Grafen katkılı polimer matrisli piezokompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Poliviniliden florür (PVDF), yumuşak esnek bir piezoelektrik polimer olmakla birlikte yüksek dielektrik geçirgenliği nedeniyle ön plana çıkmaktadır. Araştırmaların pek çoğu, özellikle gömülü kapasitör, yüksek enerji yoğunluklu depolama vb. uygulamalarda oldukça yüksek potansiyel barındıran PVDF için piezoelektrik özelliklerinin geliştirilmesine odaklanılmaktadır. Piezoelektrik etki seramik malzemelerde kristal yapı ile sağlanırken, polimerlerde bu etki, iç içe geçmiş uzun zincirli moleküller arasındaki etkileşim ile birlikte bir dış alan uygulamasından sonra meydana gelmektedir ve böylelikle polimer esaslı malzemelerde yaygın olarak uygulanan metod, fonksiyonel dolgu maddelerinin bir polimer matris içerisine dahil edilerek oluşturulması olmuştur. Grafen, en-boy oranının yüksek olmasından dolayı kristaliniteyi arttırıcı etki yapmaktadır ve ek olarak da mekanik dayanımı geliştirmektedir. Bu yüzden kompozit oluşturmak için ideal bir dolgu maddesi olarak kabul görmektedir. BCZT [0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3] ise kurşunsuz elektroseramik malzemelerin en başında gelmektedir. Bu tez çalışmasında Grafen katkılı PVDF-BCZT kompozisyonuna sahip polimer esaslı piezokompozit olarak malzeme üretimi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Çalışmada bu amaçla şerit döküm metodu ile esnek piezokompozitler elde edilmiştir. BCZT komponenti katı hal kalsinasyonu ile sentezlenip, polimer matris içerisinde kompozit yapı oluşturması sağlanmıştır. PVDF toz formda sol-jel tekniği ile DMF(Dimetilformamid) solüsyonu içerisinde jel oluşturulup sonra yapıya katkı elementleri katılarak oluşan yeni çözeltiler şerit döküm metodu(doktor blade) ile film olarak elde edilmiştir. Daha sonra üretilen filmler, X-ışını kırınımı (XRD), Fourier- dönüşüm kızılötesi spektroskopisi (FTIR), Ultraviyole (Morötesi) (UV) ışınım, Diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve Taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak karakterize edilmiştir. Üretilen piezokompozit filmlerin elektriksel ve mekaniksel performans araştırılması ve karakterizasyonu yapılmıştır. Son olarak bu çalışma Amerikan Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi (AFOSR) (American Air Force Office of Scientific Research) tarafından FA9550-18-1-0450 nolu proje ile desteklenmiştir.Polyvinylidene fluoride (PVDF) stands out due to its high dielectric permeability as well as being a soft flexible piezoelectric polymer. In most of the researches, especially embedded capacitor, high energy density storage etc. The focus is on improving the piezoelectric properties for PVDF, which has a very high potential in applications. While the Piezoelectric effect is provided by the crystal structure in ceramic materials, in polymers this effect occurs after an external field application with the interaction between the interlocking long chain molecules. thus, the method commonly applied in polymer-based materials is to form functional fillers by incorporating them into a polymer matrix. Due to its high aspect ratio, graphene increases the crystallinity and also improves the mechanical strength. Therefore, it is accepted as an ideal filler for creating composites. BCZT [0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3] is one of the lead-free electroceramic materials. In this thesis, it was aimed to produce and characterize a polymer-based piezocomposite with graphene doped PVDF-BCZT composition. For this purpose, flexible piezocomposites were obtained by strip casting method. The BCZT component was synthesized by solid state calcination and a composite structure was formed in the polymer matrix. PVDF in powder form was gelled in DMF (Dimethylformamide) solution by sol-gel technique; Then, new solutions formed by adding additive elements to the gel structure were obtained as films by strip casting method (doctor blade). Subsequently, the produced films were characterized using X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Ultraviolet (UV) (UV) radiation, Differential scanning calorimetry (DSC) and Scanning electron microscope (SEM). Electrical and mechanical performance investigations and characterizations of the produced piezocomposite films were made. Finally, this study was supported by the American Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) with the project number FA9550-18-1-0450.