Integrated architectures of printed electronics with energy-harvesting capabilities in advanced structural composites

Abstract

In modern times, the ever-increasing human activities require significant energy consumption worldwide. At the same time, many renewable forms of energy present in the environment are not sufficiently exploited (e.g. solar radiation, thermal energy, etc.). In recent decades, multiple innovative properties of smart materials have emerged through nanotechnology, which is a major development in the field of advanced composites. Conventional composite materials refer to reinforcing Carbon or Glass fibers impregnated in polymer matrices [CFRPs or GFRPs respectively - fiber reinforced polymers (FRPs)]. A very interesting approach in the field of composite materials is their hierarchical modification (coating of reinforcing fibers with nanoparticles), which gives a multifunctional character to the final advanced composite materials (electrical, thermal, optical properties, self-diagnosis and energy harvesting capabilities).This PhD dissertation has as its object of study the development of advanced composite materials with the potential to harvest energy from their operating environment. More specifically, it is about the design, development and characterization of advanced composite materials with energy harvesting capabilities after selective hierarchical modification and integration of architectural printed electronic devices into their structure. In the context of achieving the above properties, initially the development of hierarchically modified composite structures with multiple methods of targeted printing (drop-casting, blade-coating), using as reinforcing nanoparticles for the architectural printing allotropic forms of carbon [carbon nanotubes (CNTs)], organic polymers [poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)], nanocrystalline oxides [titanium dioxide (TiO2)], metal complexes (ruthenium dyes) and organic dyes. Essentially, the integration of printed architectures after the hierarchical modification of composites aims to impart electrical, optical and thermal properties to their final structure, using semiconducting thermoelectric and photoactive materials to achieve energy harvesting capabilities. Moreover, since carbon fiber reinforced polymer composites (CFRPs) exhibit approximately metallic conductive behavior with a very efficient work function, they are endowed with their efficient and effective application as an electrode for the development of photovoltaic devices. Regarding thermal energy harvesting, the basic idea is based on the fact that when a structural composite material is exposed to temperature differences (ΔT), through the thermoelectric effect (Seebeck effect) it produces a potential difference (ΔV) inside its structure. In addition, the activation of photovoltaic properties in structural composite materials confers significantly increased energy harvesting properties when exposed to solar radiation, while at the same time, these two energy harvesting properties can work simultaneously. Then, the energy harvested by the advanced composite materials provides them with the possibility of powering electrical circuits and systems in the sectors that are already in widespread use such as aerospace, aeronautics, the automotive industry, maritime, renewable energy sources, etc. Composite materials are ideal for constructions with high mechanical requirements, as they present excellent special properties such as high mechanical strength and low weight. When it comes to high-end construction materials (e.g. aeronautical certification fuselages), the need for their safe operation during their intended lifetime is imperative. Therefore, the state of their structural integrity in real time during their operation with the least possible intervention in their structure, is a very important factor of safety and functionality. Furthermore, the savings achieved through advanced energy harvesting composites to power electronic circuits and systems (e.g. aircraft/car dashboards, structural integrity sensors), as well as their low weight, enable them to greatly reduce the consumption of the media that make them up but also to increase their safe operation.

Στη σύγχρονη εποχή, οι συνεχείς αυξανόμενες ανθρώπινες δραστηριότητες απαιτούν σημαντική κατανάλωση ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο. Ταυτόχρονα, πολλές ανανεώσιμες μορφές ενέργειας που υπάρχουν στο περιβάλλον δεν εκμεταλλεύονται επαρκώς (π.χ. ηλιακή ακτινοβολία, θερμική ενέργεια κ.α.). Τις τελευταίες δεκαετίες, μέσω της νανοτεχνολογίας έχουν αναδειχθεί πολλαπλές καινοτόμες ιδιότητες ευφυών υλικών, γεγονός που αποτελεί μια σημαντική εξέλιξη στον τομέα των προηγμένων σύνθετων υλικών. Ως συμβατικά σύνθετα υλικά αναφέρονται οι ενισχυτικές ίνες άνθρακα ή υάλου εμποτισμένες σε πολυμερικές μήτρες (CFRPs ή GFRPs αντίστοιχα). Μια πολύ ενδιαφέρουσα προσέγγιση στον κλάδο των σύνθετων υλικών αποτελεί η ιεραρχική τροποποίησή τους (επικάλυψη των ενισχυτικών ινών με νανοσωματίδια), η οποία προσδίδει πολυλειτουργικό χαρακτήρα στα τελικά προηγμένα σύνθετα υλικά (ηλεκτρικές, θερμικές, οπτικές ιδιότητες, δυνατότητες αυτοδιάγνωσης και συγκομιδής ενέργειας).Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο μελέτης την ανάπτυξη προηγμένων σύνθετων υλικών με δυνατότητες συγκομιδής ενέργειας από το περιβάλλον λειτουργίας τους. Πιο συγκεκριμένα, πρόκειται για το σχεδιασμό, την ανάπτυξη και το χαρακτηρισμό προηγμένων σύνθετων υλικών με δυνατότητες συγκομιδής ενέργειας έπειτα από την επιλεγμένη ιεραρχική τροποποίηση και ενσωμάτωση αρχιτεκτονικών εκτυπωμένων ηλεκτρονικών διατάξεων στη δομή τους. Στο πλαίσιο επίτευξης των παραπάνω ιδιοτήτων, αρχικά γίνεται η ανάπτυξη ιεραρχικά τροποποιημένων σύνθετων δομών με πολλαπλές μεθόδους στοχευμένης εκτύπωσης (drop-casting, blade-coating), χρησιμοποιώντας ως ενισχυτικά νανοσωματίδια για τις αρχιτεκτονικές εκτύπωσης αλλοτροπικές μορφές άνθρακα [νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs)], οργανικά πολυμερή [poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)], νανοκρυσταλλικά οξίδια [διοξείδιο του τιτανίου (TiO2)], μεταλλικά σύμπλοκα (χρωστικές ρουθενίου) και οργανικές χρωστικές. Ουσιαστικά, η ενσωμάτωση των εκτυπωμένων αρχιτεκτονικών έπειτα από την ιεραρχική τροποποίηση των συνθέτων αποσκοπεί στην πρόσδοση ηλεκτρικών, οπτικών και θερμικών ιδιοτήτων στην τελική δομή τους, χρησιμοποιώντας ημιαγώγιμα θερμοηλεκτρικά και φωτοενεργά υλικά για την επίτευξη δυνατοτήτων συγκομιδής ενέργειας. Όσο αφορά το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, καθώς τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (CFRPs) παρουσιάζουν προσεγγιστικά μεταλλική αγώγιμη συμπεριφορά με πολύ ικανό έργο εξόδου, τους προσδίδεται η ικανή και αποτελεσματική εφαρμογή τους ως ηλεκτρόδιο για την ανάπτυξη φωτοβολταϊκών διατάξεων. Αναφορικά με τη συγκομιδή θερμικής ενέργειας, η βασική ιδέα στηρίζεται στο γεγονός ότι όταν ένα ιεραρχικό σύνθετο υλικό εκτίθεται σε θερμοκρασιακές διαφορές (ΔΤ), μέσω του θερμοηλεκτρικού φαινομένου (φαινόμενο Seebeck) παράγει μια διαφορά δυναμικού (ΔV) εσωτερικά της δομής του. Επιπρόσθετα, η ενεργοποίηση φωτοβολταϊκών ιδιοτήτων σε δομικά σύνθετα υλικά, προσδίδει σημαντικά αυξημένες ιδιότητες συγκομιδής ενέργειας κατά την έκθεσή τους σε ηλιακή ακτινοβολία, ενώ παράλληλα, δύναται αυτές οι δύο ιδιότητες συγκομιδής ενέργειας να λειτουργούν ταυτόχρονα. Στη συνέχεια, η ενέργεια που συλλέγεται από τα προηγμένα σύνθετα υλικά, τους παρέχει τη δυνατότητα τροφοδότησης ηλεκτρικών κυκλωμάτων και συστημάτων στους τομείς που κατέχουν ήδη ευρεία χρήση όπως η αεροδιαστημική, η αεροναυπηγική, η αυτοκινητοβιομηχανία, η ναυτιλία, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας κ.α.. Τα σύνθετα υλικά είναι ιδανικά για κατασκευές υψηλών μηχανικών απαιτήσεων, καθώς παρουσιάζουν εξαιρετικές ειδικές ιδιότητες όπως η υψηλή μηχανική αντοχή και το χαμηλό βάρος. Όταν πρόκειται για δομικά υλικά υψηλών προδιαγραφών (π.χ. οργανισμοί πιστοποίησης αεροναυπηγικών κατασκευών), είναι επιτακτική η ανάγκη της ασφαλής λειτουργίας τους κατά την προβλεπόμενη διάρκεια ζωής τους. Συνεπώς, η κατάσταση της δομικής τους ακεραιότητας σε πραγματικό χρόνο κατά τη λειτουργία τους με την ελάχιστη δυνατή παρέμβαση στη δομή τους, αποτελεί πολύ σημαντικό παράγοντα ασφάλειας και λειτουργικότητας. Επιπλέον η εξοικονόμηση που επιτυγχάνεται μέσω των προηγμένων σύνθετων υλικών συγκομιδής ενέργειας για την τροφοδότηση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και συστημάτων (π.χ. ταμπλό αεροσκάφους/ αυτοκινήτου, αισθητήρες δομικής ακεραιότητας), καθώς και το χαμηλό τους βάρος, τους παρέχει τη δυνατότητα να μειώσουν κατά μεγάλο ποσοστό τις καταναλώσεις των μέσων που τα απαρτίζουν αλλά και να αυξήσουν την ασφαλή λειτουργία τους.