EAGER/Collaborative Research: Experimental Verification of Piezoelectric Augmentation of Strength and Toughness in Polymer Fiber Bundles

EAGER/合作研究:压电增强聚合物纤维束强度和韧性的实验验证

基本信息

  • 批准号:
    1450110
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 7.57万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2014
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2014-08-01 至 2016-07-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

With this EArly-concept Grant for Exploratory Research (EAGER) the feasibility of an anticipated enhancement of mechanical properties for piezoelectric polymeric bundles of nanofibers will be explored. Piezoelectric materials are responsive materials that generate mechanical stress in response to an applied electric field (or vice versa). The premise for the concept is that electrostatic interactions can enhance load transfer between piezoelectric fibers in a yarn, thereby potentially increasing the strength and toughness of the yarn. This finding could impact applications in aerospace and automotive industries where fiber-reinforced composites are used for their high strength and light weight features. This research effort will serve as a platform to train the future workforce for STEM fields with focus on nanotechnology and materials engineering. The objective of this research is to experimentally demonstrate the magnitude of internal long-range electrostatic interactions between deformation-induced piezoelectric charges toward enhancing the mechanical properties of fibrous synthetic yarns. The planned approach is based on the premise that the electrostatic interactions between piezoelectrically-induced charges in hierarchical structures can considerably enhance load-transfer between fibers of the yarn. The piezoelectric enhancement of mechanical properties is potentially significant, and may impact the design of high performance structural materials through systematic engineering of piezoelectric behavior. This research is inspired by toughness mechanisms in bone and potential role of piezoelectric effect of collagen fibrils in bone's remarkable mechanical properties. As such, demonstration of piezoelectric augmentation of mechanical properties in a synthetic material may provide new insight into mechanics of natural materials. Toward the goal, polymeric (polyvinylidene fluoride) piezoelectric membranes and yarns will be fabricated via electrospinning process and poled via electromechanical treatment. The piezoelectric properties of the nanofibers and the mechanical properties of the yarns will be measured as a function of poling conditions.
借助对探索性研究的早期概念赠款(急切),将探索机械性能对压电聚合物束的预期增强纳米纤维的可行性。压电材料是响应式材料,可响应于应用的电场(反之亦然)产生机械应力。该概念的前提是静电相互作用可以增强纱线中压电纤维之间的负载转移,从而可能增加纱线的强度和韧性。这一发现可能会影响航空航天和汽车行业的应用,在这些行业中,将纤维增强的复合材料用于高强度和轻巧的特征。这项研究工作将成为一个平台,以培训未来的劳动力队伍的STEM领域,重点是纳米技术和材料工程。 这项研究的目的是实验证明变形诱导的压电电荷之间的内部远程静电相互作用的大小,以增强纤维合成纱的机械性能。计划的方法基于这样的前提:在层次结构中,压电诱导的电荷之间的静电相互作用可以大大增强纱线纤维之间的负载转移。机械性能的压电增强具有潜在的意义,可能会通过压电行为的系统工程影响高性能结构材料的设计。这项研究的灵感来自骨骼中的韧性机制和胶原原纤维在骨骼非凡的机械性能中的压电作用的潜在作用。因此,合成材料中机械性能的压电增强的证明可能会提供对天然材料力学的新见解。为了实现目标,聚合物(聚乙烯二氟)压电膜和纱线将通过静电纺丝工艺制造,并通过机电处理进行凝聚。纳米纤维的压电特性和纱线的机械性能将作为poling条件的函数测量。

项目成果

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