Desenvolvimento de geradores de energia e sensores piezelétricos

Abstract

Os materiais inteligentes vêm ganhando a atenção da comunidade científica, pois têm sido cada vez mais utilizados em diversas aplicações tais como geradores de energia e sensores. No ramo da engenharia civil, devido à crescente demanda por construções, muito se tem estudado para o desenvolvimento e aplicação de materiais inteligentes pensando na segurança de estruturas de engenharia que possam fazer o monitoramento contínuo, preciso e instantâneo das condições de uma estrutura, sendo neste caso, os sensores componentes essenciais quando se pensa em detecção e controle. No entanto, os materiais comumente empregados na construção civil, como exemplo, o cimento e/ou concreto, possuem propriedades como impedância acústica, porosidade, condutividade, impedância elétrica etc, muito diferentes dos materiais utilizados em sistemas de monitoramento inteligente, gerando processos de espalhamento de ondas, dificuldades de polarização ou mesmo atenuação de sinais elétricos, dificultando seu emprego em estruturas de engenharia civil. No intuito de reduzir essa incompatibilidade, o presente estudo objetivou-se a fabricação e caracterização de compósitos piezoelétricos de conectividade 1-3, de matriz cimentícia com polietilenoglicol (PEG), visando a atuação desses materiais como sensores de estruturas de concreto. Foram estudadas a matriz cimentícia desses compósitos e a influência da inserção do Polietileno Glicol (PEG) no processo de hidratação da matriz; além disso foi estudado um novo método de confecção de colunas cerâmicas sem a utilização de materiais orgânicos como ligante, como também o estudo dos processos de sinterização destas. Como principal resultado, vislumbrou-se que a presença do PEG na matriz cimentícia incorreu na redução da condutividade da matriz. Além disso, a presença de PEG na matriz melhorou a adesão da matriz nas colunas cerâmicas e esse resultado se refletiu em uma melhor polarização dos compósitos, como também em um coeficiente piezoelétrico (d33) maior. Os compósitos apresentaram valores da impedância acústica próximos ao do cimento indicando uma boa compatibilidade e sensibilidade do compósito com a estrutura hospedeira, além de apresentarem valores para o coeficiente de acoplamento eletromecânico (Kt) entre 40 e 55%, indicando uma boa capacidade de conversão entre energia mecânica e elétrica. Assim, podemos concluir que os compósitos piezoelétricos apresentaram boas características de resposta mecânica e elétrica, sendo adequado para uma aplicação em engenharia civil.

Smart materials have been gaining attention from the scientific community, as they have been increasingly used in various applications such as energy generators and sensors. In the field of civil engineering, due to the growing demand for construction, much has been studied for the development and application of intelligent materials thinking about the safety of engineering structures that can continuously, precisely and instantaneously monitor the conditions of a structure, in this sense In this case, sensors are essential components when thinking about detection and control. However, materials commonly used in civil construction, such as cement and/or concrete, have different characteristics from those used in intelligent monitoring systems and may not be applicable in civil engineering structures. Intenting to o reduce this incompatibility, the present study aimed to manufacture and characterize piezoelectric composites with 1-3 connectivity, made from a cementitious matrix with polyethylene glycol (PEG), with the aim of using these materials as sensors for concrete structures. The cement matrix of these composites and the influence of the insertion of Polyethylene Glycol (PEG) in the matrix hydration process were studied. In addition, a new method of manufacturing ceramic columns without the use of organic materials as a binder was studied, as well as the study of these sintering processes. As a main result, it was seen that the presence of PEG in the cement matrix resulted in a reduction in the conductivity of the matrix. Furthermore, the presence of PEG in the matrix improved the adhesion of the matrix to the ceramic columns and this result is reflected in better polarization of the composites, as well as in a higher piezoelectric coefficient (d33). The composites presented acoustic impedance values close to those of cement, indicating good compatibility and sensitivity of the composite with the host structure, in addition to presenting values for the electromechanical coupling coefficient (Kt) between 40 and 55%, indicating a good conversion capacity between mechanical and electrical energy. Thus, we can conclude that piezoelectric composites have good mechanical and electrical response characteristics, being suitable for application in civil engineering.