Integrated architectures of printed electronics with energy-harvesting capabilities in advanced structural composites
| dc.contributor.author | Mytafides, Christos | en |
| dc.contributor.author | Μυταφίδης, Χρήστος | el |
| dc.date.accessioned | 2024-02-13T07:04:42Z | |
| dc.identifier.uri | https://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/33956 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.26268/heal.uoi.13669 | |
| dc.rights | Default License | |
| dc.subject | Multifunctional materials; Advanced composites; Thermoelectric materials; Solar cells | en |
| dc.title | Integrated architectures of printed electronics with energy-harvesting capabilities in advanced structural composites | en |
| dc.title | Ενσωματωμένες αρχιτεκτονικές εκτυπωμένων ηλεκτρονικών με δυνατότητες συγκομιδής ενέργειας σε προηγμένα δομικά σύνθετα υλικά | el |
| dc.type | doctoralThesis | * |
| heal.abstract | In modern times, the ever-increasing human activities require significant energy consumption worldwide. At the same time, many renewable forms of energy present in the environment are not sufficiently exploited (e.g. solar radiation, thermal energy, etc.). In recent decades, multiple innovative properties of smart materials have emerged through nanotechnology, which is a major development in the field of advanced composites. Conventional composite materials refer to reinforcing Carbon or Glass fibers impregnated in polymer matrices [CFRPs or GFRPs respectively - fiber reinforced polymers (FRPs)]. A very interesting approach in the field of composite materials is their hierarchical modification (coating of reinforcing fibers with nanoparticles), which gives a multifunctional character to the final advanced composite materials (electrical, thermal, optical properties, self-diagnosis and energy harvesting capabilities). This PhD dissertation has as its object of study the development of advanced composite materials with the potential to harvest energy from their operating environment. More specifically, it is about the design, development and characterization of advanced composite materials with energy harvesting capabilities after selective hierarchical modification and integration of architectural printed electronic devices into their structure. In the context of achieving the above properties, initially the development of hierarchically modified composite structures with multiple methods of targeted printing (drop-casting, blade-coating), using as reinforcing nanoparticles for the architectural printing allotropic forms of carbon [carbon nanotubes (CNTs)], organic polymers [poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)], nanocrystalline oxides [titanium dioxide (TiO2)], metal complexes (ruthenium dyes) and organic dyes. Essentially, the integration of printed architectures after the hierarchical modification of composites aims to impart electrical, optical and thermal properties to their final structure, using semiconducting thermoelectric and photoactive materials to achieve energy harvesting capabilities. Moreover, since carbon fiber reinforced polymer composites (CFRPs) exhibit approximately metallic conductive behavior with a very efficient work function, they are endowed with their efficient and effective application as an electrode for the development of photovoltaic devices. Regarding thermal energy harvesting, the basic idea is based on the fact that when a structural composite material is exposed to temperature differences (ΔT), through the thermoelectric effect (Seebeck effect) it produces a potential difference (ΔV) inside its structure. In addition, the activation of photovoltaic properties in structural composite materials confers significantly increased energy harvesting properties when exposed to solar radiation, while at the same time, these two energy harvesting properties can work simultaneously. Then, the energy harvested by the advanced composite materials provides them with the possibility of powering electrical circuits and systems in the sectors that are already in widespread use such as aerospace, aeronautics, the automotive industry, maritime, renewable energy sources, etc. Composite materials are ideal for constructions with high mechanical requirements, as they present excellent special properties such as high mechanical strength and low weight. When it comes to high-end construction materials (e.g. aeronautical certification fuselages), the need for their safe operation during their intended lifetime is imperative. Therefore, the state of their structural integrity in real time during their operation with the least possible intervention in their structure, is a very important factor of safety and functionality. Furthermore, the savings achieved through advanced energy harvesting composites to power electronic circuits and systems (e.g. aircraft/car dashboards, structural integrity sensors), as well as their low weight, enable them to greatly reduce the consumption of the media that make them up but also to increase their safe operation. | en |
| heal.abstract | Στη σύγχρονη εποχή, οι συνεχείς αυξανόμενες ανθρώπινες δραστηριότητες απαιτούν σημαντική κατανάλωση ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο. Ταυτόχρονα, πολλές ανανεώσιμες μορφές ενέργειας που υπάρχουν στο περιβάλλον δεν εκμεταλλεύονται επαρκώς (π.χ. ηλιακή ακτινοβολία, θερμική ενέργεια κ.α.). Τις τελευταίες δεκαετίες, μέσω της νανοτεχνολογίας έχουν αναδειχθεί πολλαπλές καινοτόμες ιδιότητες ευφυών υλικών, γεγονός που αποτελεί μια σημαντική εξέλιξη στον τομέα των προηγμένων σύνθετων υλικών. Ως συμβατικά σύνθετα υλικά αναφέρονται οι ενισχυτικές ίνες άνθρακα ή υάλου εμποτισμένες σε πολυμερικές μήτρες (CFRPs ή GFRPs αντίστοιχα). Μια πολύ ενδιαφέρουσα προσέγγιση στον κλάδο των σύνθετων υλικών αποτελεί η ιεραρχική τροποποίησή τους (επικάλυψη των ενισχυτικών ινών με νανοσωματίδια), η οποία προσδίδει πολυλειτουργικό χαρακτήρα στα τελικά προηγμένα σύνθετα υλικά (ηλεκτρικές, θερμικές, οπτικές ιδιότητες, δυνατότητες αυτοδιάγνωσης και συγκομιδής ενέργειας). Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως αντικείμενο μελέτης την ανάπτυξη προηγμένων σύνθετων υλικών με δυνατότητες συγκομιδής ενέργειας από το περιβάλλον λειτουργίας τους. Πιο συγκεκριμένα, πρόκειται για το σχεδιασμό, την ανάπτυξη και το χαρακτηρισμό προηγμένων σύνθετων υλικών με δυνατότητες συγκομιδής ενέργειας έπειτα από την επιλεγμένη ιεραρχική τροποποίηση και ενσωμάτωση αρχιτεκτονικών εκτυπωμένων ηλεκτρονικών διατάξεων στη δομή τους. Στο πλαίσιο επίτευξης των παραπάνω ιδιοτήτων, αρχικά γίνεται η ανάπτυξη ιεραρχικά τροποποιημένων σύνθετων δομών με πολλαπλές μεθόδους στοχευμένης εκτύπωσης (drop-casting, blade-coating), χρησιμοποιώντας ως ενισχυτικά νανοσωματίδια για τις αρχιτεκτονικές εκτύπωσης αλλοτροπικές μορφές άνθρακα [νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs)], οργανικά πολυμερή [poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)], νανοκρυσταλλικά οξίδια [διοξείδιο του τιτανίου (TiO2)], μεταλλικά σύμπλοκα (χρωστικές ρουθενίου) και οργανικές χρωστικές. Ουσιαστικά, η ενσωμάτωση των εκτυπωμένων αρχιτεκτονικών έπειτα από την ιεραρχική τροποποίηση των συνθέτων αποσκοπεί στην πρόσδοση ηλεκτρικών, οπτικών και θερμικών ιδιοτήτων στην τελική δομή τους, χρησιμοποιώντας ημιαγώγιμα θερμοηλεκτρικά και φωτοενεργά υλικά για την επίτευξη δυνατοτήτων συγκομιδής ενέργειας. Όσο αφορά το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, καθώς τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (CFRPs) παρουσιάζουν προσεγγιστικά μεταλλική αγώγιμη συμπεριφορά με πολύ ικανό έργο εξόδου, τους προσδίδεται η ικανή και αποτελεσματική εφαρμογή τους ως ηλεκτρόδιο για την ανάπτυξη φωτοβολταϊκών διατάξεων. Αναφορικά με τη συγκομιδή θερμικής ενέργειας, η βασική ιδέα στηρίζεται στο γεγονός ότι όταν ένα ιεραρχικό σύνθετο υλικό εκτίθεται σε θερμοκρασιακές διαφορές (ΔΤ), μέσω του θερμοηλεκτρικού φαινομένου (φαινόμενο Seebeck) παράγει μια διαφορά δυναμικού (ΔV) εσωτερικά της δομής του. Επιπρόσθετα, η ενεργοποίηση φωτοβολταϊκών ιδιοτήτων σε δομικά σύνθετα υλικά, προσδίδει σημαντικά αυξημένες ιδιότητες συγκομιδής ενέργειας κατά την έκθεσή τους σε ηλιακή ακτινοβολία, ενώ παράλληλα, δύναται αυτές οι δύο ιδιότητες συγκομιδής ενέργειας να λειτουργούν ταυτόχρονα. Στη συνέχεια, η ενέργεια που συλλέγεται από τα προηγμένα σύνθετα υλικά, τους παρέχει τη δυνατότητα τροφοδότησης ηλεκτρικών κυκλωμάτων και συστημάτων στους τομείς που κατέχουν ήδη ευρεία χρήση όπως η αεροδιαστημική, η αεροναυπηγική, η αυτοκινητοβιομηχανία, η ναυτιλία, οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας κ.α.. Τα σύνθετα υλικά είναι ιδανικά για κατασκευές υψηλών μηχανικών απαιτήσεων, καθώς παρουσιάζουν εξαιρετικές ειδικές ιδιότητες όπως η υψηλή μηχανική αντοχή και το χαμηλό βάρος. Όταν πρόκειται για δομικά υλικά υψηλών προδιαγραφών (π.χ. οργανισμοί πιστοποίησης αεροναυπηγικών κατασκευών), είναι επιτακτική η ανάγκη της ασφαλής λειτουργίας τους κατά την προβλεπόμενη διάρκεια ζωής τους. Συνεπώς, η κατάσταση της δομικής τους ακεραιότητας σε πραγματικό χρόνο κατά τη λειτουργία τους με την ελάχιστη δυνατή παρέμβαση στη δομή τους, αποτελεί πολύ σημαντικό παράγοντα ασφάλειας και λειτουργικότητας. Επιπλέον η εξοικονόμηση που επιτυγχάνεται μέσω των προηγμένων σύνθετων υλικών συγκομιδής ενέργειας για την τροφοδότηση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και συστημάτων (π.χ. ταμπλό αεροσκάφους/ αυτοκινήτου, αισθητήρες δομικής ακεραιότητας), καθώς και το χαμηλό τους βάρος, τους παρέχει τη δυνατότητα να μειώσουν κατά μεγάλο ποσοστό τις καταναλώσεις των μέσων που τα απαρτίζουν αλλά και να αυξήσουν την ασφαλή λειτουργία τους. | el |
| heal.academicPublisher | Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων / Πολυτεχνική Σχολή / Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών | el |
| heal.academicPublisher | University of Ioannina / School of Engineering / Materials Science and Engineering Department | en |
| heal.academicPublisherID | uoi | el |
| heal.access | embargo | el |
| heal.advisorName | Paipetis, Alkiviadis | en |
| heal.bibliographicCitation | They are included in the Dissertation | other |
| heal.classification | Engineering and Technology ➨ Materials Engineering ➨ Materials Science, interdisciplinary | |
| heal.classification | Engineering and Technology ➨ Materials Engineering ➨ Electronic, Optical and Magnetic Materials | |
| heal.classification | Engineering and Technology ➨ Nanotechnology ➨ Nanoscience and Nanotechnology | |
| heal.committeeMemberName | Gournis, Dimitrios | en |
| heal.committeeMemberName | Gergidis, Leonidas | en |
| heal.committeeMemberName | Matikas, Theodoros | en |
| heal.committeeMemberName | Melanitis, Nikolaos | en |
| heal.committeeMemberName | Barkoula, Nektaria-Marianthi | en |
| heal.committeeMemberName | Salmas, Konstantinos | en |
| heal.contributorName | Mytafides, Christos | en |
| heal.dateAvailable | 2027-02-12T22:00:00Z | |
| heal.fullTextAvailability | true | |
| heal.generalDescription | Renewable Energy & Multifunctional Devices Energy is all around in our environment, from the sun’s rays, to the wind blowing, to the waves in the ocean. The industry of renewable energy is designing and developing technology to harvest this energy and deliver it to the electrical grid utilizing solar panels, wind turbines and wave energy converters. However, there are also other subordinate energy sources all around that may be utilized to power commercial low-power technological systems. This is referred as micro-energy harvesting and is facilitated using devices that are capable to capture an environmental input (e.g. heat or interior sunlight) and convert it to electricity. From a multifunctional perspective, the possibility of having structural components that can harvest energy is quite appealing. The challenge, however, is to identify materials that have energy-harvesting capabilities while still possessing high mechanical properties. In this dissertation, the implementation and integration of specific energy-harvesting properties, as well as their simultaneous operation through printed electronic architectures are investigated, designed, developed, and characterized, resulting in the construction of advanced multifunctional and hybrid devices, which can be used as wearables, hybrid devices, or even as aircraft structural materials with energy harvesting capabilities. i. Motivation Nowadays, when it comes to modern lifestyle, we are facing significant technological advancements with a variety of resources to facilitate our daily lives. Nevertheless, researchers and industries are trying to find solutions to address the escalating energy demands to cover our needs, which in turn exhibit significant amounts of pollutants channeling into the environment resulting in the intense interaction of human activities with the integrity and the health of the environment, therefore the health of all living organisms including humans. The continuous increase in the energy consumption per capita and the embedded energy of the used materials, foreshadows the necessity of finding adaptable solutions with multiple properties and practical designs, aiming to achieve or provide additional functionalities in order to counterbalance the energy demands. An interesting approach is the synchronous operation of the used components or parts of a functional structure, as simultaneous energy harvesting systems, with the aim of either storage of renewable energy from the operating environment, or covering up the demands/consumption of the existing one. During the energy production processes from fossil fuel power stations and its distribution to the network, but also during the processes of developing industrial products and their distribution in the market, large amounts of thermal energy are wasted in the atmosphere from industrial combustion processes or the transportation vehicles. Recycling this lost energy using thermoelectric devices could contribute significantly to reducing energy production, thus reducing combustion and the release of pollutants into the atmosphere. In addition, the advancement of solar energy exploitation, both with the conversion of light and simultaneous conversion of thermal energy of the incident solar radiation into useful electrical energy, could be another very interesting hybrid technology to address modern demands. Furthermore, efforts to find the efficiency improvements as well as the adaptability of the energy harvesting devices is a very important approach for the exploitation and conversion of the ambient energy. Also, an important point of development is the investigation of nanostructured materials as well as the emerging methods of manufacturing multifunctional materials and energy harvesting devices. The objective of this dissertation is to develop advanced multifunctional materials and devices with embedded energy-harvesting capabilities, facilitating them to generate energy from renewable sources, in order to power-up consumables and everyday electronic devices. Moreover, this dissertation aims to motivate an innovative way of exploiting potential functionalities of nanomaterials in order to create sustainable structures and devices capable to harvest and manage photovoltaic and thermal energy with sophisticated adaptable geometries. | en |
| heal.identifier.secondary | http://hdl.handle.net/10442/hedi/55866 | el |
| heal.language | en | el |
| heal.numberOfPages | 288 | el |
| heal.publicationDate | 2023-10-31 | |
| heal.recordProvider | Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων / Πολυτεχνική Σχολή / Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών | el |
| heal.recordProvider | University of Ioannina / School of Engineering / Materials Science and Engineering Department | en |
| heal.tableOfContents | Introduction 1 1. ALTERNATIVE ENERGY SOURCES 1 2. COMPOSITES & MULTIFUNCTIONALITY 19 Theoretical part 31 3. COMPOSITES 31 4. CARBON NANOMATERIALS 36 5. THERMOELECTRIC MATERIALS 40 6. PHOTOVOLTAIC SYSTEMS 43 Dye-sensitized solar cells 54 7. PHOTOELECTROCHEMICAL SOLAR CELLS 54 Flexible printed electronics architectures 95 8. THERMOELECTRIC ENERGY HARVESTING DEVICES 95 Integrated architectures of printed electronics 143 9. THERMOELECTRIC ENERGY HARVESTING STRUCTURAL COMPOSITES 143 3D printed energy harvesting devices 183 10. ADDITIVE MANUFACTURING THERMOELECTRIC MATERIALS 183 Hybrid energy harvesting devices 199 11. PHOTOVOLTAIC / THERMOELECTRIC MATERIALS & DEVICES 199 Conclusions & outlook 221 12. Summary of results and conclusions 221 Conclusions 221 Outlook 224 Appendix 227 13. Additional details on the materials and characterization methods 227 14. Instruments used for characterization 231 References 247 | en |
| heal.type | doctoralThesis | el |
| heal.type.el | Διδακτορική διατριβή | el |
| heal.type.en | Doctoral thesis | en |
Αρχεία
Φάκελος/Πακέτο αδειών
1 - 1 of 1
Φόρτωση...
- Ονομα:
- license.txt
- Μέγεθος:
- 3.22 KB
- Μορφότυπο:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Περιγραφή: