Integrated architectures of printed electronics with energy-harvesting capabilities in advanced structural composites
Authors: Μυταφίδης Χρήστος 
Published: February 2024

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.