Development of technologies for the utilization of thermoelectric and electrothermal energy from advanced structural multifunctional composite materials

Abstract

Fiber-reinforced polymer (FRP) advanced composites consist a prominent class of high-demand construction materials with significantly improved specific properties that combine low weight, high mechanical strength and excellent corrosion resistance. Moreover, the relatively easy manufacturing procedures and low maintenance costs are some of the factors that have led composites to rank first among the state-of-the-art advanced structures for a wide range of applications. Additionally, beyond the state-of-the-art, multifunctional structural composites constitute an extremely interesting research field introducing new secondary functions, such as autonomous structural integrity monitoring, temperature control, deformation or damage detection, self-healing, energy harvesting and power generation. The purpose of the present PhD thesis was to unfold technologies for the utilization of thermoelectric (TE) and electrothermal (ET) energy from advanced structural multifunctional composite materials. In this research, hybrid (inorganic-organic) and organic nanomaterials-based inks were developed and extensively characterized in order to produce functional printed films with desired electrical properties via proper solution-processed printing techniques in both planar and fibrous substrates. Thus, the aim of this study was to seamlessly integrate TE and ET functional “system” reinforcing laminae within FRP composite laminates for the realization of thermoelectric element generator (TEG) enabled and electrothermal-enabled multifunctional structures. The thermal energy harvesting performance (taking advantage of the Seebeck effect) and the out-of-oven curing and de-icing efficiency (taking advantage of the Joule effect) exhibited remarkable results at composite demonstrators level.

Τα προηγμένα ινοενισχυμένα πολυμερικά σύνθετα κατατάσσονται ως μια εξέχουσα κατηγορία κατασκευαστικών υλικών υψηλής ζήτησης με σημαντικά βελτιωμένες ειδικές ιδιότητες που συνδυάζουν χαμηλό βάρος, υψηλή μηχανική αντοχή και εξαιρετική ανθεκτικότητα στη διάβρωση. Επιπλέον, οι σχετικά εύκολες κατασκευαστικές διεργασίες και το χαμηλό κόστος συντήρησης είναι μερικοί από τους παράγοντες που οδήγησαν τα σύνθετα υλικά να συμπεριλαμβάνονται στις πρώτες θέσεις μεταξύ των πιο προηγμένων δομικών στοιχείων για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Επιπλέον, τα πολυλειτουργικά δομικά σύνθετα αποτελούν ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον ερευνητικό πεδίο, καθώς επιτρέπουν την εισαγωγή νέων δευτερεύουσων λειτουργιών, όπως η αυτο-παρακολούθηση δομικής ακεραιότητας, έλεγχος θερμοκρασίας, ανίχνευση παραμορφώσεων ή αστοχιών, αυτοΐαση, συγκομιδή και παραγωγή ενέργειας. Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να αναπτυχθούν τεχνολογίες για την αξιοποίηση θερμοηλεκτρικής και ηλεκτροθερμικής ενέργειας από προηγμένα δομικά πολυλειτουργικά σύνθετα υλικά. Σε αυτήν την έρευνα, υβριδικά (ανόργανα-οργανικά) και οργανικά μελάνια νανοσωματιδίων αναπτύχθηκαν και χαρακτηρίστηκαν εκτενώς προκειμένου να παραχθούν λειτουργικά τυπωμένα υμένια με επιθυμητές ηλεκτρικές ιδιότητες μέσω κατάλληλων τεχνικών εκτύπωσης υγρής εναπόθεσης σε επίπεδα και ινώδη υποστρώματα. Έτσι, ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν η απρόσκοπη ενσωμάτωση λειτουργικών (θερμοηλεκτρικά και ηλεκτροθερμικά) με ιδιότητες θερμοηλεκτρικής γεννήτριας και ηλεκτροθερμικής απόκρισης «βοηθητικών» εμποτισμένων με εποξειδική ρητίνη ενισχυτικών υφασμάτων εντός σύνθετων πολύστρωτων δομών. Η απόδοση της συγκομιδής θερμικής ενέργειας (επωφελούμενη από το φαινόμενο Seebeck) και η ενεργειακά αποδοτική διαδικασία του πολυμερισμού εκτός φούρνου και διαδικασία απομάκρυνσης επιφανειακά ποσότητας πάγου (εκμεταλλευόμενη το φαινόμενο Joule) παρουσίασαν αξιοσημείωτα αποτελέσματα σε επίπεδο σύνθετων δομών επίδειξης.