Estudio del comportamiento estructural y mecánico de nanocompuestos poliméricos para aplicaciones de nanogeneradores flexibles

Abstract

Debido al uso masificado y cada vez más extendido de los dispositivos electrónicos portátiles personales y sensores inalámbricos, surge una creciente demanda por la fabricación de dispositivos autoalimentados de energía que sean sostenibles y que puedan suministrar inmediatamente la energía que requieren las diversas aplicaciones. En particular, los nanogeneradores flexibles a base de compuestos poliméricos capaces de aprovechar la energía mecánica del ambiente, han recibido un especial interés por parte de la comunidad científica debido a su amplia gama de opciones de usos. Sin embargo, aún faltan estudios para optimizar la respuesta eléctrica de esta tecnología para convertirlos en una alternativa viable en aplicaciones reales. En el presente trabajo se busca analizar el comportamiento mecánico, estructural y eléctrico del fluoruro de polivinilideno (PVDF) reforzado con oxido de zinc (ZnO) dopado con itrio (Y), como dieléctrico para formar un nanogenerador flexible aprovechable para aplicaciones reales. La metodología propuesta consiste en fabricar polvos de ZnO con distintos porcentajes en peso de Y como dopante (0%, 5% y 10% en peso) mediante el método hidrotermal, a los cuales se les realiza una caracterización microscópica a partir de imágenes obtenidas con un microscopio electrónico de barrido (SEM), junto a un análisis de rayos X para obtener la caracterización estructural y determinar la composición química. A continuación, se sintetiza el compuesto a partir del PVDF y 10% en peso del ZnO para cada uno de los tres tipos de polvos fabricados, utilizando la técnica de electrohilado y el proceso de solución de fundición. Luego, se realiza una caracterización microscópica y estructural con los mismos procedimientos anteriormente descritos, una caracterización mecánica utilizando un microscopio de fuerza atómica (AFM) para las muestras sintetizadas por electrohilado y ensayos de tracción para las muestras de solución de fundición. Posteriormente, se fabrica el nanogenerador con las muestras de electrohilado y se mide su respuesta eléctrica de salida, para las cuatro muestras fabricadas. Paralelamente, se diseña un modelo utilizando el método de elementos finitos (FEM) para determinar la distribución de esfuerzos y la distribución eléctrica del material dielectrico sometido a un esfuerzo externo que induce un desplazamiento. Comparando los resultados obtenidos, se observa que se obtiene el mayor voltaje de salida con el nanogenerador fabricado con PVDF y ZnO dopado con un 10% de Y, con un valor de 11,4 [V]. Se observa en esta muestra a través de análisis XRD una mayor presencia de la fase β presente en el PVDF. La simulación piezoeléctrica muestra una dependencia entre la morfología y la orientación del ZnO con la respuesta eléctrica de salida.