Çevre dostu kurşunsuz piezoelektrik parçacık katkılı PVDF kompozitlerin piezoelektrik uygulamaları için üretimi ve karakterizasyonu

Günümüzde enerji ihtiyacı, teknolojik yenilikler ve farklı uygulama alanlarının artışıyla birlikte sürekli çeşitlenmekte ve büyümektedir. Küçük, orta ve büyük ölçekli enerji gereksinimlerini karşılamak amacıyla yüksek performanslı ve yenilikçi malzemelerin geliştirilmesine yönelik bilimsel çalışmalar hız kazanmaktadır. Bu araştırma, özellikle mikroelektronik endüstrisinin yenilikçi ürünleri arasında yer alan minyatür sistemlerin enerji ihtiyaçlarını karşılamak için küçük ölçekli enerji kaynakları olarak piezoelektrik malzemelere odaklanmıştır. Piezoelektrik malzemeler, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine ve tam tersi şekilde elektrik enerjisini mekanik enerjisine dönüştürebilme özellikleriyle; otomotivden sağlık sektörüne kadar sensör, aktüatör ve transdüser gibi pek çok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Çevre dostu ve yenilenebilir enerji kaynaklarına olan talebin arttığı günümüzde, bu malzemeler birçok alanda ideal çözümler sunmaktadır. Bu durum, piezoelektrik malzemelerle ilgili yarım asrı aşkın süredir devam eden araştırmaların hız kazanmasına yol açmıştır. Ayrıca, nanomalzemeler ve karakterizasyon yöntemlerindeki ilerlemeler, araştırmacılara yenilikçi yaklaşımlar geliştirme fırsatları sunmaktadır. Son yıllarda, çevre duyarlılığının artışıyla birlikte kurşun (Pb) içeren piezoelektrik malzeme kompozisyonlarına alternatif oluşturacak, benzer üstün özelliklere sahip malzemelerin geliştirilmesi büyük önem kazanmıştır. Bu kapsamda, bu çalışmada, yaygın olarak kullanılan kurşun bazlı PZT seramiklere alternatif olarak BNT-6BT piezoseramiklerin bor (B³⁺) katkılı tozlarının üretilmesi ve bu tozların PVDF polimer matrisinde kullanımıyla hafif, esnek ve üstün özelliklere sahip kompozitlerin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Hidrotermal yöntemle sentezlenen piezoseramik tozların karakterizasyonu XRD ve SEM-EDX analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Bu piezoseramik tozlar, PVDF polimerine katkı olarak eklenmiş ve elektro-eğirme yöntemi kullanılarak fiber yapılar elde edilmiştir. Kompozit yapıdaki fiberlerin morfolojisi SEM-EDX analizleri ile incelenirken, piezoelektrik özellikleri sağlayan β fazındaki değişim FTIR analizleri ile değerlendirilmiştir. Yapı-özellik-performans değerlendirmesi bakımından, elektroeğirme yöntemiyle BNT-BT piezoseramik parçacık katkılı ve/veya katkısız olarak üretilen PVDF (poliviniliden florür) fiber kompozit örneklerin elektriksel özellikleri, 1 Hz ile 1 MHz (1–1.000.000 Hz) frekans aralığında ve oda sıcaklığında kapasitans ve dielektrik kayıp (tan δ) ve piezoelektrik tepki ölçümleri ile karakterize edilmiştir. Yapılan bu çok yönlü elektriksel karakterizasyon sayesinde, bor içeren ve içermeyen BNT-BT tabanlı perovskit kristal yapılı piezoseramik katkılı ve/veya katkısız PVDF polimer fiber kompozit malzemelerin sensör, enerji depolama ve dielektrik bileşenlerdeki potansiyel uygulama alanları hakkında değerlendirmeler yapılmıştır. Elde edilen bulgular, bor katkılı piezoseramik tozların PVDF polimerine dahil edilmesiyle oluşturulan fiber kompozit yapıların polar β fazındaki artışla uyumlu olarak dielektrik ve piezoelektrik performansında belirgin iyileşmeler sağlandığını göstermiştir. Bu sonuçlar giyilebilir elektronikler için enerji hasadı bakımından PVDF polimer bazlı esnek yapılı ve hafif fiber kompozitlerin önemli katkı potansiyelini ortaya koymaktadır.