Optimization of magnetoelectric composites based on electroactive polymers for energy harvesting and sensor application

Abstract

Low power portable electronic devices and wireless sensors networks, for application in implantable biomedical sensors and monitoring for agricultural, environmental, building, military and industrial processes are typically powered by batteries, which have a finite supply of energy. The combination of an energy harvesting system with a rechargeable battery is the best way to self-power devices for their entirely lifetime. These harvesters collect energy (in the order of μW to mW) from ambient sources (thermal, mechanical or electromagnetic, among others). Among them, energy harvesting from electromagnetic signals is one of the most challenging and interesting harvesting systems and has been poorly addressed. Magnetoelectric (ME) composite materials are an innovative tool that can convert such electromagnetic singnals into an electrical voltage and can be also be used as novel sensors and actuators. The main objective of this work is to optimize ME laminated composites for sensor, actuators and energy harvesting devices. It is also an objective to find new applications for this ME effect. From the different composite structures, laminated ME composites, comprising bonded piezoelectric and magnetostrictive layers, are the ones with the highest ME response, thus being the most studied materials for their implementation into technological applications. With high ME coupling, easy fabrication, large scale production ability, low-temperature processing into a variety of forms and, in some cases, biocompatibility, polymer based ME materials emerged as an original approach. In this work Vitrovac and Metglas were used as magnetostrictive materials due to their high magnetostriction at low fields, and .poly(vinylidene fluoride) was used as the polymeric piezoelectric material, due to his high piezoelectric constant compared to other polymers. Thus, the effect of the bonding layer type and piezoelectric layer thickness is reported. Vitrovac/poly(vinylidene fluoride) magnetoelectric laminate were produced and experimental results show that the ME response increases with increasing piezoelectric thickness, the highest ME response of 53 V·cm−1·Oe−1 being obtained for an 110 μm thick piezoelectric bonded with M- Bond epoxy. The behavior of the ME laminates with increasing temperatures up to 90 °C shows a decrease larger than 80% in the ME response. A finite element method (FEM) was used to evaluate the experimental results. The obtained results show the critical role of the bonding layer and piezoelectric layer thickness in the ME performance of laminate composites From the ME measurements it was concluded that tri-layered composites structures (Vitrovac/poly(vinylidene fluoride)/Vitrovac ), show a high ME response (75 V cm-1 Oe-1) and that the ME voltage coefficient decreases with increasing longitudinal size aspect ratio and increases with the lowest transversal aspect ratio between piezoelectric and magnetostrictive layers. Relevant parameters such as sensibility, accuracy, linearity, hysteresis and resolution have been vaguely or never discussed in polymer-based ME composites. This work reports on those parameters on a Metglas/poly(vinylidene fluoride)/Metglas magnetoelectric laminate, the polymer-based composite with the highest ME response. The sensibility and resolution determined for the DC (30 mV.Oe-1 and 8 μOe) and AC magnetic field sensor (992 mV.Oe-1 and 0.3 μOe) are favorably comparable with the most recent and sensitive polymer-based ME sensors. The design and performance of five interface circuits, a full-wave bridge rectifier, two Cockcroft-Walton voltage multipliers (with 1 and 2 stages) and two Dickson voltage multipliers (with 2 and 3 stages), for the energy harvesting from a Metglas/PVDF/Metglas ME composite were discussed. Maximum power and power density values of 12 μW and 0.9 mW.cm-3 were obtained with the two stages Dickson voltage multiplier. Finally, it is successfully demonstrated that nanoparticle’s magnetostriction can be accurately determined based on the magnetoelectric effect measured on polymer composite materials. This represents a novel, simple and versatile method for the determination of particle’s magnetostriction at the nano scale and in their dispersed state. Thus, the developed polymer based magnetoelectric laminate composites showed suitable characteristics for applications in sensors and energy harvesting devices.

Dispositivos eletrônicos portáteis de baixa potência e sensores de redes sem fio para implementação em sensores biomédicos, monitorização ambiental, gestão de agricultura, construção, aplicações militares e de processos industriais, normalmente são alimentados por baterias, que têm uma fonte finita de energia. A combinação de um sistema de “energy harvesting” com uma bateria recarregável é a melhor forma de auto-alimentar um dispositivo durante o seu tempo de vida útil. Estes dispositivos (“harvesters”) armazenam a energia proveniente de fontes presentes no ambiente (como térmica, mecânica e eletromagnética, entre outras). A energia produzida é na ordem de μW a mW. Entre estes sistemas, energy harvesting a partir de sinais eletromagnéticos é um dos desafios mais interessantes e tem sido pouco investigado. Materiais compósitos magnetelétricos (ME) são uma ferramenta inovadora que pode converter sinais eletromagnéticos em uma voltagem elétrica e também podem ser usados como novos sensores e atuadores. O principal objetivo deste trabalho é otimizar compósitos laminados ME para sensores, atuadores e dispositivos de captação de energia. É também um objetivo de encontrar novas aplicações baseadas nestes materiais. De todas as diferentes estruturas compósitas, os compósitos laminados ME compostos pela colagem de camadas piezoelétricas e magnetostrictivas, são aqueles que apresentam a maior resposta ME, sendo desta forma os materiais mais estudados para a sua implementação em aplicações tecnológicas. Com elevado acoplamento ME, fabrico fácil, capacidade de produção em grande escala, processamento a baixa temperatura numa grande variedade de formas e, em alguns casos, biocompatibilidade, materiais ME de base polimérica emergem como uma abordagem original. Neste trabalho, Vitrovac e Metglas foram usados como materiais magnetostrictivos devido à sua elevada magnetostrição a baixos campos magnéticos. O poli (fluoreto de vinilideno) - PVDF foi usado como polímero piezoelétrico devido à sua elevada constante piezoelétrica entre os materiais poliméricos. De forma a resposta ME dos compósitos, o efeito do tipo da camada de adesão e a espessura da camada piezoelétrica foi avaliado. Foi produzido um laminado magnetoelétrico (Vitrovac/PVDF) e os resultados experimentais mostram que a resposta ME aumenta com o aumento da espessura da camada piezoelétrica, a maior resposta ME foi de 53 V·cm−1·Oe−1 para o laminado com uma espessura piezoelétrica de 110 μm colado com a resina epoxy M-Bond. Com o aumento da temperatura até 90ºC, os laminados ME mostram uma perda de resposta ME até 80%. O método dos elementos finitos (MEF) foi usado para avaliar os resultados experimentais. Os resultados obtidos mostram o papel crítico da camada de ligação e a espessura da camada piezoelétrica no desempenho de compósitos laminados ME. Através das medidas ME foi concluído que os compósitos de três camadas (Vitrovac/PVDF/Vitrovac), mostram a maior resposta ME (75 V cm-1 Oe-1), e o coeficiente ME diminui com o aumento do aspect ratio longitudinal e aumenta com a diminuição do aspect ratio transversal entre a camada piezoelétrica e magnetostritiva. Parâmetros relevantes, como sensibilidade, precisão, linearidade, histerese e resolução, tem sido pouco estudada em compósitos poliémicos ME,. Este trabalho investiga esses parâmetros num laminado ME (Metglas/PVDF/Metglas), o compósito polímero com a resposta.ME mais alta. A sensibilidade e resolução determinada para sensores de campo magnético DC (30 mV.Oe-1 and 8 μOe) e AC (992 mV.Oe-1 and 0.3 μOe) são favoravelmente comparadas com os mais recentes e sensíveis sensores baseados em compósitos ME de base polimérica. O design e a performance de cinco circuitos: retificador full-wave bridge, dois multiplicadores Cockcroft-Walton (com 1 e 2 andares) e dois multiplicadores Dickson (com 2 e 3 andares), para energy harvesting através de um laminado ME (Metglas/PVDF/Metglas) foi estudado e discutido. A máxima potencia e densidade de potência obtida foram 12μW e 0.9 mW.cm-3 usando um multiplicador Dickson de dois andares. Por fim, é demonstrado com sucesso que a magnetostrição de nanopartículas pode ser determinada com precisão com base no efeito magnetoelétrico medido em materiais compósitos poliméricos. Isto representa um novo, versátil e simples método para a determinação de magnetostrição de partículas no seu estado disperso à escala nanométrica. Assim, os compósitos laminados ME de base polimérica desenvolvidos, apresentam características adequadas para aplicações em sensores e dispositivos de energy harvesting.