Edistykselliset pietsosähköiset komposiitit: kehitys ja ominaisuudet

Väitöstyössä tutkittiin ja kehitettiin kahdentyyppisiä pietsosähköisiä materiaaleja: painettavia taipuisia keraami-polymeerikomposiitteja sekä jopa huoneenlämpötilassa valmistettavia täyskeraamikomposiitteja.

Pietsosähköiset materiaalit ovat erittäin monikäyttöisiä, sillä niillä voidaan muuntaa mekaanista energiaa sähköiseksi energiaksi ja päinvastoin. Niitä käytetään erilaisissa antureissa, aktuaattoreissa sekä energiakeräimissä. Tutuimmat pietsosähköisten komponenttien käyttökohteet löytyvät esimerkiksi summereista, ultraäänikuvannuksesta, kamerojen kuvanvakauttimista tai ajoneuvojen tutkista.

Väitöstyössä kehitettiin pietsosähköinen komposiittimuste, mistä valmistettiin taipuisia palkkirakenteita painomenetelmillä. Tutkimuksessa havaittiin, että optimoimalla komposiitin koostumusta ja painettujen rakenteiden alustan jäykkyyttä, voitiin niiden pietsosähköisiä ominaisuuksia parantaa merkittävästi menettämättä kuitenkaan rakenteen joustavuutta. Koostumuksen optimoinnissa säädettiin keraamisen täyteaineen määrää ja pinnoituslisäainetta. Alustarakenteen jäykkyyttä muutettiin lisäämällä polymeerikalvoon ohut metallikerros tai korvaamalla se erilaisilla ohuilla metallikalvolla.

Täyskeraamikomposiittien tutkimuksessa kehitettiin uutta erittäin matalan lämpötilan valmistusmenetelmää (”upside-down” -menetelmä) soveltaen sitä ensi kertaa pietsosähköisille materiaaleille. Menetelmä mahdollisti valmistuslämpötilan laskemisen perinteisten täyskeraamikomposiittien 800–1000 °C lämpötilasta aina huoneenlämpötilaan asti. Matalin lämpötila saavutettiin vesiliukoisella keraamisella sideaineella. Toisella, organotitanaatti -sideaineella, valmistuslämpötila oli alimmillaan 300 °C. Molemmilla täyskeraamikomposiiteilla saavutettiin jopa korkeassa lämpötilassa valmistettuihin materiaaleihin verrattavat pietsosähköiset ominaisuudet. Vastaavan suorituskyvyn pietsosähköisiä komposiitteja ei ole aiemmin onnistuttu valmistamaan näissä lämpötiloissa. Täyskeraamikomposiitista tehtiin myös kiihtyvyysanturin prototyyppi, jonka herkkyys vastasi samantyyppisten kaupallisten anturien arvoja.

Kokonaisuudessaan väitöstutkimuksessa saavutetut tulokset viitoittavat tietä uusille printattaville pietsosähköisille komposiittimateriaaleille- ja niiden rakenneratkaisuille mitkä laajentavat pietsosähköisten materiaalien sovelluksia ja käyttömahdollisuuksia. Lisäksi, kehitetty menetelmä tuo uusia näkökulmia täyskeraamikomposiittien ympäristöystävällisyyteen, erityisesti energiansäästön suhteen, saavuttaen samalla suuren suorituskyvyn.