view in publisher's site

Investigations on the performance of piezoelectric-flexoelectric energy harvesters

Highlights•A piezoelectric-flexoelectric size dependent reduced-order model is developed.•Non-smooth surfaces due to the manufacturing precision are considered.•At nanoscale, the flexoelectric only configuration perform with dominance.•At transition scales, the combined system outperforms either piezoelectric or flexoelectric.•Piezoelectric and flexoelectric systems can generate more power at microscale.AbstractFlexoelectric electromechanical systems have received recent attention for their ability to harvest energy at the nanoscale where piezoelectric systems could not generate appreciable energy. The size-dependency of flexoelectric materials has been investigated; however, the piezoelectric effect has largely been neglected due to its low performance at the nanoscale. In this study, a piezoelectric-flexoelectric reduced-order model considering material structure, size dependency, and surface smoothness effects is developed in order to determine the performance of piezoelectric and/or flexoelectric systems at different scale levels. The size dependent effects are accounted using the classical couple stress theory with surface elasticity effects modeled using the Gurtin-Murdoch theory. The surface integrity modeling is implemented to include non-smooth surfaces due to the manufacturing precision at the nano-scale. A multi-phase model is introduced to model the material structure of the nanocrystalline substrate incorporating porosity effects. At nanoscale, the combined piezoelectric and flexoelectric configuration and the flexoelectric only configuration perform similarly with little variation; however, at transition scales, from nano to micro, the combined system outperforms either piezoelectric only or flexoelectric only configuration. A non-smooth surface increases the levels of the harvested power of the system in all cases. This study shows not only the performance of flexoelectric configurations at the nanoscale, but that a piezoelectric-flexoelectric system can generate more power than previously thought near the microscale.

بررسی عملکرد ماشین‌های برداشت انرژی پیزوالکتریک - خمشی

نکات برجسته * یک مدل مرتبه کاهش‌یافته وابسته به اندازه پیزوالکتریک - خمشی توسعه داده شده‌است. * سطوح غیر صاف به دلیل دقت تولید در نظر گرفته می‌شوند. * در مقیاس نانو، تنها پیکربندی خمشی - الکتریکی با غلبه انجام می‌شود. * در مقیاس‌های گذار، سیستم ترکیبی بهتر از پیزوالکتریک یا خمشی عمل می‌کند. سیستم‌های پیزوالکتریک و فلکسوالکتریک می‌توانند انرژی بیشتری را در میکرو مقیاس تولید کنند. سیستم‌های الکترومکانیکی غیر الکتریکی توجه اخیر خود را برای توانایی در برداشت انرژی در مقیاس نانو که در آن سیستم‌های پیزوالکتریک نمی‌توانند انرژی قابل‌توجهی تولید کنند، دریافت کرده‌اند. وابستگی اندازه مواد خمشی - الکتریکی مورد بررسی قرار گرفته‌است؛ با این حال، اثر پیزوالکتریک به دلیل عملکرد پایین آن در مقیاس نانو تا حد زیادی نادیده گرفته شده‌است. در این مطالعه، یک مدل مرتبه کاهش‌یافته پیزوالکتریک - خمشی با در نظر گرفتن ساختار مواد، وابستگی اندازه، و اثرات نرمی سطح به منظور تعیین عملکرد سیستم‌های پیزوالکتریک و / یا خمشی در سطوح مقیاس مختلف توسعه داده شده‌است. اثرات وابسته به اندازه با استفاده از نظریه استرس زوج کلاسیک با اثرات الاستیسیته سطحی مدل‌سازی شده با استفاده از نظریه گورتین - مرداک در نظر گرفته می‌شوند. مدل‌سازی یکپارچگی سطح به منظور در بر گرفتن سطوح غیر صاف با توجه به دقت تولید در مقیاس نانو انجام شده‌است. یک مدل چند فازی برای مدل‌سازی ساختار ماده زیرلایه نانوکریستال با در نظر گرفتن اثرات تخلخل معرفی شده‌است. در مقیاس نانو، ساختار ترکیبی پیزوالکتریک و خمشی - الکتریک و ساختار خمشی - الکتریک تنها به طور مشابه با تغییرات کمی عمل می‌کنند؛ با این حال، در مقیاس‌های گذار، از نانو به میکرو، سیستم ترکیبی تنها یا پیکربندی پیزوالکتریک و یا فقط خمشی - الکتریک بهتر عمل می‌کند. یک سطح غیر صاف، سطوح توان برداشت‌شده سیستم را در تمام موارد افزایش می‌دهد. این مطالعه نه تنها عملکرد ساختارهای خمشی - الکتریکی در مقیاس نانو را نشان می‌دهد، بلکه نشان می‌دهد که یک سیستم پیزوالکتریک - خمشی می‌تواند انرژی بیشتری را نسبت به آنچه که قبلا در مقیاس میکرو تصور می‌شد، تولید کند.
ترجمه شده با

Download PDF سفارش ترجمه این مقاله این مقاله را خودتان با کمک ترجمه کنید
سفارش ترجمه مقاله و کتاب - شروع کنید

با استفاده از افزونه دانلود فایرفاکس چکیده مقالات به صورت خودکار تشخیص داده شده و دکمه دانلود فری‌پیپر در صفحه چکیده نمایش داده می شود.