Composite ferroelectrics for recyclable energy harvesting and sensing applications - plastic crystal matrix and ceramic perovskite particles

Abstract

Ferroelectric materials are critical components in nearly all our wireless commu nication technologies, used in applications such as sensors or antennas. However, state-of-the-art materials are limited to metal oxides or polymers (Polyvinylidene Fluoride (PVDF)) and are not recyclable. This work involved obtaining a composite ferroelectric from a plastic crystal (TMA FBC) matrix, synthesized in the labora tory using different evaporation and condensation methods, together with perovskite BaTiO3 particles. For this process, pressed pellets were formed at high temperatures using fixed compositions of 10, 30 and 50 % in volume for the BaTiO3. The charac terization of the properties of both, the precursor materials and the final composites was carried out using analytical methods including X-ray diffraction, SEM imaging, high-voltage ferroelectric testing and dielectric impedance measurements. It was ob served that the plastic crystal synthesis was challenging to obtain one single phase, as it required two crystallization processes within the process. The main interest lies in studying how the ferroelectric and dielectric properties of this new material change as a function of the composition. The results showed that the materials exhibit adequate ferroelectric behaviour, with strain values and ferroelectric and dielectric parame ters changing as the composition varied, improving when the ceramic presence was higher. Tests revealed that the pellet containing 30 % of BaTiO3 in volume, had the lowest dielectric permittivity (ϵ′) and dielectric loss (tan(δ)), so it may be interesting depending on the desired applications.

Los materiales ferroeléctricos son componentes muy extendidos en las tecnologías de comunicación inalámbricas, utilizados en aplicaciones como sensores o antenas. Sin embargo, los materiales de última generación se limitan a compuestos como óx idos metálicos o polímeros (PVDF) y no son reciclables. Este trabajo implicó la obtención de un material ferroeléctrico compuesto a partir de una matriz cristalina plástica (TMA FBC), sintetizada en el laboratorio utilizando diferentes métodos de evaporación y condensación, junto con partículas de la perovskita BaTiO3. Poste riormente, se formaron pellets prensados a altas temperaturas utilizando composi ciones fijas de 10, 30 y 50 % en volumen para el BaTiO3. La caracterización de las propiedades, tanto de los materiales precursores, como de los compuestos finales se llevó a cabo utilizando métodos analíticos entre los que se incluyen difracción de rayos X, imágenes de SEM, pruebas ferroeléctricas de alto voltaje y mediciones de impedancia dieléctrica. Se observó que la síntesis de cristales plásticos era desafiante para obtener una sola fase, ya que el proceso requirió dos procesos de cristalización. El principal interés radica en estudiar cómo cambian las propiedades ferroeléctricas y dieléctricas de este nuevo material, en función de su composición. Los resultados mostraron que los materiales presentan un comportamiento ferroeléctrico adecuado, con valores de deformación y parámetros ferroeléctricos y dieléctricos cambiantes a medida que varía la composición, mejorando cuando la presencia de la cerámica es mayor. Las pruebas revelaron que el pellet con 30 % de BaTiO3 en volumen, tiene la permitividad dieléctrica (ϵ′) y la pérdida dieléctrica (tan(δ)) más bajas, por lo que puede ser interesante en función de las aplicaciones deseadas.