Raylı Sistemlerde Pnömatik Fren Basınçlarına Uygun Piezoelektrik Enerji Hasadı için Termal Olarak İyileştirilmiş Gr:ZnO:PDMS Esnek Nanokompozit Filmler

Öz

Fonksiyonel nano dolgu maddesi ile zenginleştirilmiş polimer esaslı nanokompozitler, esnek elektronikler, optoelektronik aygıtlar ve enerji hasadı sistemlerinde güçlü bir potansiyel göstermektedir. Bu çalışmada, grafen (Gr), çinko oksit (ZnO) ve polidimetilsiloksan (PDMS) bileşimlerinden oluşan esnek kompozit filmler üretilmiş ve yapısal, morfolojik ve piezoelektrik özellikleri incelenmiştir. Termal işlemin malzeme performansı üzerindeki etkisini değerlendirmek için tavlanmamış ve 200 °C’de 1 saat boyunca ısıl işlem uygulanmış iki örnek grubu hazırlanmıştır. X-ışını kırınımı (XRD) analizi, PDMS matrisi içinde kristal ZnO varlığını doğrulamış; tavlanmış örneklerde ZnO partiküllerinin yeniden düzenlenmesiyle daha homojen dağılımlı ve ince kristalitli bir yapı oluştuğu gözlemlenmiştir. Tarama elektron mikroskobu (FESEM) ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX), tavlanmış kompozitlerde Gr ve ZnO’nun daha eşit dağılım gösterdiğini ve arayüzey etkileşiminin iyileştiğini göstermiştir. Piezoelektrik performans, 1-4 Hz frekans ve 3-6 bar basınç aralığında değişen mekanik uyarımlar altında açık devre gerilimi ve kısa devre akımı ölçümleriyle değerlendirilmiştir. Tavlanmış numuneler tavlanmamış numunelere göre daha yüksek gerilim ve akım çıktıları sergilerken, akım çıktısında iki gruba ait numunelerde sınırlama gözlemlenmiştir. Bu çalışmada kullanılan 3-6 bar basınç ve 1-4 Hz frekans aralıkları, yalnızca deneysel parametreler olarak değil, aynı zamanda raylı sistem araçlarında kullanılan pnömatik fren mekanizmalarının çalışma koşullarını mümkün olduğunca simüle etmek amacıyla belirlenmiştir. Raylı sistemlerde frenleme ve fren çözme döngüleri sırasında hat basıncı tipik olarak 3-6 bar aralığında değişmekte ve bu döngüler düşük frekanslı (1-4 Hz) mekanik titreşimler üretmektedir. Bu nedenle çalışmada uygulanan mekanik uyarımlar, fren sisteminin işletme sırasında maruz kaldığı basınç salınımlarını ve dinamik yüklemeleri laboratuvar ortamında oluşturmayı hedeflemektedir. Bu simüle düzenek sayesinde geliştirilen Gr:ZnO:PDMS kompozit filmlerin fren silindir yüzeyi, fren hattına bağlı esnek diyaframlar veya yardımcı basınç odaları üzerine entegre edilmeleri durumunda gösterecekleri performans öngörülebilir hale gelmiştir. Elde edilen sonuçlar, kompozit filmin raylı sistemlerde karşılaşılan gerçekçi mekanik uyarımları elektriksel sinyallere dönüştürebildiğini göstermekle birlikte bu malzemeyi pnömatik fren alt yapısına entegre edilebilecek esnek enerji hasadı ve kendi enerjisini kendisi üretebilen basınç/durum izleme sensörleri için güçlü bir aday haline getirmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Raylı sistemler
• pnömatik fren sistemi
• Piezoelektrik nanokompozit
• Enerji hasadı

Etik Beyan

Bu makalede bilimsel araştırma ve yayın etiğine uyulmuştur.

Teşekkür

Yazar, FESEM cihazı ve teknik destek imkanların sağlanması nedeniyle Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Merkezi Araştırma Laboratuvarı Uygulama ve Araştırma Merkezi’ne (ARUM) teşekkür eder. Ayrıca, bu çalışmada gerçekleştirilen XRD analizleri ve piezoelektrik ölçümlerine sağladıkları katkılar için Eskişehir Teknik Üniversitesi İleri Seramik Teknoloji Laboratuvarı’na teşekkürlerini sunar.

Thermally Enhanced Gr:ZnO:PDMS Flexible Nanocomposite Films for Piezoelectric Energy Harvesting under Pneumatic Brake Pressures in Railway Systems

Öz

Polymer-based nanocomposites enriched with functional nanofillers offer strong potential for flexible electronics, optoelectronic devices, and energy harvesting systems. In this study, flexible composite films composed of graphene (Gr), zinc oxide (ZnO), and polydimethylsiloxane (PDMS) were fabricated and investigated for their structural, morphological, and piezoelectric properties. Two types of samples, non-annealed and thermally annealed at 200 °C for 1 hour, were prepared to assess the impact of thermal treatment on material performance. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the presence of crystalline ZnO within the PDMS matrix, with annealed samples at 200°C for 1 hr exhibiting partial reorganization and redistribution of ZnO particles in the PDMS matrix, resulting in more homogeneously dispersed and finer crystallites. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) revealed a more uniform dispersion and better interfacial integration of Gr and ZnO in the annealed composites. Piezoelectric performance was evaluated by measuring open-circuit voltage and short-circuit current under mechanical stimuli ranging from 1-4 Hz and 3-6 bar. Annealed films demonstrated higher voltage and current outputs compared to non-annealed samples; however, both sample groups showed limited sensitivity in current responses. Importantly, the selected pressure and frequency ranges were not arbitrary experimental parameters but were chosen to realistically stimulate the operating conditions of pneumatic brake mechanisms used in rail vehicles. During braking and release cycles, these systems typically experience 3-6 bar pressure fluctuations and low-frequency mechanical oscillations. The results indicate that Gr:ZnO:PDMS films can effectively convert realistic pneumatic brake-induced mechanical stimuli into electrical signals, making them promising candidates for integration into rail vehicle brake infrastructure as flexible harvesters or self-powered pressure and condition-monitoring sensors.

Anahtar Kelimeler

• Railway systems
• Pneumatic brake system
• Piezoelectric nanocomposite
• Energy harvesting

Etik Beyan

The author declares that this study was conducted in accordance with established scientific research and publication ethics.

Teşekkür

The author gratefully acknowledges the Central Research Laboratory Application and Research Center (ARUM) at Eskisehir Osmangazi University for the FESEM analysis. The author also thanks Advanced Ceramic Technologies Laboratory at Eskisehir Technical University for XRD analysis and piezoelectric effect measurements.

Kaynakça

1. [1] M.Y. Gao, P. Wang, Y. Cao, R. Chen, C. Liu, “A rail-borne piezoelectric transducer for energy harvesting of railway vibration,” J. Vibroeng., vol. 18, no. 7, pp. 4647-4663, Nov. 2016, doi: 10.21595/jve.2016.16938
2. [2] D. Ding, J. Fan, H. Wang,G. Jing, and Y. Guo, “Piezoelectric energy harvesting in railways: Current status and future challenges,” Energy Strategy Rev., vol. 61, no. 101869, Sept. 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.esr.2025.101869
3. [3] N. Bosso, M. Magelli, and N. Zampieri, “Application of low-power energy harvesting solutions in the railway field: a review,” Veh. Sys. Dyn., vol. 59, no. 6, pp. 841-871, 2021, doi: https://doi.org/10.1080/00423114.2020.1726973
4. [4] L. Qi, H. Pan, Y. Pan, D. Luo, J. Yan, and Z. Zhang, “A review of vibration energy harvesting in rail transportation field,” iScience, vol. 25, no. 103849, Mar. 2022, doi:https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.103849
5. [5] US Department of Transportation Federal Railroad Administration, Self-powered wireless brake health monitor, Research result, Nov. 2008. Available: https://railroads.dot.gov/sites/fra.dot.gov/files/fra_net/2015/rr0830.pdf?utm
6. [6] R. Ariati, F. Sales, A. Souza, A. R. Lima, J. Riberio, “Polydimethylsiloxane composites characterization and its applications: a review,” Polymers, vol. 13, no. 4258, Dec. 2021, doi: https://doi.org/10.3390/polym13234258
7. [7] Y. Amangeldinova, D. Aben, X. Ma, H. Ahn, K. Kim, M-D. Shin, H-Y. Hwang, “Enhancing electrical outputs of piezoelectric nanogenerators by controlling the dielectric constant of ZnO/PDMS composite,” Micromachines, vol. 12, no. 630, May 2021, doi: https://doi.org/10.3390/mi12060630
8. [8] Q. Huang, J. Wu, D. Zeng, P. Zhou, “Graphene-wrapped ZnO nanocomposite with enhanced room-temperature photo-activated toluene sensing properties,” Mater., vol. 17, no. 1009, Feb. 2024, https://doi.org/10.3390/ma17051009

9. [9] M. Muszynski, H. Teisseyre, K. Sobczak, J. Suffczynski, “Stable charged excitation in a ZnO/(Zn, Mg)O quantum well at near room temperature,” Appl. Phys. Lett., vol. 117, no. 033102, Jul. 2020, https://doi.org/10.1063/5.001638
10. [10] X. Yu, J. Xu, H. Lu, G. Fang, “Sol-gel derived Al-doped zinc-oxide-reduced graphene oxide nanocomposite thin films,” J. Alloys Compd., vol. 699, pp. 79-86, Mar. 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.12.326
11. [11] K. Batra, N. Sinha, B. Kumar, “Tb-doped ZnO:PDMS based flexible nanogenerator with enhanced piezoelectric output performance by optimizing nanofiller concentration,”. Ceram. Int., vol. 46, pp. 24120-24128, Oct. 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.06.191
12. [12] V. S. Bhati, M. Hojamberdiev, M. Kumar, “Enhanced sensing performance of ZnO nanostructures based on gas sensors: a review,” Energy Rep., vol. 6, no. 4, pp. 46-62, Feb. 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2019.08.070
13. [13] F, Gong, H. Li, W. Wang, D. Xia, Q. Liu, D. V. Papavassiliou, Z. Hu, “Recent advanced graphene-based free-standing films for thermal management: Synthesis, properties, and applications,” Coatings vol. 8, no. 63, Feb. 2018, doi: https://doi.org/10.3390/coatings8020063
14. [14] J. S. Murray, Z. P-I. Shields, P. Politzer, Design and Applications of Nanomaterials for Sensors, Dordrecht, Netherlands: Springer, 2014
15. [15] A. Nieto, A. Bisht, D. Lahiri, C. Zhang, A. Agarwal, “Graphene reinforced metal and ceramic matrix composites: a review,” Int. Mater. Rev., vol. 62, pp. 241-302, Oct. 2016, doi: https://doi.org/10.1080/09506608.2016.1219481
16. [16] S. Kumar, Himanshi, J. Prakash, A. Verma, Suman, R. Jasrotia, A. Kandwal, R. Verma, K. S. Godara, M. A. M. Khan, M. S. Alshehri, J. Ahmed, “A review on properties and environmental applications of graphene and its derivative-based composites,” Catalysts, vol. 13, no. 111, May, 2023, doi: https://doi.org/10.3390/catal13010111
17. [17] A. R. Urade, I. Lahiri, K. S. Suresh, “Graphene properties, synthesis and applications: a review,” Jom-J. Min. Met. Mat. S., vol. 75, pp. 614-630, Mar. 2023, doi: https://doi.org/10.1007/s11837-022-05505-8
18. [18] G-H. Nam, S-H. Baek, C-H. Cho, I-K. Park, “A flexible and transparent graphene/ZnO nanorod hybrid structure fabricated by exfoliating a graphite substrate,” Nanoscale, vol. 6, pp. 1165311658, Aug. 2014, doi:https://doi.org/10.1039/C4NR02318H
19. [19] J. Sengupta, C. M. Hussain, “Graphene-enhanced piezoelectric nanogenerators for efficient energy harvesting,” J-C. Carbon Res., vol. 3, no. 3, Jan. 2025, doi: https://doi.org/10.3390/c11010003
20. [20] K. Deng, Z. Liu, H. Liu, Y. Chen, S. Li, S. Guo, B. Xiu, X. Dong, H. Cao, “Temperature dependence on microstructure, crystallization orientation, and piezoelectric properties of ZnO films,” Sensors, vol. 25, no. 242, Jan. 2025, doi: https://doi.org/10.3390/s25010242
21. [21] M. Tortello, S. Colonna, M. Bernal, J. Gomez, M. Pavese, C. Novara, F. Giorgis, M. Maggio, G. Guerra, G. Saracco, R-S. Gonnelli, A. Fina, “Effect of thermal annealing on the heat transfer properties of reduced graphite oxide flakes: a nanoscale characterization via scanning thermal microscopy,” Carbon, vol. 109, pp. 390-401, Nov. 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.08.017
22. [22] A. J. Greaney, C. M. McCarthy, J. P. Vethil, M. Abubaker, E. C. Reardon, F. D. Crowley, E. M. Cunnane, J. E. Mulvihill, “A comprehensive protocol for PDMS fabrication for use in cell culture,” PLOS one, May 2025, doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0323283
23. [23]S. Azizi, R. Mohamad, A. Bahadoran, S. Bayat, R. A. Rahim, A. Ariff, W. Z. Saad, “Effect of annealing temprature on antimicrobial and structual properties of bio-synthesized zinc oxide nanoparticles using flowe extract of Anchusa italica,” J. Photochem. Photobiol. B., vol. 161, pp. 441-449, Aug. 2016, doi: 10.1016/j.jphotobiol.2016.06.007
24. [24]D. B. Kamaruzaman, M. H. Mamat, N. I. K. Ariffin, A. S. R. B. A. Subki, H. Abdullah, N. Parimon, M. K. Yaakob, M. F. Malek, I. B. S. Banu, N. Vasimalai, A. B. Suriani, A. Mohamed, M. K. Ahmad, M. Rusop, “Effects of thermal annealing on the morphology and structural characteristics of zinc oxide nano powders for triboelectric nanogenerator applications,”. J. Adv. Res. Fluid. Mech. Therm. Sci., vol. 99, pp. 17-27, Oct. 2022, doi:10.37934/arfmts.99.1.1727
25. [25] F. Salemi, F. Karimzadeh, M-H. Abbasi, F. Moradi, D. H. Pham, J. Kim, “Effective parameters on polydimethylsiloxane/graphene composite-based triboelectric nanogenerator performance,” Int. J. Smart Nano Mater., vol. 15, pp. 365-386, May 2024, doi: https://doi.org/10.1080/19475411.2024.2352481
26. [26]S. Venkatachalam, D. Hourlier, “Heat treatment of commercial Polydimethylsiloxane PDMS precursors: Part I. Towards conversion of patternable soft gels into hard ceramics,” Ceram. Int., vol. 45, pp. 6255-6262, Apr. 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.12.106
27. [27]A. D. Santos, F. Sabino, S. Rovisco, P. Barquinha, H. Aguas, E. Fortunato, R. Martins, R. Igreja, “Optimization of ZnO nanorods concentration in a micro-structured polymeric composite for nanogenerators,” Chemosensors, vol. 9, no. 27, Jan. 2021, doi: https://doi.org/10.3390/chemosensors9020027
28. [28]S. M. Javanmardi, E. Ameri, “Pervaporation characteristics of PDMS/PHMS nanocomposite membranes inclusive multi-walled carbon nanotubes for improvement of acetic acid-methanol esterification reaction,” Polym. Bull., vol. 77, pp. 2591-2609, Jul. 2019, doi: https://doi.org/10.1007/s00289-019-02875-z
29. [29] A. A. G. Santiago, J. G. S. Gondim, R. L. Tranquilin, F. S. Silva, F. F. Fernandez, M. C. B. Costa, F. V. Motta, M. R. D. Bomio, “Development of ZnO/PDMS nanocomposite with photocatalytic/hydrophobic multifunction,” Chem. Phys. Lett., vol. 740, no.137051, Feb. 2020, doi: https://doi.org/10.1016/j.cplett.2019.137051
30. [30]Z. L. Wang, J. Song, “Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays,” Sci., vol. 312, pp. 242-246, Apr. 2006, doi: 10.1126/science.1124005
31. [31]G. Poulin- Vittrant, K. Nadaud, C. R. Chandraiahgari, D. Alquier, “Strategies to enhance ZnO nanogenerator performance via thermal-annealing and cryo-cooling,” Cond. Mat. Mtrl. Sci., 2020, doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2010.05718
32. [32]X-Z. Zhang, Y-P. Xia, X. Liu, Y-M. Zhong, H-B. Zhao, P-H. Wang, “Effect of annealing temperature on the microstructure and optoelectrical properties of ZnO thin films and their application in self-powered accelerometers,” Int. J. Miner. Metall. Mater., vol. 26, pp. 1186-1193, Sept. 2019,doi: https://doi.org/10.1007/s12613-019-1828-3
33. [33]N. Bhadwal, R. B. Mrad, K. Behdinan, “Review of zinc oxide piezoelectric nanogenerators: piezoelectric properties, composite structures and power output,” Sensors, vol. 10, Apr. 2023, doi: 10.3390/s23083859
34. [34]L. Gong, I. A. Kinloch, R. J. Young, I. Riaz, R. Jalil, K. S. Novoselov, “Interfacial stress transfer in a graphene monolayer nanocomposite,” Adv. Mater., vol. 22, pp. 2694-2697, Jun. 2010, doi: https://doi.org/10.1002/adma.200904264
35. [35]H. Yao, F. Li, J. Lutkenhaus, M. Kotaki, H.-J. Sue, “High-performance photocatalyst based on nanosized ZnO reduced graphene oxide hybrid for removal of rhodamine B under visible light irradiation,” AIMS Mater. Sci., vol. 3, pp. 1410-1425, Oct. 2016, doi: 10.3934/matersci.2016.4.1410
36. [36]Y. Zhang, Y. Zhang, L. Song, Y. Guo, L. Wu, T. Zhang, “Illustration of charge transfer in graphene coated hexagonal ZnO photocatalysts using Kelvin probe force microscopy,” RSC Adv., vol. 8, pp. 885-894, Jan. 2018, doi:10.1039/C7RA12037K