[論文レビュー] Piezoelectric composite cements: Towards the development of self-powered and self-diagnostic materials

Daniel A. Triana-Camacho, Jorge H. Quintero‐Orozco+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2023

Smart Materials for Construction被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、超音波分散と新規回路モデルを組み合わせることで、自己駆動型で自己診断可能な構造健全性モニタリングを実現する高圧電性rGOセメント複合材料を開発した。1122.28 ± 246.67 pC/Nという記録的なd₃₃圧電係数を達成し、従来のセメント複合材料比で47倍の高出力となり、機械的ひずみに比例する線形な電気出力が得られ、オフグリッドセンシング応用に適している。

ABSTRACT

Piezoresistivity is the most commonly used sensing principle in cement-based smart composites for strain-monitoring applications. Nonetheless, the need for external electric power to conduct electrical resistivity measurements restricts the scalability of this technology, especially when implemented in remote structures. To address this issue, this manuscript thoroughly analyzes the piezoelectric properties of cement composites doped with reduced graphene oxide (rGO) and evaluates their potential as self-powered strain sensors. To do so, a comprehensive methodology involving voltammetry measurements, open circuit potential determination, and uniaxial compression testing is developed to determine the piezoelectric coefficients of charge $d_{33}$ and voltage $g_{33}$. Furthermore, a novel circuital model for signal processing of the electromechanical response is developed and experimentally validated in terms of time series of output voltage, resistance, and the generated electric power. The developed methodology is applied to laboratory samples manufactured following two different filler dispersion methods. The presented results evidence that samples prepared by ultrasonic cleaner dispersion achieve optimal properties, with a piezoelectric charge coefficient of 1122.28$\mathrm{\pm}$246.67 pC/N, about 47 times greater than previously reported composites in the literature. Unlike piezoresistive cement-based composites, a remarkable nonlinear correlation between the fractional change in the intrinsic resistance of the material and the applied mechanical strain has been observed. Instead, a considerable linearity ($\mathrm{R^2}=0.96$) between the externally applied mechanical strain and the generated (piezoelectric) electric power has been found, which suggests the great potential of the latter for conducting off-the-grid strain monitoring applications.

研究の動機と目的

• 圧電抵抗性セメントセンサの外部電源依存を克服するため、自己駆動型代替材料を開発すること。
• 自己診断材料の基盤として、rGOドーピングセメント複合材料の圧電特性を調査すること。
• 電気化学的および機械的試験を用いた、圧電係数d₃₃およびg₃₃を包括的に特徴付けるための手法を確立すること。
• 繰り返し荷重下での電機械的応答を正確にシミュレートできる、ラumped回路モデルの開発と検証すること。
• 分散法（超音波洗浄機対比チップ）を比較分析し、rGOの分散状態と圧電性能の最適化を図ること。

提案手法

• d₃₃およびg₃₃圧電係数を抽出するために、サイクリックボルタメトリーと準静的単軸圧縮試験を組み合わせたプロトコルを開発した。
• rGOセメント複合材料の固有の電気化学的挙動を評価するために、オープン・サーキット・ポテンシャル（OCP）測定を実施した。
• 比較的分析を目的として、ラボスケールのrGOセメント試料を、超音波洗浄機および超音波チップを用いた2種類の分散法で作製した。
• 圧電電流源をRL直列回路と並列接続した新規ラumped回路モデルを提案し、電圧、抵抗、出力電力のシミュレーションを実施した。
• 繰り返し荷重下における出力電圧、抵抗、発生電力の時系列データを用いて、モデルの実験的検証を実施した。
• 機械的ひずみと電気的出力の線形性を評価するために、理論的および実験的相関を決定係数R²を用いて分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 rGOドーピングセメント複合材料は、自己駆動型センシング応用に十分な強力な圧電挙動を示すか？
• RQ2 分散法（超音波洗浄機対比チップ）は、rGOセメント複合材料の均一性および圧電性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 rGOセメント複合材料において、発生電力が応用された機械的ひずみに対してどの程度線形に相関するか？
• RQ4 ラumped回路モデルは、圧電的、圧電抵抗的、圧電容量的効果が複合的に関与する複雑な電機械的応答を正確にシミュレートできるか？
• RQ5 rGOセメント複合材料におけるd₃₃圧電係数の定量的数値は何か？また、既存の文献と比較してどうなるか？

主な発見

• 超音波洗浄機を用いた分散法は、より均一なrGO分布を実現し、超音波チップ法に比べて顕著に高い圧電性能を示した。
• rGOセメント複合材料は、d₃₃圧電電荷係数として1122.28 ± 246.67 pC/Nを達成し、従来報告されたPZTベースのセメント複合材料比で47倍の高出力となった。
• 応用された機械的ひずみと発生圧電電力の間に強い線形相関（R² = 0.96）が観察され、オフグリッドひずみモニタリングに極めて適していることが示された。
• 回路モデルは、出力電圧、電気的抵抗、電力の実験的時系列データを正確に再現し、圧電的、圧電抵抗的、圧電容量的効果が複合的に関与する非線形挙動を含む応答を再現した。
• 固有抵抗の非線形性は、内在的圧電抵抗性ではなく、電機械的結合に起因すると特定され、センサーモデリングにおける従来の仮定に疑問を呈した。
• 本研究は、rGO含有量が低い状態でも圧電性がセンシング応答を支配することを示し、自己駆動型構造健全性モニタリングにおいて、圧電性が優れたメカニズムであることを実証した。