Polimeri elettroattivi per il riscaldamento e il raffreddamento
I convertitori di temperatura tra i materiali elettroattivi
I polimeri elettroattivi reagiscono a forze, deformazioni e variazioni di temperatura con segnali elettrici. Possono anche deformarsi o cambiare la loro temperatura sotto tensione elettrica. Le variazioni di temperatura mirate sono particolarmente interessanti per i sistemi di riscaldamento e raffreddamento. I polimeri elettrocalorici sono la chiave di tutto questo. I ricercatori del Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP stanno sviluppando materiali elettrocalorici e li stanno trasformando in componenti funzionali. Come cuore di un sistema complessivo ottimizzato, sono una base importante per lo sviluppo futuro di sistemi di riscaldamento e raffreddamento efficienti e compatti che non richiedono refrigeranti nocivi.
I ricercatori del Fraunhofer IAP hanno sviluppato pellicole polimeriche elettrocaloriche con uno spessore molto basso di soli quattro micrometri e le hanno trasformate in componenti multistrato. In futuro saranno utilizzati in vari sistemi di riscaldamento e raffreddamento. Ad esempio, nelle pompe di calore per il controllo della temperatura negli interni dei veicoli, nei moduli delle batterie, nei componenti elettronici, negli armadi di controllo o nei sistemi laser. "I bassi spessori degli strati sono fondamentali per il funzionamento dei sistemi elettrocalorici a tensioni ben inferiori a un kilovolt", spiega il dott. Michael Wegener, responsabile del dipartimento Sensori e Attuatori del Fraunhofer IAP. Insieme al suo team, sviluppa e migliora vari polimeri elettroattivi (EAP) per un'ampia gamma di applicazioni. Tra queste, sensori e attuatori elettromeccanici per applicazioni nella robotica morbida e nell'automazione, rilevatori di suoni e vibrazioni, trasduttori a ultrasuoni, strati piroelettrici per sensori a infrarossi e materiali elettrocalorici per il riscaldamento e il raffreddamento.
Polimeri elettrocalorici: i convertitori di temperatura tra i materiali elettroattivi
I polimeri elettrocalorici reagiscono alle variazioni di tensione elettrica con variazioni di temperatura: l'applicazione improvvisa di un campo elettrico porta a un aumento specifico e repentino della temperatura, che aumenta quanto maggiore è la variazione del campo elettrico. Ciò è dovuto alle strutture polari del materiale, che sono costrette ad allinearsi in modo ordinato dal campo elettrico e rilasciano energia nel processo. Al contrario, assorbono nuovamente energia non appena il campo elettrico viene spento. Il materiale si raffredda bruscamente nella stessa misura. Per l'uso tecnico dei materiali elettrocalorici nei sistemi di riscaldamento e raffreddamento, questi processi devono essere ripetuti ad alta frequenza e controllati in modo che il riscaldamento e il raffreddamento avvengano in ambienti diversi. Solo così è possibile creare una pompa di calore con aree utilizzabili, permanentemente calde e fredde. Per ottenere elevate prestazioni elettrocaloriche sono fondamentali diverse proprietà del materiale, tra cui un'ampia variazione della polarizzazione elettrica, un'elevata rigidità dielettrica, basse perdite termiche e una buona stabilità meccanica.
Sviluppo dei materiali: Soluzioni su misura per applicazioni elettrocaloriche
I ricercatori del Fraunhofer IAP stanno migliorando in modo specifico le proprietà dei materiali elettrocalorici e adattando i componenti sviluppati a partire da essi per applicazioni individuali. L'attenzione si concentra sulle modifiche chimiche e fisiche dei terpolimeri di PVDF e sullo sviluppo di componenti costituiti da diversi strati di film sottili di polimeri elettrocalorici, ottimizzati per le più alte variazioni di temperatura possibili.
Tecnologia a film sottile di alta precisione: La chiave dell'efficienza
I polimeri elettroattivi pongono requisiti elevati alla lavorazione dei film sottili e alla costruzione di sistemi multistrato. Le sfide particolari includono l'omogeneità dei film polimerici e il mantenimento di un'elevata resistenza elettrica e delle proprietà funzionali desiderate - in questo caso, le grandi variazioni di temperatura. "In primo luogo, ottimizziamo i materiali attraverso modifiche chimiche, post-trattamenti termici o indotti da radiazioni o l'aggiunta di cariche. Poi sviluppiamo metodi di produzione speciali, come i processi di rabescatura, rivestimento o stampa, e ottimizziamo i parametri di produzione per produrre film sottili con le proprietà desiderate. Nella fase finale, ci concentriamo sull'ottimizzazione di ulteriori processi, come lo stiramento meccanico dei film o l'applicazione di sistemi di elettrodi con proprietà termiche adeguate", spiega Wegener, riassumendo le fasi di sviluppo dei film polimerici elettrocalorici.
Processi di impilamento: Strutture multistrato per applicazioni di riscaldamento e raffreddamento efficienti
Un aspetto essenziale è l'impilamento dei singoli film in strutture multistrato, note come componenti. L'impilamento di più film con elettrodi intermedi aumenta la quantità di polimero elettrocalorico che interagisce con il campo elettrico senza aumentare la tensione operativa richiesta. Questo tipo di struttura e l'uso di molti componenti di questo tipo forniscono la massa termica appropriata per utilizzare in modo efficiente i polimeri elettrocalorici nei sistemi di riscaldamento e raffreddamento.
Elettrocalore: Tecnologia innovativa in primo piano
Le pellicole e i componenti in polimeri elettrocalorici di nuova concezione sono il risultato del progetto faro del Fraunhofer Electrocaloric Heat Pumps (ElKaWe). In questo progetto, i ricercatori di sei istituti Fraunhofer hanno collaborato allo sviluppo di materiali elettrocalorici innovativi a base di polimeri e ceramica, nonché di un'elettronica di controllo ad alte prestazioni. Le pompe di calore basate su materiali elettrocalorici hanno il potenziale per diventare una soluzione più ecologica ed efficiente per il riscaldamento e il raffreddamento, sostituendo i sistemi convenzionali che utilizzano compressori e refrigeranti dannosi per il clima.
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