Desarrollo de materiales compuestos flexibles cerámicos/polímeros ferroélectricos para el cosechamiento de energía eléctrica

Abstract

Los materiales compuestos están en pleno auge en el campo de la investigación debido a su importancia tecnológica, con aplicaciones que van desde productos cotidianos hasta otras de nicho como la miniaturización de dispositivos electrónicos y cosechadores de energía. La esencia de un material compuesto es combinar las propiedades de dos o más fases química y físicamente diferentes, lo que da como resultado un nuevo material con atractivas propiedades. En particular, los compuestos basados en cerámicos-poliméricos han recibido gran atención. En efecto, las propiedades de estos compuestos se pueden adaptar utilizando diferentes cerámicas ferroeléctricas como cargas y diferentes polímeros como matriz para lograr las mejores propiedades eléctricas en comparación con las fases individuales. Con respecto a las cerámicas ferroeléctricas, las más importantes se basan en zirconatos de plomo y titanatos de plomo debido a sus buenas propiedades, sin embargo, se han planteado preocupaciones ambientales debido a su contenido de plomo buscando así alternativas para sustituirlas produciéndose de esta manera materiales ferroeléctricos "libre" de este material. Entre éstos se cuentan las cerámicas Titanato zirconato de bario - Titanato zirconato de calcio (BZT-BCT) y Niobato de antimonio potasio y sodio - Zirconato de sodio bismuto y potasio (KNNSBNKZ) los cuales son sistemas ferroeléctricos libres de plomo con una estructura de perovskita que presenta buenas propiedades piezoeléctricas, ferroeléctricas y electromecánicas. Por otro lado, entre los polímeros, el polifluoruro de vinilideno (PVDF) y el polidimetilsiloxano (PDMS) cuentan con un número importante de aplicaciones y de investigaciones. Esto se debe a su alta elasticidad, flexibilidad, alta resistencia mecánica en el caso del PDMS y a su alta constante dieléctrica en el caso del PVDF. Es así como, en este trabajo de tesis se estudia el efecto del método de fabricación comparando el mezclado por solución y el mezclado por fundido a través de un reómetro de torque (extrusión). Además, se estudió el efecto de dos cerámicas BZTBCT y KNNS-BNKZ embebidas en una matriz de PVDF y PDMS, con el fin de comparar propiedades estructurales, dieléctricas, piezoeléctricas y capacidad de generación de energía eléctrica