer.

Piezoelektriske materialer kan eksempelvis generere meget små mængder elektricitet i mikrowatt-milliwatt området ved at blive trukket ud eller trykket sammen, og gennem vibrationer fra bygninger og menneskelig bevægelse. Hvilket gør piezoelektriske materialer uhyre velegnede til f.eks. præcise og hurtige måleudstyr samt til at høste små mængder energi til sensorer inde i menneskekroppen eller andre steder, hvor det er upraktisk at have og skifte batterier.

”Piezoelektriske materialer bruges til et væld af akustiske apparater, høreapparater, ultralydsapparater og som accelerationssensorer til f.eks. airbags, hvor et kraftig ændring i acceleration, som når en bil kører ind i noget og stopper meget brat, kan få materialet til at udløse airbaggen”, forklarer forsker Astri Bjørnetun Haugen, DTU Energi.

"DTU Energi har forsket i keramiske materialer i årtier, og vi har stor viden om keramik, men vi har ikke haft aktiviteter eller særligt fokus på disse materialer før nu"
Astri Bjørnetun Haugen, forsker, DTU Energi

Sammen med virksomheden Meggitt A/S i Kvistgaard arbejder DTU Energi ved hjælp af et ErhvervsPhD-projekt nu på at finde blyfrie og miljøvenlige piezoelektriske materialer, og de piezoelektriske materialer er ikke de eneste, der nyder godt af det nye udstyr. Frem over kan forskerne også undersøge for nye blyfrie elektrostritive materialer som alternativ til piezoelektriske og ferroelektriske materialer til kapacitatorer.

”DTU Energi har forsket i keramiske materialer i årtier, og vi har stor viden om keramik, men vi har ikke haft aktiviteter eller særligt fokus på disse materialer før nu”, forklarer Astri Bjørnetun Haugen.

DTU Energi har længe rådet over state-of-the-art faciliteter inden keramisk processering, men har måttet investere i måle- og forskningsudstyr for de nye materialer. Nu opruster DTU Energi i det rette udstyr med økonomisk bistand fra bl.a. Brødrene Hartmanns Fond, Siemensfonden og H.C. Ørsteds Fond. Hvilket gør forskningsinstituttet i stand til at udvide forskningen og samtidig lave undervisning og studenterprojekter.

”Vi har med fondenes hjælp anskaffet både et d33-meter og en større ferroelektrisk karakteriseringsmodul (aixPES) der kan påføre høj elektrisk spænding, og vi er ved at anskaffe en vigtig opgradering til det sidste i form af et laserinterferometer”, fortæller Astri Bjørnetun Haugen.

Det ferroelektriske karakteriseringsmodul gør forskerne i stand til at undersøge, hvordan materialers elektriske polarisation udvikler sig, når man påfører et elektrisk felt, og se de karakteristiske ferroelektriske hysteresekurver. Det er også nødvendigt at påføre et elektrisk felt for at gøre et materiale piezoelektrisk aktivt, så man bagefter kan måle den piezoelektriske koefficient d33. Når man der placerer prøven mellem to klemmer og påfører et tryk, skaber denne mekaniske deformation elektriske ladninger på overfladerne af prøven, og fra styrken af disse kan materialeparameteren d33 aflæses direkte af d33-meteret. Snart vil der også blive mulighed for at måle den inverse piezoelektriske effekt – mekanisk deformation under elektrisk felt- ved forskellige betingelser (temperatur, elektrisk feltstyrke) med 0.3 nm opløsning ved hjælp af laserinterferometeret. På den måde supplerer de to instrumenter hinanden og skaber nemt og relativt hurtigt et overblik over det valgte materiales piezoelektriske egenskaber. De gør det også muligt at involvere studerende i forskningen.

”Succesfulde studenterprojekter kræver, at vi har udstyr og faciliteter på plads, da deres tid er begrænset, og det er svært at koordinere at sende prøver til karakterisering ved samarbejdspartnere. Derudover virker det motiverende, når de studerende får adgang til udstyr, der er nemt at bruge, og hvor deres målinger rent faktisk kan bruges i forskningen”, siger Astri Bjørnetun Haugen, som udpeger de to nyanskaffede måleinstrumenter som velegnede til det.

Elektromekanisk konvertering

Materialer, der kan ændre form eller volumen, når de udsættes for et elektrisk felt, har vigtige anvendelser til aktuatorer og sensorer i mange forskellige sammenhænge; og de kan endda anvendes til kunstige muskler. De mest anvendte materialer indeholder imidlertid det giftige grundstof bly. På DTU Energi forsker vi i nye elektromekaniske materialer, som ikke indeholder skadelige grundstoffer. En særligt interessant gruppe af materialer er de såkaldte defekt-oxider, dvs. oxider som indeholder et stort antal defekter i form af iltvakancer i deres krystalgitter.

DTU Energis hovedfokus er på funktionelle metaloxider til brug for konvertering af mekanisk energi til elektricitet (og omvendt), men andre anvendelser er også mulige. Forskningen bygger på den store viden om keramiske materialer og fremstillingsprocesser. I øjeblikket er instituttets aktiviteter mest inden for materialeudvikling og fremstillingsmetoder.

En aktuator er en type af motor til at bevæge eller styre en mekanisme eller et system. Aktuatoren fungerer med en energikilde, sædvanligvis i form at elektrisk energi, hydraulisk trykforskel eller pneumatik trykforskel - og omsætter denne energi til en eller anden slags mekanisk bevægelse.

En elektrisk kondensator er en elektronisk komponent, der er indrettet til at have en vis elektrisk kapacitet (fysisk størrelse som måles i farad) – en evne til (på kort sigt) at opbevare en vis mængde elektrisk energi.

En sensor er et apparat, som reagerer på en fysisk påvirkning og som reaktion giver et signal. Mange sensorer i dag giver et elektrisk signal fra sig. En sensor er en delmængde af transducerne. Eksempler på sensortyper: lyssensorer lydsensorer

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.