XIII. Uluslararası İzmir Tekstil ve Hazır Giyim Sempozyumu
2-5 Nisan 2014
PİEZOELEKTRİK LİFLERİNDEN ÜRETİLMİŞ ELEKTRİĞİN
ÖLÇÜLMESİ
SavvasVassiliadis1, DimitraMatsouka2, ClioVossou1, KleanthisPrekas1, SteliosPotirakis1,
Navneet Soin2
1
Department of Electronics, TEI Piraeus, 250, PetrouRallikaiThivon str., 12244, Athens, Yunanistan
2
University of Bolton,Deane Road, Bolton, BL3 5AB, İngiltere
[email protected]
Piezoelektrik etki mekanik yüklere tabi bazı malzemelerde elektrik yükü üretiminde oluşan ve
üzerinde çok çalışılan bir olgudur. Piezoelektrik gösteren malzemeler ya kristaller (ör.
Kuvars, Kurşun zirconatetitanate (PZT), vb) veya polimerler (ör. Polyvinylodifloride (PVDF),
Polipropilen (PP), vb) olabilir. Polimerlerde piezoelektrik etki Kawai tarafından, ilk olarak
PVDF üzerinde, 1969’da gözlenmiştir [1]. Seramiklerde piezoelektrik mekanizması bir
elektrik alanı uygulandığında birbirlerini iten ve çeken iç içe geçmiş olan uzun zincirli
moleküller bağıntılı ise polimerlerde etki, bütün kristal yapısını içerir [2] ve kristallerde
gözlenenden daha güçlü olduğu görülmüştür.
Şimdiye kadar, piezoelektrik malzeme pek çok uygulamada kullanılmaktadır. Özellikle
piezoelektrik polimerler, akıllı tekstil dünyasına sokulabilirler, çünkü seramik piezoelektrik
malzemelerin aksine, esnek liflere dönüşebilirler, Ayrıca, deformasyona duyarlı olan, bir dizi
sensor uygulamalarında yararlı olabilirler. Liflerinin esneklik ve küçük boyutlu olmaları
minyatür sensörler olarak onların şekil veya konforlarını etkilemeden yapılarda veya
giysilerde bulunmalarını mümkün kılmaktadır [3]. Ek olarak, enerji hasat cihazları
piezoelektrik özellikleri olan polimerik malzemelerden yapılmış ince filmlerin kullanımı ile
meydana getirilmiştir [4]. Tekstiller ve enerji hasat cihazlarının birleşimi film ya da liflerden
esnek piezoelektrik malzemelerden akıllı giysiler günlük aktiviteler ile ilişkili mekanik
enerjinin bir kısmını sonradan hasat edebilen kumaşların içine entegre edilebilir.
Polimer piezoelektrik malzemelerin önemi birçok alanda yararlanılabilir gerçeği ile
kanıtlanmış olmasına rağmen, piezoelektrik karakterizasyonu, özellikle bunlar liflerden
oluştuğunda hala bir sorundur. Voltaj yanıt testi gibi piezoelektrik lif yöntemlerin
karakterizasyonu için kullanılmıştır. Bu yöntem, elektrotlar gibi davranan ve liflerden şarj
toplayan iki bakır levha arasına çeşitli liflerin yerleştirilmesi ile kendi voltaj yanıtı için
piezoelektrik liflerin testlerinden oluşmaktadır. Bu yapı, bir darbe test cihazı içine
yerleştirilmiştir ve yapısından voltaj yanıtı dijital bir osiloskop kullanılarak kaydedilebilir [5].
Bir piezoelektrik karakterizasyonu gerçekleştirmek için diğer bir yol, lifin bir ucunu
kıstırılması ve periyodik olarak serbest ucun uyarılarak, lifin kıstırılmış ucunda üretilen voltajı
tepeden tepeye kayıt edilmesidir [6]. Piezoelektrik karakterizasyonu, bir servo-hidrolik
gerilme test makinesi kullanılarak lifin eksenel yönünde dinamik bir gerilmeye lifin tabi
tutulması ile gerçekleştirilmektedir. Liflerden piezoelektrik çıkış voltajı 4 Hz kaydedilmiştir
[7]. Son olarak piezoelektrik malzemeleri test etmek için başka bir yol uyarışları geçiren ve
onun voltaj çıkışını ölçen titreşimli bir yapıya onların monte edilmesidir [8].
Bu makalede, piezoelektrik malzemelerin gücünün ölçülmesi onların piezoelektrik
karakteristikleri için sunulmuştur. Daha detaylı olarak, bir piezoelektrik lifin osilasyonunun
339
XIII. Uluslararası İzmir Tekstil ve Hazır Giyim Sempozyumu
2-5 Nisan 2014
gücünü ölçme yeteneğine sahip yeni bir deneysel kurulum tarif edilmektedir. Bu mekanik
kurulumun sahip olduğu lif kıstırma özelliklerini kullanarak, periyodik eğilme yükleri altında
farklı polimerik piezoelektrik liflerin (PP ve PVDF) uyarılması sırasında üretilen güç
ölçülmektedir. Mekanik kısım piezoelektrik lifler tarafından üretilen voltaj ve akım
sinyallerinin yakalanması için özel olarak tasarlanmış bir elektronik devre tarafından takip
edilir. Zayıf sinyaller başka işlem aşamaları için sayısallaştırılmalarından önce süzülmekte ve
güçlendirilmektedir.
Ölçüm ve sayısal işleme sonuçları bu çalışmada sunulmuştur ve aynı anda da tekstil liflerinin
seviyesinde piezoelektrik etkinin kapsamlı bir şekilde anlaşılmasını desteklemektedir.
Deneysel kurulum elde edilen sonuçların karşılaştırılması hizmetini vererek, liflerin mekanik
uyarılma standardizasyonu ile paralel olarak üretilen sinyallerin yakalanması ve işlenmesinin
karmaşık teknik sorununu çözmektedir.
Anahtar Kelimeler: Piezoelektrik lif, PVDF, Deneysel kurulum seti, Güç ölçümü
KAYNAKLAR
[1] Kawai, H.: The Piezoelectricity of Poly (vinylidene Fluoride), Japanese Journal of Applied
Physics, Vol. 8 (1968) No. 7, pp. 975-976, ISSN: 1882-0778.
[2] Brebbia C.A.: Design and Nature V - Comparing Design in Nature with Science and Engineering,
ISBN: 1845644549, Wessex Institute of Technology, UK and A. CARPI, University of Pisa, Italy,
WIT Transactions on Ecology and the Environment, 2010.
[3] Lund A.: Melt Spun Piezoelectric Textile Fibres - an Experimental Study, PhD thesis, Department
of Materials and Manufacturing Technology, Chalmers University of Technology.
[4] Haagensen D.: Development of a piezoelectric polymer fibre, Diploma work in the Master
Programme, Advanced Engineering Materials, Department of Materials and Manufacturing
Technology, Chalmers University of technology, Göteborg, Sweden, 2010, Report No. 43/2011.
[5] Hadimani1 R L, VatanseverBayramol D , Sion N, Shah T, Qian Limin, Shi Shaoxin and Siores E,
Continuous production of piezoelectric PVDF fibre for e-textile applications, Smart Mater. Struct.22
(2013).
[6] Vassiliadis S., Matsouka D., Potirakis S., Siores E., Measurement of electrical properties of
piezoelectric yarns, 5th International Technical Textiles Congress 7-9 November 2012, Izmir-Turkey.
[7] Nilsson E., Lund A, Jonasson C., Johansson C., Hagström B., Poling and characterization of
piezoelectric polymer fibersfor use in textile sensors, Sensors and Actuators A 201 (2013) 477– 486.
[8] Swallow L M, Luo J K, Siores E., Patel I and Dodds D, A piezoelectric fibre composite based
energy harvesting device for potential wearable applications, Smart Mater. Struct.17 (2008).
340
Download

piezoelektrik liflerinden üretilmiş elektriğin ölçülmesi