Synthesis and characterization of ZnO finewires for the conceptual design of a mechanical battery

Abstract

La caracterización de arreglos de micro hilos de óxido de Zinc (ZnO) se ha realizado con la finalidad de diseñar una batería experimental que utiliza la energía de deformación como fuente de energía. El principio de almacenamiento está basado en la compresión simple de un muelle cuya fuerza de compresión se encuentra asociada a la energía que es cosechada. Mediante el mismo principio se propone la compresión de un arreglo de nano hilos de ZnO crecidos de forma alineada perpendiculares al sustrato de crecimiento, funcionando como muelles elásticos que almacenen energía en un medio enteramente mecánico. El ZnO se ha elegido por ser un material en el que se pueden crecer nano estructuras con forma de hilos, barras y filamentos de manera sencilla y de bajo coste a través de un método de síntesis llamado método hidrotérmico. Tomando en cuenta las mejores muestras alineadas de micro hilos de ZnO, se realizó un proceso para su caracterización mecánica en dos fases principales. La primera fase consiste en el estudio estadístico para dimensionar su morfología y tamaños así como su densidad de crecimiento media por toda la muestra. En segundo lugar se llevó a cabo la realización de la aplicación de la teoría lineal elástica que después fue corroborada y replicada con simulaciones de elementos finitos (FEM). Las condiciones de contorno consideradas como comportamientos posibles en los micro hilos de ZnO fueron libre-empotrado y articulado-empotrado. Finalmente los micro hilos se sometieron a pruebas de compresión simple utilizando un nanoindentador comercial, para llevar a cabo el análisis experimental puntual de las propiedades del material del que se conforman y así determinar la discrepancia con el modelo teórico así como su capacidad de almacenamiento de energía real.

The synthesis and characterization for a ZnO array have been done in this research, with the aim of design an experimental mechanical battery, which uses the strain energy as energy source. The storage principle is based on a common spring, which is loaded by the force associated to the energy to be harvested. By following the same principle our approach is based on the compression of a ZnO fine wires array (ZnOfws), grown vertically on a substrate surface, working as regular springs and storing energy entirely on the mechanical domain. The ZnO has been chosen as a “spring-like” material, due to the fact the fine wires growth is cheap and simple, using an aqueous synthesis called “hydrothermal method”. By taking the best aligned ZnO array obtained, the dimensions measurement was carried out through a statistically method, based on the SEM images analysis. From this study the average growth density, diameters and lengths were obtained. Afterwards, a mechanical study for a single fine wire was done, applying the linear elastic theory and FEM simulations. In order to, analyze the most likely mechanical behaviors for a single ZnOfw. Finally, the fine wires samples were submitted to a mechanical characterization through the nanoindentation technique, with the objective of see the real deformation levels and, mechanical energy storage capability that they have. As an alternative to this measurement a customized compression set-up was fabricated, in order to, analyze the mechanical behavior of a ZnOfws array at a larger scale.