26839

مدلسازي و بررسي عملكرد برداشت انرژي الكتريكي با تلفيق اثر پليمر و آلياژ حافظه دار و اثر پيزوالكتريك پليمر PVDF

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1398-1401

1401/02/26

محمدجواد اشرفي

مهندسي مكانيك

اخيراً برداشت انرژي از منابع موجود در محيط اطراف براي به كار گيري تجهيزات با توان پايين، مورد توجه زيادي قرار گرفته است. آلياژهاي حافظه دار (SMA) دسته اي از مواد هوشمند هستند كه اثر حافظه شكلي و رفتار سوپرالاستيسيته دارند كه باعث مي‌شود طي يك چرخه حرارتي يا چرخه تنشي به شكل اوليه تعريف شده خود بازگردند. دسته اي ديگر از انواع مواد هوشمند مواد پيزوالكتريك هستند كه توانايي تبديل مستقيم انرژي مكانيكي به انرژي الكتريكي را دارند. در اين پژوهش، بررسي عددي برداشت انرژي از يك تير يك سر گيردار متشكل از دو يا سه لايه صورت مي‌گيرد كه لايه ها داراي خاصيت حافظه داري و پيزوالكتريك مي‌باشند. اين بررسي با استفاده از نرم افزار آباكوس انجام مي‌شود. عواملي چون پيش كرنش، ماكسيمم دما در يك چرخه حرارتي، ضخامت لايه آلياژ حافظه دار، نوع ماده پيزوالكتريك و نحوه تركيب بندي لايه ها مورد بررسي قرار مي‌گيرند. همچنين اثر حافظه داري يك طرفه و دو طرفه با يكديگر مقايسه خواهند شد. خروجي هاي مورد نظر جهت مقايسه ولتاژ، كرنش تغيير فاز و تنش مي باشند. نتايج نشان مي دهند هنگامي كه تنها اثر پيزوالكتريك و حافظه داري آلياژ حافظه دار با يكديگر تركيب مي‌شوند، در حالت يك طرفه در پيش كرنش هاي كوچك (0.2%)، تحت بارگذاري حرارتي تبديل فازي در قطعه صورت نخواهد گرفت و ولتاژي به عنوان خروجي نخواهيم داشت اما در حالتي كه آلياژ حافظه دار دوطرفه داشته باشيم بدون اعمال پيش كرنش هم ولتاژ خروجي خواهيم داشت. از طرفي در پيش كرنش هاي بزرگ تر مانند 1% و 2%، با افزايش ماكسيمم دما در يك چرخه حرارتي، ولتاژ خروجي بيشتري به دست مي‌آيد. همچنين مشاهده مي‌شود هرچه ضخامت لايه آلياژ حافظه دار بيشتر باشد ولتاژ خروجي بيشتر خواهد شد. ولتاژ خروجي نيز هنگامي كه از پليمر پلي وينيليدين فلوئوريد (PVDF) استفاده شود 4 برابر حالتي خواهد بود كه از تيتانات زيركونات سرب (PZT) استفاده ‌شود. علاوه بر آن حالتي كه تنها تركيب پليمر حافظه دار و ماده پيزو الكتريك وجود داشته باشد نيز مورد بررسي قرار مي‌گيرد و مشاهده مي‌شود در حالتي كه ماده پيزوالكتريك PVDF باشد ولتاژ خروجي حدوداً 11 برابر حالتي است كه از PZT استفاده شود. در پايان نيز حالتي كه هر سه اثر حافظه داري آلياژ و پليمر حافظه دار و پيزوالكتريك با يكديگر تركيب شوند بررسي مي‌شود و مشاهده مي‌كنيم كه در اين حالت ولتاژ خروجي از تمامي حالاتي كه پيش از آن بررسي شده اند بيشتر مي‌شود.

1401/05/27

Thermal energy harvesting in a composite beam using shape memory effect of alloy and polymer and piezoelectric effect of PVDF

5/16/2023 12:00:00 AM

Shape memory alloys (SMA) exhibit shape memory effect (SME), allowing the alloy which is upon a cyclic thermal loading to return to its original shape after heating beyond the transformation temperature. Piezoelectric materials (PM) also have the ability to convert mechanical strain into electrical voltage or current. In this work, a thermal energy harvesting structure is analyzed numerically. The structure is a composite cantilever beam, comprising of two or three layers, i.e., SMA, PM and shape memory polymer (SMP). The beam is subjected to different fluctuating temperature ranges, and then we obtain results about energy harvesting performance such as phase transformation strain, output voltage and stress. In this regard, the effect of pre-strain and two types of SMAs, i.e., one-way and two-way SMAs are compared with each other in a particular thermal loading. Moreover, the effect of SMA thickness layer on output voltage has been investigated. Regarding the results, we conclude that for larger pre-strains, the higher the maximum temperature is applied, the greater piezoelectric voltage and higher phase transformation strains are derived. But for a small pre-strain (0.2%), no phase transformation and no output voltage is observed. Furthermore, it is concluded that in a thermal loading by using two-way SMAs, electrical potential can be derived without any pre-strain, and in this situation, increasing the thickness of SMA can rise output voltage remarkably. Furthermore, in a situation in which polyvinylidene fluoride (PVDF) is used, output voltage is 4 times higher than using PZT as piezoelectric. In addition, when shape memory polymer is coupled with piezoelectric, using PVDF can induce voltage about 33 V which is 11 times higher than using PZT in such configuration. Finally, a configuration in which shape memory effect of SMA and SMP and piezoelectric effect are combined with each other is studied. Results from this configuration show that output voltage is higher than another.

برداشت انرژي، آلياژ حافظه دار، اثر حافظه شكلي دو طرفه، پيش كرنش، پليمر پلي وينيليدين فلوئوريد، پليمر حافظه دار

shape memory alloy, piezoelectric material, energy harvesting, shape memory polymer, two-way shape memory effect, pre-strain, PVDF

razie mohamadi

mohammad javad ashrafi