Projekti / Programi
Feroelektrični keramični plastni elementi z načrtovano domensko strukturo za učinkovito zbiranje in za pretvorbo energije
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.01 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Materiali za elektronske komponente |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
elektrokaloriki, mikroelektromehanski sistemi, keramika, pretvorba energije, zbiranje energije,
Raziskovalci (25)
Organizacije (3)
Povzetek
Zahteve po multifunkcionalnosti, uporabi okolju prijaznih materialov in procesov, manjši porabi energije se pridružujejo klasičnim zahtevam elektronike, kot so miniaturizacija, večja učinkovitost, zanesljivost, kompleksnost elektronskih komponent. To se odraža tudi v iskanju keramičnih materialov z odličnimi, ponovljivimi in stabilnimi funkcijskimi lastnostmi. Keramični feroelektriki in relaksorski feroelektriki s perovskitno strukturo izkazujejo odlične dielektrične, feroelektrične, piezoelektrične lastnosti, zaradi česar jih uporabljamo kot kondenzatorje, senzorje, aktuatorje ali pretvornike, tudi za piezoelektrično zbiranje energije; v zadnjih letih se odpira možnost uporabe v elektrokalorični hladilni tehniki.
Naš namen je pripraviti demonstratorje za dve skupini uporab: za učinkovito piezoelektrično zbiranje energije in za pretvorbo energije s pomočjo elektrokaloričnega pojava. Materiali, ki izkazujejo optimalne piezoelektrične ali elektrokalorične lastnosti so podobni po kemijski sestavi, gre za kompleksne perovskitne spojine ali trdne raztopine. Obravnavali bomo tako materiale z dobrimi piezoelektričnimi lastnostmi, primerne za zbiranje energije, kot materiale, ki izkazujejo veliko elektrokalorično spremembo temperature v območju blizu sobne temperature in so primerni za uporabo v hladilni tehniki. Pri obeh skupinah uporabe imajo keramični elementi podobno geometrijo v obliki tankih plošč s čim večjo aktivno površino feroelektrika pod elektrodama. Da bi dosegli večjo učinkovitost oziroma manjše delovne napetosti, bomo uporabili večplastne elemente, pripravljene s tehnologijo nalivanja, pri čemer je debelina posamezne plasti veliko manjša kot debelina elementa iz volumenske keramike.
Zaradi skrbi za okolje se bomo v projektu posvetili raziskavam kompleksnih perovskitov brez svinca, učinkovite svinčeve feroelektrike bomo obravnavali za primerjavo. Raziskali bomo ali in kako metoda sinteze prahu, mehanokemijska sinteza ali sinteza v trdnem stanju, vpliva na elemente mikrostrukture, predvsem na domensko strukturo izbranih materialov in posledično na funkcijske lastnosti. Izbrane funkcijske lastnosti izbranih materialov bomo optimizirali z načrtovanjem domenske strukture. S tehnologijo nalivanja bomo pripravili večplastne elemente keramičnih materialov izbranih sestav in jih uporabili za izdelavo dveh demonstratorjev: vibracijskega elementa za piezoelektrično zbiranje energije in hladilnih elementov za pretvorbo energije z elektrokaloričnim pojavom.
Pomen za razvoj znanosti
Perovskitni feroelektriki in relaksor-feroelektriki so materiali neizmernih možnosti, saj izkazujejo vrsto lastnosti, ki jih lahko uporabimo v vsakdanjem življenju. V projektu se osredotočamo na preučevanje perovskitnih materialov z dvema skupinama funkcijskih lastnosti, elektromehanskih in elektrokaloričnih. Ti materiali primerni za uporabo v zbiranju energije in pri elektrokaloričnem hlajenju oz. Izboljševanje učinkovitosti perovskitnih feroelektrikov običajno dosežemo s kemijsko modifikacijo oziroma dopiranjem. V našem projektu bomo raziskali, ali in kako izbira metode sinteze vpliva na mikrostrukturne deskriptorje, posebno na domensko strukturo kompleksnih perovskitnih materialov, in posledično na njihove funkcijske lastnosti. Slednje bomo raziskovali na nanometrski ravni, predvsem s piezoelektričnim modulom mikroskopa na atomsko silo, in z makroskopskimi električnimi meritvami. Razumevanje med pripravo materialov in njihovimi funkcijskimi lastnostmi bo pripomoglo k izdelavi učinkovitih demonstratorjev, elementov za zbiranje energije in elektrokaloričnih hladilnih elementov.
Rezultate raziskovalnega projekta nameravamo objaviti v znanstvenih revijah z velikim faktorjem vpliva in jih predstaviti na domačih in mednarodnih znanstvenih srečanjih. V projekt bomo vključili tudi študente, ki bodo sodelovali pri znanstvenih raziskavah s področja funkcijskih materialov kot tudi pri izdelavi učinkovitih demonstratorjev.
V okviru predlaganega projekta bomo torej pripravili in karakterizirali funkcijske materiale, študirali bomo predvsem povezave med pogoji priprave materiala, njegovimi mikrostrukturnimi in funkcijskimi lastnostmi. Omeniti je namreč potrebno, da povezave med mikrostrukturo, dinamiko feroelektričnih domen in elektrokaloričnimi lastnostmi materiala v znanstveni srenji še niso raziskane, torej bo naše delo ključen prispevek k svetovni znanosti. Naredili pa bomo še več, k stroki bomo prispevali tudi z izdelavo inovativnih demonstratorjev.
Pomen za razvoj Slovenije
Cilj projekta je pripraviti keramične večplastne elemente za učinkovito zbiranje in za pretvorbo energije na osnovi okolju prijaznih materialov. Obe področji uporabe sta za našo družbo, v kateri se čedalje bolj zavedamo pomena pomanjkanja tradicionalnih virov energije in skrbi za okolje, pomembni. Zbiranje energije s pomočjo piezoelektričnega pojava na primer omogoča izkoriščanje vibracij. Pokazana učinkovitost elektrokalorikov v hladilni tehniki bi razširila možnosti uporabe na različnih področjih, od mikroelektronike za hlajenje vezij, mikrorobotike do hladilnih naprav, primernih za gospodinjstvo.
Nekateri člani projektne skupine iz IJS smo s kolegi s Strojne fakultete Univerze v Ljubljani avtorji evropske in ameriške patentne prijave (družbeno-ekonomski dosežek št. 1), ki smo jo v letu 2016 prodali podjetju Gorenje. S kolegi iz industrije smo vključeni v Strateško razvojno inovacijsko partnerstvo v okviru Strategije pametne specializacije.
Sofinancer projekta podjetje KEKO Oprema je proizvajalec opreme za izdelavo večplastnih komponent, zanima ga pa tudi možnost izdelave elementov s to tehnologijo. Letošnja direktiva Evropske skupnosti (ROHS) nedvoumna, čas za zamenjavo komercialno najbolj razširjene svinčeve piezokeramike z okolju bolj prijaznimi materiali je omejen na 3 leta. Elektrokaloričnih hladilnih elementov zaenkrat še ni na trgu, zato zanesljivo predstavljajo tržno nišo za podjetje. Čas za razvoj piezoelektričnih in elektrokaloričnih plastnih elementov brez svinca z izboljšanimi lastnostmi je torej pravi.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
