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Multi-Material Three-Dimensional Printing of Piezoelectric Devices for Sensing and Energy Harvesting Applications

Rui Tao

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Piezoelectric materials serve as transducers to linearly convert mechanical energy to electrical energy and vice versa. Based on this capability, a variety of piezoelectric devices with desired geometry, performance and function have been fabricated for sensing, energy harvesting and actuating applications. Among them, three-dimensional (3D) flexible and conformal piezoelectric composite devices (high piezoelectric ceramic particles as filler; flexible polymers as matrix) are in great demand in many fields such as smart artificial skins, battery-free wearable sensors and energy harvesters, and soft robotics. Conventional manufacturing methods for making the piezoelectric devices such as solution casting, spin-coating, melt-extrusion, electrospinning, limit the complexity of the fabricated structures. Thus, 3D printing techniques such as direct-ink writing (DIW), stereolithography (SLA), digital light processing (DLP) and fused filament fabrication (FFF) have been increasingly used for this purpose. Additionally, to make the electrical connection between the piezoelectric structures (fabricated using conventional or 3D printing techniques) and the interfaces, there is usually an additional step to add electrodes on the piezoelectric structures by painting, sputtering, or attaching conductive tapes or fabrics. The emergence of multi-material 3D printing technique provides an efficient way to combine the piezoelectric structure and electrodes fabrication processes. The purpose of this dissertation is to develop 3D flexible piezoelectric composite devices with electrodes for piezoelectric sensing and energy harvesting applications based on multi-material 3D printing technique. First, to find out the most suitable piezoelectric material for the multi-material 3D printing process, we printed polyvinylidene fluoride (PVDF) films from the commercially available PVDF filament using a FFF 3D printer. We found that the as-printed PVDF films have a low electroactive β phase content (Fβ) of 39%, thus it requires post stretching process to increase the Fβ. The stretched and polarized PVDF films with a dimension of 40 × 20 × 0.06 mm3 (length × width × thickness) have a piezoelectric coefficient (d33) of 7.29 pC/N and a Fβ of 65 % at a stretching ratio (R) of 4 after being polarized under an electric field of 30 V/μm. Although the resulting d33 of the fabricated PVDF films has been substantially enhanced by ~10-100 times higher than the related reported values, the stretching process limits the possibilities of making complex geometries with PVDF. Subsequently, we incorporated high piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) nanoparticles into flexible thermoplastic polyurethane (TPU) matrix and extruded the composite material into an FFF-printable filament (~1.75 mm). The developed TPU/30 vol% PZT piezoelectric composite material has a large elongation at breakage of ~56% and a d33 value of 6.8 pC/N after being polarized by the appropriate poling parameters. A multi-material FFF 3D printing technique was then utilized to fabricate 3D flexible piezoelectric composite lattices with electrodes with our developed piezoelectric composite filament and a commercially available conductive composite (TPU/carbon black) filament. Four types of 3D piezoelectric composite lattices: simple cubic (SC), body-centered cubic (BCC), cuboctahedron (CH) and octet truss (OT) (and one fully dense solid (FD) used as a benchmark) were designed and fabricated. The piezoelectric performance of the lattices was compared by means of experimental and finite element analysis (FEA) methods. At the same maximum compressive force, OT lattice can generate ~two times superior voltage output than FD sample. As a demonstrator, an original multi-material OT piezoelectric composite shoe sole can generate a high peak-to-peak voltage (Vpp) ~ 20 V by human stomping. Further, to fabricate freeform or conformal flexible piezoelectric structures, we conducted a multi-material DIW 3D printing process in a supporting fluid. The developed mineral oil/6% (w/v) fumed silica supporting fluid with appropriate yield stress behaves as a Herschel-Bulkley Fluid. During the printing process, the crosslinked fumed silica network temporarily flows under the stress generated by the moving dispensing needle, and then rapidly recover to a solid state to hold the deposited ink. The compositions of the inks are: polydimethylsiloxane (PDMS)/30 vol% PZT as the piezoelectric composite ink and PDMS/25 vol% silver (Ag) as the conductive composite ink. A comprehensive characterization of the inks' properties (i.e., piezoelectric or conductive behaviors, rheological and mechanical properties) and the rheological behavior of the supporting fluid with different compositions were performed. Three demonstrators: a multi-layer planar film, a conformal non-planar hemisphere and a 3D structure composed of six spirals printed vertically between two hexagon layers (freeform spiral-hexagon) were fabricated and tested under tension or compression tests, respectively. For example, by cyclically compressing the freeform spiral-hexagon structure at 8 Hz for more than 800 cycles, a Vpp of 86.39 ± 1.145 mV was obtained, which shows the good durability of the developed piezoelectric spiral-hexagon sensor and the potential of this technique to be used for fabricating compact freeform piezoelectric structures with electrodes.

Résumé

Les matériaux piézoélectriques servent de transducteurs pour convertir linéairement l'énergie mécanique en énergie électrique, et vice versa. Sur la base de cette capacité, une variété de dispositifs piézoélectriques avec la géométrie, la performance et la fonction désirées ont été fabriqués pour des applications de détection, de récolte d'énergie et d'actionnement. Parmi eux, les dispositifs composites piézoélectriques tridimensionnels (3D) flexibles et conformes (particules céramiques hautement piézoélectriques comme charge; polymères flexibles comme matrice) sont très en demande dans de nombreux domaines tels que les peaux artificielles intelligentes, les capteurs et les collecteurs d'énergie portables sans-batterie, et la robotique flexible. Les méthodes conventionnelles de fabrication des dispositifs piézoélectriques, telles que le moulage en solution, l'enduction par centrifugation, l'extrusion par fusion et l'électrospinning, limitent la complexité des structures fabriquées. Ainsi, les techniques d'impression 3D, telles que l'écriture directe à l'encre (DIW), la stéréolithographie (SLA), le traitement numérique de la lumière (DLP) et la fabrication de filaments fondus (FFF) sont de plus en plus utilisées à cette fin. En outre, pour établir la connexion électrique entre les structures piézoélectriques et les interfaces, une étape supplémentaire est généralement nécessaire pour ajouter des électrodes sur les structures piézoélectriques par peinture, pulvérisation et fixation de rubans ou de tissus conducteurs. L'émergence de la technique d'impression 3D multi-matériaux offre un moyen efficace de combiner les processus de fabrication de la structure piézoélectrique et des électrodes. L'objectif de cette thèse est de développer des dispositifs composites piézoélectriques flexibles 3D avec des électrodes pour des applications de détection piézoélectrique et de récolte d'énergie basées sur la technique d'impression 3D multi-matériaux. Tout d'abord, pour trouver le matériau piézoélectrique le plus approprié pour le processus d'impression 3D multi-matériaux, nous avons imprimé des films de polyfluorure de vinylidène (PVDF) à partir du filament de PVDF disponible dans le commerce en utilisant une imprimante 3D FFF. Nous avons constaté que les films PVDF, tels qu'imprimés, ont une faible teneur en phase β électroactive (Fβ) de 39%, il faut donc un processus de post étirement pour augmenter la Fβ. Les films PVDF étirés et polarisés d'une dimension de 40 × 20 × 0,06 mm3 (longueur × largeur × épaisseur) ont un coefficient piézoélectrique (d33) de 7,29 pC/N et un Fβ de 65 % à un rapport d'étirement (R) de 4 après avoir été polarisés sous un champ électrique de 30 V/μm. Bien que le d33 résultant des films de PVDF fabriqués ait été considérablement amélioré de ~ 10-100 fois supérieur aux valeurs rapportées connexes, le processus d'étirement limite les possibilités de réaliser des géométries complexes avec le PVDF. Par la suite, nous avons incorporé des nanoparticules de titanate de zirconate de plomb (PZT) hautement piézoélectriques dans une matrice flexible de polyuréthane thermoplastique (TPU) et extrudé le matériau composite en un filament imprimable par FFF (~1,75 mm). Le matériau composite piézoélectrique, TPU/30vol% PZT, développé présente un allongement à la rupture importante de ~56% et une valeur d33 de 6,8 pC/N après avoir été polarisé par les paramètres de polarisation appropriés. Une technique d'impression 3D multi-matériaux FFF a ensuite été utilisée pour fabriquer des treillis composites piézoélectriques flexibles 3D avec des électrodes à l'aide du filament composite piézoélectrique que nous avons développé et d'un filament composite conducteur (TPU/noir de carbone) disponible dans le commerce. Quatre types de réseaux composites piézoélectriques 3D: cubique simple (SC), cubique centré sur le corps (BCC), cuboctaèdre (CH) et treillis en octuple (OT) (et un solide entièrement dense (FD) comme référence) ont été conçus et fabriqués. Les performances piézoélectriques des treillis ont été comparées au moyen de méthodes expérimentales et d'analyse par éléments finis (FEA). Pour une même force de compression maximale, le réseau OT peut générer une tension de sortie environ deux fois supérieure à celle de l'échantillon FD. À titre de démonstration, une semelle de chaussure composite piézoélectrique OT originale et multi-matériaux peut générer une tension crête à crête élevée (Vpp) de ~20 V par le piétinement humain. De plus, pour fabriquer des structures piézoélectriques flexibles de forme libre ou conforme, nous avons réalisé un processus d'impression 3D DIW multi-matériaux dans un fluide de support. Le fluide de support développé, composé d'huile minérale et de 6% (w/v) de silice pyrogénée, avec une limite d'élasticité appropriée, se comporte comme un fluide de Herschel-Bulkley. Pendant le processus d'impression, le réseau de silice fumée réticulée s'écoule temporairement sous la contrainte générée par le mouvement de l'aiguille de distribution, puis revient rapidement à l'état solide pour retenir l'encre déposée. Les compositions des encres sont les suivantes : polydiméthylsiloxane (PDMS)/30vol% de PZT pour l'encre composite piézoélectrique et PDMS/25vol% d'argent (Ag) pour l'encre composite conductrice. Une caractérisation complète des propriétés des encres (c'est-à-dire les comportements piézoélectrique ou conducteur, les propriétés rhéologiques et mécaniques) et du comportement rhéologique du fluide de support avec les différentes compositions a été réalisée. Trois démonstrateurs : un film plan multicouche, un hémisphère non plan conforme et une structure 3D composée de six spirales imprimées verticalement entre deux couches hexagonales (spirale-hexagone de forme libre) ont été fabriqués et testés respectivement en tension ou en compression. Par exemple, en comprimant cycliquement la structure spirale-hexagone de forme libre à 8 Hz pendant plus de 800 cycles, un Vpp de 86.39 ± 1,145 mV a été obtenu, ce qui montre la bonne durabilité du capteur piézoélectrique spirale-hexagone développé et le potentiel de cette technique à être utilisée pour fabriquer des structures piézoélectriques de forme libre avec des électrodes.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: PhD.
Academic/Research Directors: Daniel Therriault
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10291/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:49
Last Modified: 11 Oct 2023 23:29
Cite in APA 7: Tao, R. (2022). Multi-Material Three-Dimensional Printing of Piezoelectric Devices for Sensing and Energy Harvesting Applications [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10291/

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