[논문 리뷰] Piezoelectric composite cements: Towards the development of self-powered and self-diagnostic materials

Daniel A. Triana-Camacho, Jorge H. Quintero‐Orozco외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 01.

Smart Materials for Construction인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초음파 분산 기술과 새로운 회로 모델을 결합하여 자기전원 공급 및 자기진단 구조물 건강 모니터링을 위한 고도로 피에조전기성인 rGO-cement 복합재를 개발한다. 기존 시멘트 복합재보다 47배 높은 기록적인 d₃₃ 피에조전기 계수 1122.28 ± 246.67 pC/N을 달성하여 기계적 변형에 비례하는 선형 전기 출력을 가능하게 하여 이산화된 센서 응용에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 피에조저항성 시멘트 센서의 외부 전원 의존도를 해소하기 위해 자기전원 공급 대체재를 개발하고자 한다.
• 자기진단 재료의 기초로 삼을 rGO 도핑 시멘트 복합재의 피에조전기 성질을 조사하고자 한다.
• 전기화학적 및 기계적 시험을 통한 d₃₃ 및 g₃₃ 피에조전기 계수를 특성화하는 종합적인 방법론을 수립하고자 한다.
• 주기적 하중 작용 하에서의 전기기계적 반응을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는 뭉치된 회로 모델을 개발하고 검증하고자 한다.
• 분산 기술(초음파 세척기 대비 톱니형 초음파 분산기)을 비교 분석하여 rGO 분포 최적화 및 피에조전기 성능 향상을 도모하고자 한다.

제안 방법

• d₃₃ 및 g₃₃ 피에조전기 계수를 추출하기 위해 주기적 voltammetry와 준정적 축방향 압축 시험을 융합한 프로토콜을 개발하였다.
• rGO-cement 복합재의 고유 전기화학적 거동을 평가하기 위해 개방 회로 전위(OCP) 측정을 실시하였다.
• 비교 분석을 위해 실험실 규모의 rGO-cement 샘플을 제작하기 위해 두 가지 분산 방법(초음파 세척기 및 초음파 톱니형)을 적용하였다.
• 피에조전기 전류원을 RL 직렬 회로와 병렬로 조합한 새로운 뭉치된 회로 모델을 제안하여 전압, 저항 및 전력 출력을 시뮬레이션하였다.
• 주기적 하중 작용 중 출력 전압, 저항 및 생성된 전기력의 시간적 시리즈 데이터를 이용해 모델을 실험적으로 검증하였다.
• 기계적 변형과 전기 출력 간 선형성 평가를 위해 이론적 및 실험적 상관관계를 R² 값으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 rGO 도핑 시멘트 복합재는 자기전원 공급 센서 응용에 충분한 강력한 피에조전기 성질을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 분산 방법(초음파 세척기 대비 톱니형)은 rGO-cement 복합재의 균일성 및 피에조전기 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 rGO-cement 복합재에서 생성된 전기력이 적용된 기계적 변형과 선형 상관관계를 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ4 뭉치된 회로 모델은 피에조전기, 피에조저항성 및 피에조커퍼시브 효과를 포함한 복잡한 전기기계적 반응을 정확히 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 rGO-cement 복합재의 d₃₃ 피에조전기 계수의 정량적 값은 얼마이며, 기존 문헌과 비교해 볼 때 어떠한가?

주요 결과

• 초음파 세척기 분산 방법이 더 균일한 rGO 분포를 확보하여 초음파 톱니형 방법 대비 유의미하게 향상된 피에조전기 성능을 나타냈다.
• rGO-cement 복합재는 기존에 보고된 PZT 기반 시멘트 복합재보다 47배 높은 d₃₃ 피에조전기 전하 계수 1122.28 ± 246.67 pC/N을 확보하였다.
• 적용된 기계적 변형과 생성된 피에조전기 전기력 사이에 강한 선형 상관관계(R² = 0.96)를 관찰하여 이산화된 변형 모니터링에 매우 적합함을 시사하였다.
• 회로 모델은 출력 전압, 전기 저항 및 전력 출력의 실험적 시간적 시리즈 데이터를 정확히 재현하였으며, 피에조전기, 피에조저항성 및 피에조커퍼시브 효과의 복합적 비선형 행동까지도 반영하였다.
• 내재 저항의 비선형성은 고유한 피에조저항성 때문이 아니라 전기기계 결합 때문임을 규명하여 기존 센서 모델링의 일반적인 가정에 도전하였다.
• 낮은 rGO 함량에서 피에조전기성이 주요 감지 메커니즘으로 지배함을 입증하여 자기전원 공급 구조물 건강 모니터링에 있어 우월한 메커니즘임을 입증하였다.