Effective bulk modulus elastographic study of concentration-tunable PVDF-V2O3 electrospun composite films

Автор(и)

  • Kailash Chandra Shivaji Paturi Department of Mechanical Engineering, University of North Texas, Denton, TX 76207-7102, USA
  • Yuqi Jin Department of Materials Science and Engineering, University of North Texas, Denton, TX 76207-7102, USA
  • Arkadii Krokhin Department of Physics, University of North Texas, Denton, TX 76203, USA
  • Haifeng Zhang Department of Mechanical Engineering, University of North Texas, Denton, TX 76207-7102, USA
  • Kui Tan Department of Chemistry, University of North Texas, Denton, TX, USA
  • Taeyul Choi Department of Mechanical Engineering, University of North Texas, Denton, TX 76207-7102, USA

DOI (Low Temperature Physics):


https://doi.org/10.1063/10.0044112

Ключові слова:

bulk modulus elastography, electrospinning, longitudinal pulse, piezoelectric, PVDF (Polyvinylidene fluoride), thin film, ultrasonic imaging, vanadium sesquioxide

Анотація

Тонкі плівки полі(вініліденфториду) (PVDF), що містять оксид ванадію(III) (V2O3) у концентраціях 0, 5, 15 і 25 мас. %, виготовлено для дослідження їхніх структурних, механічних і п’єзоелектричних характеристик. Усі плівки одержано з використанням однакових розчинникових систем і параметрів електроформування, що забезпечило однакові умови синтезу та можливість коректного порівняння результатів. Для визначення динамічного модуля об’ємної пружності плівок застосовано метод еластометрії ефективного модуля об’ємної пружності (EBME), який виявив залежність механічної жорсткості від складу, зумовлену мікроструктурними змінами. П’єзоелектричний відгук, оцінений за коефіцієнтом d33, виявився істотно вищим для плівки PVDF–V2O3 (5 мас. %) порівняно як із чистим PVDF, так і зі зразками з вищим вмістом оксиду. Таке поліп­шення, імовірно, пов’язане з оптимізацією міжфазної поляризації та взаємодії між матрицею і наповнювачем за низьких концентрацій останнього. Крім того, зміна вмісту V2O3 зумов­лювала помітні відмінності в товщині та пористості плівок, що, своєю чергою, впливало як на модуль пружності, так і на п’єзоелектричні властивості. Отримані результати дають підстави розглядати склад PVDF–V2O3 (5 мас. %) як перспективний матеріал для п’єзоелектричних сенсорних застосувань, оскільки він забезпечує вдале поєднання механічної міцності та функціонального відгуку.

Посилання

1. J. P. Borges, M. H. Godinho, A. F. Martins, A. C. Trindade, and M. N. Belgacem, “Cellulose-based composite films,” Mech. Compos. Mater. 37(3), 257–264 (2001).https://doi.org/10.1023/A:1010650803273

2. R. Zhang, W. Cao, Q. Zhou, J. H. Cha, K. K. Shung, and Y. Huang, “Acoustic properties of alumina colloidal/polymer nano-composite film on silicon,” IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 54(3), 467–469 (2007).https://doi.org/10.1109/TUFFC.2007.270

3. L. Ruan, X. Yao, Y. Chang, L. Zhou, G. Qin, and X. Zhang, “Properties and applications of the β-phase poly(vinylidene fluoride),” Polymers 10, 228 (2018). https://doi.org/10.3390/polym10030228

4. S. M. Purushothaman, M. F. Tronco, B. Kottathodi, I. Royaud, M. Ponçot, N. Kalarikkal, S. Thomas, and D. Rouxel, “A review on electrospun PVDF-based nanocomposites: Recent trends and developments in energy harvesting and sensing applications,” Polymer 283, 126179 (2023). https://doi.org/10.1016/j.polymer.2023.126179

5. Z. He, F. Rault, M. Lewandowski, E. Mohsenzadeh, and F. Salaün, “Electrospun PVDF nanofibers for piezoelectric applications: A review of the influence of electrospinning parameters on the β phase and crystallinity enhancement,” Polymers 13, 174 (2021). https://doi.org/10.3390/polym13020174

6. L. Laiarinandrasana, J. Besson, M. Lafarge, and G. Hochstetter, “Temperature-dependent mechanical behaviour of PVDF: Experiments and modelling,” Int. J. Plast. 25, 1301 (2009). https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2008.09.008

7. H. Quan, D. Chen, X. Xie, and H. Fan, “Polyvinylidene fluoride/vanadium pentoxide composites with high dielectric constant and low dielectric loss,” Phys. Status Solidi A 210, 2706 (2013). https://doi.org/10.1002/pssa.201330234

8. F. Mokhtari, G. M. Spinks, S. Sayyar, and J. Foroughi, “Dynamic mechanical and creep behaviour of meltspun PVDF nanocomposite fibers,” Nanomaterials 11, 2153 (2021). https://doi.org/10.3390/nano11082153

9. I. Rosenhek-Goldian and S. R. Cohen, “Some considerations in nanoindentation measurement and analysis by atomic force microscopy,” J. Vacuum Sci. Technol. A 41, 062801 (2023). https://doi.org/10.1116/6.0003136

10. J.-L. Gennisson, T. Deffieux, M. Fink, and M. Tanter, “Ultrasound elastography principles and techniques,” Diagn. Interv. Imaging 94, 487 (2013). https://doi.org/10.1016/j.diii.2013.01.022

11. Y. Jin, E. Walker, A. Krokhin, H. Heo, T.-Y. Choi, and A. Neogi, “Enhanced instantaneous elastography in tissues and hard materials using bulk modulus and density determined without externally applied material deformation,” IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 67, 624 (2020). https://doi.org/10.1109/TUFFC.2019.2950343

12. S. Q. Shi, Z. Cui, Y. Jin, L. Smith, H. Felix Wu, and A. Neogi, “Fiberboard made from scrap denim: Characterization of its properties by effective bulk modulus elastography,” BioResources 18, 3279 (2023). https://doi.org/10.15376/biores.18.2.3279-3294

13. Y. Jin, E. Walker, H. Heo, A. Krokhin, T.-Y. Choi, and A. Neogi, “Nondestructive ultrasonic density evaluation of fused deposition modeling additively manufactured 3D-printed structures,” Smart Mater. Struct. 29, 045020 (2020). https://doi.org/10.1088/1361-665X/ab74b9

14. M. V. Pantawane, T. Yang, Y. Jin, S. S. Joshi, S. Dasari, A. Sharma, A. Krokhin, S. G. Srinivasan, R. Banerjee, A. Neogi, and N. B. Dahotre, “Crystallographic texture-dependent bulk anisotropic elastic response of additively manufactured Ti6Al4V,” Sci. Rep. 11, 633 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-020-80710-6

15. M. V. Pantawane, T. Yang, Y. Jin, S. Mazumder, M. Pole, S. Dasari, A. Krokhin, A. Neogi, S. Mukherjee, R. Banerjee, and N. B. Dahotre, “Thermomechanically influenced dynamic elastic constants of laser powder bed fusion additively manufactured Ti6Al4V,” Mater. Sci. Eng. A 811, 140990 (2021). https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.140990

16. Y. Jin, T. Wang, A. Krokhin, T.-Y. Choi, R. S. Mishra, and A. Neogi, “Ultrasonic elastography for nondestructive evaluation of dissimilar material joints,” J. Mater. Proc. Techn. 299, 117301 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117301

17. D. C. Hurley, V. K. Tewary, and A. J. Richards, “Thin-film elastic-property measurements with laser-ultrasonic SAW spectrometry,” Thin Solid Films 398–399, 326–330 (2001).https://doi.org/10.1016/S0040-6090(01)01338-4

18. J. Kim, D.-H. Kang, M. S. Kwak, G. Jung, J. Kim, S. Park, H. Ko, and V. V. Tsukruk, “Ultrathin soft wearable sensor materials and structures: A review of current trends and prospects,” ACS Appl. Mater. Interfaces 17, 59994 (2025). https://doi.org/10.1021/acsami.5c14329

19. K. Castková, J. Kastyl, D. Sobola, J. Petrus, E. Šťastná, D. Říha, and P. Tofel, “Structure-properties relationship of electrospun PVDF fibers,” Nanomaterials 10, 1221 (2020). https://doi.org/10.3390/nano10061221

20. H. Zhongchen, R. François, L. Maryline, M. Elham, and S. Fabien, “Electrospun PVDF nanofibers for piezoelectric applications: A review of the influence of electrospinning parameters on the β-phase and crystallinity enhancement,” Polymers 13, 174 (2021). https://doi.org/10.3390/polym13020174

21. T. Andrukh, C. Few, O. Burtovyy, R. Burtovyy, I. Luzinov, and K. G. Kornev, “Preparation and characterization of highly porous PVDF nanofibers and yarns,” TechConnect Briefs 2, 763–766 (2008).

22. S. Wu, L. Zhang, X. Qiu, Y. Guo, L. Dong, M. Guo, and J. Zhao, “Preparation and characterization of highly conductive PVDF/PAN conjugate electrospun fibrous membranes with embedded silver nanoparticles,” Polymers 16, 3540 (2024). https://doi.org/10.3390/polym16243540

23. J. Zidani, L. Tajounte, A. Benzaouak, N. Touach, A. Duong, M. Zannen, and A. Lahmar, “Advances in lead-free flexible piezoelectric materials for energy and evolving applications,” Adv. Ind. Eng. Polym. Res. 8, 341 (2025).https://doi.org/10.1016/j.aiepr.2025.04.001

24. S. Sarkar, S. Garain, D. Mandal, and K. Chattopadhyay, “Electro-active phase formation in PVDF-BiVO4 flexible nanocomposite films for high energy density storage application,” RSC Adv. 4, 35249 (2015).https://doi.org/10.1039/C4RA08427F

25. S. Abdalla, A. Obaid, and F. M. Al-Marzouki, “Preparation and characterization of poly(vinylidene fluoride): A high dielectric performance nano-composite for electrical storage,” Res. Phys. 6, 617 (2016).https://doi.org/10.1016/j.rinp.2016.09.003

26. K. Wu, Y. Wu, P. Fu, D. Yang, B. Ruan, M. Wu, and R. Wu, “Composites of vanadium (III) oxide (V2O3) incorporating with amorphous C as Pt-free counter electrodes for low-cost and high-performance dye-sensitized solar cells,” ACS Omega 6, 11183 (2021). https://doi.org/10.1021/acsomega.0c05880

27. L. Ruan, X. Yao, Y. Chang, L. Zhou, G. Qin, and X. Zhang, “Properties and applications of β-phase poly(vinylidene fluoride),” Polymers 11, 228 (2019). https://doi.org/10.3390/polym11020228

28. N. Hassan, J. Riaz, M. T. Qureshi, A. Razaq, M. Rahim, A. M. Toufiq, and A. Shakoor, “Vanadium oxide (V2O3) for energy storage applications through hydrothermal route,” J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 29, 16021 (2018). https://doi.org/10.1007/s10854-018-9689-5

29. I. L. Botto, M. B. Vassallo, E. J. Baran, and G. Minelli, “IR spectra of VO2 and V2O3,” Mater. Chem. Phys. 50, 267 (1997). https://doi.org/10.1016/S0254-0584(97)01940-8

Downloads

Опубліковано

2026-04-24

Як цитувати

(1)
Kailash Chandra Shivaji Paturi, Yuqi Jin, Arkadii Krokhin, Haifeng Zhang, Kui Tan, and Taeyul Choi, Effective bulk modulus elastographic study of concentration-tunable PVDF-V2O3 electrospun composite films, Low Temp. Phys. 52, 675–684, (2026) [Fiz. Nyzk. Temp. 52, 752–762, (2026)] DOI: https://doi.org/10.1063/10.0044112.

Номер

Том 52 № 6 (2026)

Розділ

Статті

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.