Polímeros electroactivos para aquecimento e arrefecimento
Os conversores de temperatura entre os materiais electroactivos
Os polímeros electroactivos reagem a forças, deformações e mudanças de temperatura com sinais eléctricos. Podem também deformar-se ou alterar a sua temperatura sob tensão eléctrica. As alterações de temperatura direcionadas são particularmente interessantes para sistemas de aquecimento e arrefecimento. Os polímeros electrocalóricos são a chave para isso. Os investigadores do Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP estão a desenvolver materiais electrocalóricos e a transformá-los em componentes funcionais. Como coração de um sistema global optimizado, são uma base importante para o desenvolvimento futuro de sistemas de aquecimento e arrefecimento eficientes e compactos que não necessitem de refrigerantes nocivos.
Os investigadores do Fraunhofer IAP desenvolveram películas de polímero electrocalórico com uma espessura muito baixa, de apenas quatro micrómetros, e transformaram-nas em componentes multicamadas. No futuro, serão utilizados em vários sistemas de aquecimento e refrigeração. Por exemplo, em bombas de calor para controlo da temperatura no interior de veículos, módulos de baterias, componentes electrónicos, armários de controlo ou sistemas laser. "As baixas espessuras de camada são cruciais para o funcionamento de sistemas electrocalóricos a tensões muito inferiores a um quilovolt", explica o Dr. Michael Wegener, chefe do departamento de Sensores e Actuadores do Fraunhofer IAP. Juntamente com a sua equipa, desenvolve e melhora vários polímeros electroactivos (EAPs) para uma vasta gama de aplicações. Estas incluem sensores e actuadores electromecânicos para aplicações em robótica suave e automação, detectores de som e vibração, transdutores ultra-sónicos, camadas piroeléctricas para sensores de infravermelhos e materiais electrocalóricos para aquecimento e arrefecimento.
Polímeros electrocalóricos: os conversores de temperatura entre os materiais electroactivos
Os polímeros electrocalóricos reagem às variações de tensão eléctrica com variações de temperatura: a aplicação súbita de um campo elétrico provoca um aumento específico e súbito da temperatura, que aumenta quanto maior for a variação do campo elétrico. Isto deve-se a estruturas polares no material, que são forçadas a um alinhamento ordenado pelo campo elétrico e libertam energia no processo. Por outro lado, absorvem novamente energia assim que o campo elétrico é desligado. O material arrefece abruptamente na mesma medida. Para a utilização técnica de materiais electrocalóricos em sistemas de aquecimento e arrefecimento, estes processos devem ser repetidos a altas frequências e controlados de forma a que o aquecimento e o arrefecimento ocorram em ambientes diferentes. Só então é possível criar uma bomba de calor com áreas utilizáveis, permanentemente quentes e frias. Várias propriedades do material são cruciais para um elevado desempenho electrocalórico, incluindo uma grande alteração na polarização eléctrica, elevada rigidez dieléctrica, baixas perdas térmicas e boa estabilidade mecânica.
Desenvolvimento de materiais: Soluções feitas à medida para aplicações electrocalóricas
Os investigadores do Fraunhofer IAP estão a melhorar especificamente as propriedades dos materiais electrocalóricos e a adaptar os componentes desenvolvidos a partir deles para aplicações individuais. A atenção centra-se nas modificações químicas e físicas dos terpolímeros PVDF e no desenvolvimento de componentes constituídos por várias camadas de películas finas de polímeros electrocalóricos, optimizados para as mais elevadas variações de temperatura possíveis.
Tecnologia de película fina de alta precisão: A chave para a eficiência
Os polímeros electroactivos colocam grandes exigências ao processamento de películas finas e à construção de sistemas multicamadas. Os desafios específicos incluem a homogeneidade das películas de polímero e a manutenção de uma elevada resistência eléctrica e das propriedades funcionais desejadas - neste caso, as grandes mudanças de temperatura. "Primeiro, optimizamos os materiais através de modificações químicas, pós-tratamento térmico ou induzido por radiação, ou adição de cargas. Em seguida, desenvolvemos métodos de fabrico especiais, tais como processos de corte, revestimento ou impressão, e optimizamos os parâmetros de fabrico para produzir películas finas com as propriedades desejadas. Na etapa final, concentramo-nos na otimização de outros processos, como o estiramento mecânico das películas ou a aplicação de sistemas de eléctrodos com propriedades térmicas adequadas", diz Wegener, resumindo as fases de desenvolvimento das películas de polímeros electrocalóricos.
Processos de empilhamento: Estruturas multicamadas para aplicações eficientes de aquecimento e arrefecimento
Um aspeto essencial é o empilhamento de películas individuais em estruturas multicamadas, conhecidas como componentes. O empilhamento de várias películas com eléctrodos entre elas aumenta a quantidade de polímero electrocalórico que interage com o campo elétrico sem aumentar a tensão de funcionamento necessária. Este tipo de estrutura e a utilização de muitos desses componentes fornecem a massa térmica adequada para utilizar eficientemente polímeros electrocalóricos em sistemas de aquecimento e arrefecimento.
Electrocalórico: Tecnologia inovadora em foco
Os filmes e componentes de polímeros electrocalóricos recentemente desenvolvidos são o resultado do projeto emblemático Fraunhofer Electrocaloric Heat Pumps (ElKaWe). Neste projeto, investigadores de seis institutos Fraunhofer trabalharam em conjunto para desenvolver materiais electrocalóricos inovadores à base de polímeros e cerâmica, bem como eletrónica de controlo de alto desempenho. As bombas de calor baseadas em materiais electrocalóricos têm o potencial de se tornarem uma solução mais ecológica e eficiente para aquecimento e arrefecimento, substituindo os sistemas convencionais que utilizam compressores e refrigerantes prejudiciais ao clima.
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