Pietsosähköisten keraamien kierrätys käänteisellä komposiittimenetelmällä. Yhdistetty kokeellinen ja teoreettinen tutkimus

Pietsosähköiset keraamit ovat keskeisiä monissa nykyaikaisissa teknologioissa. Ne muuntavat mekaanisen liikkeen sähköisiksi signaaleiksi ja niitä käytetään muun muassa ajoneuvojen ja puettavien laitteiden sensoreissa, teollisissa valvontalaitteissa sekä pienissä energiankeräimissä. Vaikka nämä materiaalit ovat erittäin hyödyllisiä, niiden valmistus edellyttää perinteisesti hyvin korkeita lämpötiloja (yli 1000 °C) ja ne sisältävät usein lyijyä, mikä tekee tuotannosta energiaintensiivistä ja materiaalien loppukäsittelystä ympäristölle ongelmallista.

Näiden vaikutusten vähentämiseksi on viime vuosina kehitetty matalalämpötilainen kierrätysmenetelmä, niin kutsuttu käänteinen komposiittimenetelmä (upside down composite method). Siinä käytöstä poistettuja pietsosähköisiä keraameja murskataan ja muotoillaan uudelleenkäyttöön komposiiteiksi huomattavasti alhaisemmissa lämpötiloissa (alle 150 °C) pienen sidosainepitoisuuden avulla. Vaikka menetelmän on osoitettu toimivan käytännössä, kierrätettyjen materiaalien sähköisten ominaisuuksien muutosten taustalla olevia fysiikan ilmiöitä ei ole aiemmin täysin ymmärretty – erityisesti sitä, miksi jotkin ominaisuudet heikkenevät, kun taas toiset säilyvät yllättävänkin vahvoina.

Tämä väitöskirja paikkaa kyseistä tietovajetta. Yksityiskohtaiset kokeet paljastavat, miten sähökentät jakautuvat kierrätetyissä komposiiteissa ja miten sidosaine ja keraamipartikkelit vuorovaikuttavat keskenään. Keskeinen havainto on niin kutsuttu komposiitti-ilmiö: komponenttien sähköisten ominaisuuksien erot keskittävät sähkökentän sidosaineeseen keraamipartikkelien sijaan. Tämä ilmiö selittää sähköisen varauksen generointikyvyn heikkenemisen, mutta samalla myös sen, miksi jännitevaste säilyy riittävän korkeana monissa anturisovelluksissa.

Näiden kokeellisten havaintojen pohjalta väitöskirja validoi tuloksia analyyttisillä malleilla ja laajentaa ne edelleen tekoälyyn soveltuvaan mallinnuskehykseen. Mallit kvantifioivat mikrorakenteen, partikkelien muodon ja polarointiprosessien vaikutuksen kierrätettyjen materiaalien suorituskykyyn. Menetelmää laajennetaan myös muihin potentiaalisiin kierrätysstrategioihin, ja sen avulla voidaan ennustaa eri materiaalikombinaatioiden käyttäytymistä ja optimoida tulevia komposiitteja ilman pelkkää kokeellista yritys erehdys lähestymistapaa.

Paljastamalla kierrätettyjen pietsosähkökomposiittien toiminnan taustalla olevat mekanismit ja tarjoamalla mallinnuskehikon niiden suunnittelun tueksi väitöskirja vahvistaa uuden kierrätysmenetelmän tieteellistä perustaa. Se mahdollistaa pietsosähköisten keraamien entistä skaalautuvamman ja sovelluslähtöisemmän uudelleenkäytön ja tukee siten laajemmin kestävän elektroniikan valmistusta.