Piezoelektrik özellikli nano-biyokompozit malzemelerin üretilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Modern dünyanın temel sorunları arasında yer alan enerji ihtiyacı bilim ve teknolojinin gelişimini etkilemektedir. Düşük enerji tüketen cihazların, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren piezoelektrik malzemeler kullanılarak kendi enerjisini üreten sistemler olarak tasarlanması çözüm alternatiflerinden biri olarak görülmektedir. Bu nedenle kendi enerjisini üretebilen, giyilebilir, esneyebilir ve sürdürülebilir piezoelektrik özellikli cihazların geliştirilmesine olan ilgi artmıştır. Bu tez çalışmasında nano biyokompozit yapıda malzemeler ve enerji üretimi uygulamaları için piezoelektrik malzemelerin geliştirilmesinde yeni yaklaşımlar araştırılmıştır. Bu çalışmada ilk olarak piezoelektrik özelliğe sahip ince filmlerin üretilmesi incelenmiştir. Materyal olarak kitosan ve grafen kullanılarak piezoelektrik özellikli ince filmler üretilmiştir. Bu filmlerin üretiminde kullanılan grafen oranı %1, %2 ve %4 ve bakır elektrot alanı 1 cm2 ve 1,5 cm2 olacak şekilde seçilmiştir. Yapılan deneylerde ilk grupta; C-Grf 1A 20 mv, C-Grf 2A 40 mv, C-Grf 3A 55 mv ikinci grupta; C-Grf 2A 5 mv, C-Grf 2B 10 mv, C-Grf 3B 20 mv olduğu ölçülmüştür. Grafenin piezoelektrik enerji üretimine katkı sağladığı görülmüştür. Üretilen filmin yüzey alanı %50 arttırıldığında ise üretilen enerjide miktarında azalma olduğu gözlemlenmiştir. Üretilen bu filmlerin yapısı, gözenekliliği, yapısal analizi, yüzey yapısı, film kompozisyon tayini gibi özellikleri SEM, XRD, FT-IR analiz yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Sonuç olarak kitosan ve grafen kullanılarak üretilen piezoelektrik malzemenin deneysel sonuçları ve analitik sonuçlarının örtüştüğü görülmektedir. Üretilen grafen kitosan nano biyokompozitinin yeterli piezoelektrik özellik gösterdiği görülmüştür. Yapısal ve fiziksel özellikleri geliştirilerek, biyouyumlu yapısı nedeniyle özellikle biyomedikal alan başta olmak üzere düşük enerji tüketen cihazlarda kullanılabilir bir piezoelektrik malzeme elde edilmiştir

The need for energy, which is among the main problems of the modern world, affects the development of science and technology. Designing low energy consuming devices as self-generating systems using piezoelectric materials that convert mechanical energy into electrical energy is seen as one of the alternative solutions. For this reason, there has been an increased interest in the development of wearable, stretchable and sustainable piezoelectric devices that can produce their own energy. In this thesis, new approaches has been researched in the development of piezoelectric materials for nano biocomposite and power generation applications. In this study, firstly, the production of thin films with piezoelectric properties is examined. Thin films with piezoelectric properties were produced by using chitosan and graphene as materials. As a result of the experiments, the graphene ratio used in the production of these films was selected as 1%, 2% and 4%, and the copper electrode area was 1 cm2 and 1,5 cm2. The voltage in the experiments measured as, in the first group; C-Grf 1A 20 mV, C-Grf 2A 40 mV, C-Grf 3A 55 mV, in the second group; C-Grf 2A 5 mV, C-Grf 2B 10 mV, C-Grf 3B 20 mV. It was observed that when the surface area of the produced film was increased by 50%, there was a decrease in the amount of energy produced. The structure, porosity, structural analysis, surface structure, and film composition determination of these films were investigated using SEM, XRD, FT-IR analysis methods. As a result, it is seen that the experimental results and analytical results of the piezoelectric material produced using chitosan and graphene overlap. It was observed that the produced graphene chitosan nano biocomposite showed sufficient piezoelectric properties. By improving its structural and physical properties, due to its biocompatible structure, a piezoelectric material that can be used in low energy consuming devices, especially in the biomedical field, has been obtained.