الطاقة
المواد الكهرضغطية – مصدر الطاقة غير المعروف الأكثر شيوعًا
مع التطبيقات العملية الجديدة التي يتم تطويرها كل يوم، فإن صناعة الكهروضغطية هي كذلك متوقع لتصل إلى ما يقرب من 41 مليار دولار خلال السنوات الثلاث المقبلة، بمعدل نمو سنوي مركب يقارب 6%. سيسمح هذا الطفرة بمواصلة تطوير وتنفيذ البوليمرات الكهرضغطية غير المتبلورة عالية التقنية والقائمة على الأفلام في العالم الحديث.
ما هي المواد الكهرضغطية؟
تسمح لنا المواد الكهرضغطية بتسخير الطاقة الحركية، عن طريق تحويل القوة إلى شحنة كهربائية. تم تعريف الكهرباء الضغطية لأول مرة من قبل الأخوين كوري في عام 1880، وقد أصبحت مبدأ أساسيًا يتم استغلاله في التكنولوجيا الحديثة.
تشير الكهرباء الضغطية إلى قدرة المادة على إنتاج شحنة كهربائية عند تعرضها لضغط ميكانيكي. يتم إنتاج هذه الشحنة الكهربائية عن طريق عدم التماثل القسري. في المواد الكهرضغطية، يتم فصل الشحنات الموجبة والسالبة عن بعضها البعض، مع الحفاظ على محاذاة في نمط متماثل. عندما يتم تطبيق الضغط الميكانيكي على المادة، يتم فقدان هذا التماثل، مما يؤدي إلى إنتاج شحنة كهربائية.
مرحلة بيتا PVDF.
خاصية فريدة أخرى للمواد هي الطبيعة العشوائية ووجود مجالات فايس (ذات التوجه المغناطيسي بدون التأثير المغناطيسي الخارجي).
وقد اكتشف لاحقًا أن هذه المواد نفسها أظهرت خاصية عكسية مباشرة للتأثير الكهربائي. لقد وجد أنه إذا تم تطبيق شحنة كهربائية على المادة، فسوف يحدث تشوه ميكانيكي متكرر داخل المادة. أعطى هذا الاكتشاف فائدة كبيرة لمثل هذه المواد، حيث ضاعف بشكل أساسي حالات الاستخدام المتوقعة.
المصنعين والمبتكرين
قبل أن نتعمق في أمثلة حالات الاستخدام في العالم الحقيقي، فيما يلي ثلاث من الشركات الرائدة التي تستفيد من المواد الكهرضغطية عبر مجموعة متنوعة من المنتجات المتكاملة في الإلكترونيات الحديثة.
من الجدير بالذكر أن المحللين لدى Barron's يسردون حاليًا كلًا من الأسهم التالية على أنها "أكثر من" أو "شراء".
STONERIDGE (SRI)
شهدت شركة Stoneridge (SRI) المدرجة في بورصة نيويورك زيادة في قيمة أسهمها خلال العام الماضي بأكثر من 30٪ في وقت كتابة هذا التقرير. بينما تلقت الإيرادات في Stoneridge ضربة قوية خلال ذروة فيروس كورونا، شهد عام 2021 انتعاشًا بنسبة 20٪ تقريبًا إلى 770 مليون دولار
توظف شركة Stoneridge أكثر من 5,000 شخص، وتعمل خارج ولاية ميشيغان.
إلكترونيات ميثود (MEI)
شهدت شركة Methode Electronics Inc. المدرجة في بورصة نيويورك زيادة في قيمة أسهمها خلال العام الماضي بنسبة 15% تقريبًا في وقت كتابة هذا التقرير. على مدى السنوات الأربع الماضية، تمكنت شركة Methode Electronics من مواصلة زيادة إيراداتها بنسبة تتراوح بين 4% و2.36% كل عام. بالنسبة لعام 10.13، تجاوزت الإيرادات 2022 مليار دولار.
توظف شركة ميثود للإلكترونيات أكثر من 7,000 شخص، وتعمل خارج ولاية إلينوي.
شركة كيمبال للإلكترونيات. (KE)
وقد شهدت شركة Kimball Electronics Inc. المدرجة في بورصة ناسداك زيادة في قيمة أسهمها خلال العام الماضي بأكثر من 32% حتى وقت كتابة هذا التقرير. حيث كافحت الشركات المذكورة أعلاه في الفترة من 2019 إلى 2020، تمكنت شركة Kimball Electronics من التفاخر باستمرار بإيرادات متزايدة. بإجمالي 1.35 مليار دولار لعام 2022، يمثل هذا زيادة بنسبة 4.47٪ عن عام 2021.
توظف شركة Kimball Electronics أكثر من 7,000 شخص، وتعمل خارج ولاية إنديانا.
التطورات الحديثة
تقليديا، تم استخدام المواد الكهرضغطية التي تحدث بشكل طبيعي لإثبات التأثير. في أغلب الأحيان، كانت المادة المختارة هي الكوارتز. عندما تم الوصول إلى حدود المواد الطبيعية، أصبح السيراميك من صنع الإنسان هو الاختيار الشائع. تم تصميمه في عام 1952، ولا يزال أحد أكثر أنواع السيراميك الكهرضغطية شيوعًا اليوم هو PZT (تيتانات زركونات الرصاص). ومع ذلك، مع عيوب مثل التشوه المحدود، والهشاشة، وكثافة الكتلة العالية، فإن PZT ليس مثاليًا لكل التطبيقات.
في عام 1964 تم تطوير PVDF (بولي فينيلدين فلوريد). يتمتع PVDF ببنية شبه بلورية ويولد شحنات أكبر بعدة مرات من الكوارتز. على الرغم من أن هذا البوليمر الذي صنعه الإنسان قد عالج العديد من عيوب PZT، إلا أنه كان له العديد من العيوب الخاصة به - مثل الانهيارات الكهرضغطية في درجات الحرارة المرتفعة، والتدهور. مع التقدم التكنولوجي الحديث وزيادة الطلب، ربما وصلت PZT وPVDF إلى حدودها.
في أوائل عام 2000، بدأت معاهد مثل GAIKER-IK4 في تطوير ما يعرف بالبوليمرات الكهرضغطية غير المتبلورة. من خلال استخدام بنية غير متبلورة، يمكن للمادة أن تتحمل درجات حرارة أعلى بكثير. نظرًا لأن التأثيرات الكهرضغطية لا تعتمد على البنية البلورية التي تتحلل عند درجات حرارة أعلى، فإن الهياكل غير المتبلورة تصنع بوليمرًا أكثر صلابة.
هذه البوليمرات غير المتبلورة موجودة المتقدمة لأنها توفر مستويات أعلى من التشوه، وتقليل الوزن بشكل كبير، وصلابة أكبر. ومن خلال تحقيق ذلك، يسمح مجال تطبيقات المواد الآن بدمج الأجهزة الفضائية والإلكترونية. ومع تطوير البوليمرات والأغشية الكهرضغطية غير المتبلورة الجديدة، سيحدث الفشل أثناء الاستخدام عند درجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية تقريبًا أو أكثر. سيحدث تدهور المادة عند درجة حرارة 400 درجة مئوية تقريبًا. وفي حين أن هذا قد يحد من استخدامها في الظروف القاسية، فإن الغالبية العظمى من التطبيقات تقع ضمن نطاق مناسب.
مثل العديد من المواد الجديدة، يتم تطوير هذه البوليمرات باستخدام PVDF وPVT كأساسيات. محاولة الحفاظ على السمات الإيجابية لكل مادة مع إزالة أكبر عدد ممكن من العيوب. على الرغم من أن هذه المنتجات عبارة عن بوليمرات أحدث، إلا أنها تم تصميمها وفقًا لنماذج العمل الحالية.
من خلال استخدام هيكل غير متبلور، يجب إجراء اختبارات واسعة النطاق على درجات الحرارة الانتقالية الزجاجية المثلى. ترتبط هذه القيمة ارتباطًا مباشرًا بقوة الخصائص الكهرضغطية التي ستمتلكها المادة. يوضح الهيكل غير المتبلور ويعتمد على ترتيب قصير المدى لإنتاج تأثير كهرضغطية بدلاً من ترتيب طويل المدى كما هو موضح في الهياكل البلورية. بالإضافة إلى ذلك، يختار الكثيرون دمج البوليميدات في بنية المواد نظرًا لخصائصها الميكانيكية والعازلة والحرارية، حيث تضمن البوليميدات استقطاب الجزيئات بغض النظر عن موضعها.
استخدم حالات
تتضمن التطبيقات السابقة والحالية للمواد الكهرضغطية العديد من العناصر غير الواضحة مثل الولاعات وساعات الكوارتز وحتى أنظمة إدارة المحرك. الاستخدام الأكثر شيوعًا لها حاليًا سيكون في أجهزة الاستشعار والمحركات. في حين تم تطبيق مواد كهرضغطية مناسبة لحالات الاستخدام هذه، فإن التطبيقات المستقبلية تتطلب مادة أكثر تنوعًا. ولحسن الحظ فإن تطوير البوليمرات الكهرضغطية هو أمر متعدد الاستخدامات. مع التقدم المستمر في فهمنا لعلم المواد، وقدرتها على عرض التأثيرات العكسية المباشرة، فإن عدد التطبيقات التي يمكن استخدامها فيها مستمر في التزايد. تتضمن بعض التطبيقات الحالية والمستقبلية المثيرة للاهتمام ما يلي:
الإلكترونيات المحمولة والقابلة للارتداء
التحدث بالهواتف المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء. من خلال الاستفادة من الضغط الناتج داخل الميكروفون بسبب الموجات الصوتية، نأمل أن تتمكن البوليمرات الكهرضغطية في يوم من الأيام من توليد الطاقة الكافية اللازمة لاستخدام الهاتف. وفي حين أنه من غير المرجح أن يؤدي هذا المفهوم إلى إلغاء الحاجة إلى البطارية تمامًا في أي وقت قريب، إلا أنه يخلق إمكانية إطالة عمر البطارية في الأجهزة الذكية القابلة للارتداء منخفضة الاستهلاك.
تجدر الإشارة إلى أن المواد الكهرضغطية قد تم استخدامها في الميكروفونات منذ ما يقرب من 100 عام حتى الآن. بدلاً من أن يكون الهدف النهائي هو شحن الجهاز، تسمح هذه التطبيقات بتحويل الموجات الصوتية إلى كهرباء لغرض التسجيل والتشغيل بطريقة فعالة من حيث التكلفة.
أنظمة التخميد
تطبيق آخر هو استخدام المواد الكهرضغطية في أنظمة التخميد. شركات مثل هيد قامت بدمج هذه الفكرة في مضارب التنس والزلاجات الخاصة بها في محاولة لامتصاص/تخفيف الاهتزازات. عندما يحدث تأثير على المضرب أو التزلج، يتم تسخير التأثير المتبادل عن طريق إرسال الإشارة الكهربائية التي تم إنشاؤها إلى مادة معكوسة توفر قوة معاكسة. وهذا يؤدي إلى نظام تخفيف فعال.
يتم تطبيق هذا المفهوم نفسه على تقليل الضوضاء والاهتزازات في السيارات والمنازل وبيئات العمل الخطرة. أحد الأمثلة على مثل هذه البيئة هو مزارع تعدين البيتكوين. لا تعتبر الاهتزازات ضارة بالمعدات الإلكترونية على المدى الطويل فحسب، بل كانت هناك حالات مختلفة في المجتمعات المحيطة التي تتم فيها هذه العمليات يشكو حول الضوضاء والاهتزازات الناتجة عن استخدام أجهزة ASIC. في العديد من السيناريوهات المشابهة، يتم استخدام المشغلات القائمة على الضغط الانضغاطي كحل لتخفيف كل من هذه التأثيرات. مع إنشاء موجات صوتية في السيارات والمنازل والآلات عن طريق ارتداد المواد، يمكن أيضًا التخلص من هذا الضجيج، أو على الأقل تقليله، باستخدام الطرق التقليدية مثل مادة لاصقة ملطفة. ومع ذلك، تعمل هذه المواد بشكل سلبي، وهي ثقيلة جدًا ومكلفة. وهي تعمل عادةً عن طريق خفض تردد رنين المواد. استغلال تحل خصائص البوليمرات الكهرضغطية هذه المشكلة عن طريق اتباع النهج الأكثر نشاطًا وديناميكية الموصوف أعلاه.
تنظيف الحلول
لتوضيح مدى تنوع حالات استخدام المواد الكهرضغطية، فكر في العمل الذي تقوم به شركات مثل الطاقة الشمسية بيزو كلين. في هذه الحالة، تقوم الشركة بتغطية الألواح الشمسية بطبقة كهرضغطية. والغرض من ذلك هو توفير وسيلة صيانة منخفضة للحفاظ على نظافة الألواح الشمسية – وهو مفتاح لضمان الكفاءة المثلى.
تتضمن هذه العملية تطبيق شحنة كهربائية على الفيلم، والذي يهتز بعد ذلك بتردد محدد ودرجة حرارة معينة تسمح بسقوط الغبار والأوساخ ببساطة بمساعدة الجاذبية. كل هذا يعني توفير المياه والقوى العاملة، مع زيادة طول عمر الألواح المطلية وكفاءةها. حل بسيط ولكنه عبقري لمشكلة تتزايد مع انتشار تركيبات الطاقة الشمسية.
تشمل التطبيقات الأكثر شيوعًا للمواد الكهرضغطية بهذه الطريقة أجهزة التنظيف بالموجات فوق الصوتية مثل منظفات المجوهرات.
فضاء
ذكرنا سابقًا استخدام المواد الكهرضغطية في قطاع الطيران. وهنا، يمكن للطائرات الاستفادة من مثل هذه المواد لمراقبة السلامة الهيكلية والضغوطات من خلال قياس الشحنات الكهربائية المنتجة - وهي حالة استخدام يمكن أن تسمح ليس فقط بزيادة السلامة، ولكن أيضًا بزيادة الكفاءة من خلال السماح للمهندسين بخفض الوزن وتقوية الهياكل في نفس الوقت. ضروري.
انتقل إلى ما هو أبعد من غلافنا الجوي، وسيتم استخدام المحركات الكهرضغطية في العديد من الأقمار الصناعية. تسمح القدرة على العمل بدقة متناهية لمثل هذه المحركات بصنع محركات دفع صغيرة قادرة على تحديد المواقع المناسبة للقمر الصناعي.
أدوات تشخيص الرعاية الصحية
مع تحسن قدرتنا على إنشاء أجهزة أصغر فأصغر، فإننا نستخدم الآن المواد الكهرضغطية في أدوات التشخيص المختلفة في مجال الرعاية الصحية. مثال على ذلك هو الموجات فوق الصوتية داخل الأوعية الدموية (IVUS). IVUS هي عملية تسمح للمسابير الصغيرة بإنشاء صور من داخل الأوعية الدموية. ويتم ذلك من خلال استخدام محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية المبنية ببلورات مفردة كهرضغطية.
تُستخدم المواد الكهرضغطية أيضًا في بعض معدات طب الأسنان. على غرار محلول التنظيف الذي تستخدمه شركة SolarClean الموصوفة أعلاه، تعتمد هذه المعدات على الموجات فوق الصوتية، التي يتم إنتاجها عن طريق تطبيق تيار كهربائي على المواد الكهرضغطية، لتنظيف/إزالة البلاك من الأسنان.
السونار
يمكن استخدام أنظمة السونار (الملاحة الصوتية والمدى) لتوفير التصوير أو للاتصال. تشمل أمثلة التصوير رسم الخرائط الطبوغرافية لأرضيات المحيط، أو أدوات البحث عن الأسماك يوميًا. وفي الوقت نفسه، يمكن تحقيق الاتصال من خلال إنشاء موجات صوتية. كل من هذه العمليات أصبحت ممكنة من خلال استخدام محولات الطاقة الكهرضغطية.
على الرغم من أنه تم تطويره منذ أكثر من 100 عام، إلا أن السونار لا يزال يلعب دورًا مهمًا اليوم. وأحدث مثال على ذلك هو تطبيقه في السيارات ذاتية القيادة، والتي تستخدم عادةً مزيجًا من السونار، وLIDAR، والرادار لتتبع وتفسير المناطق المحيطة.
حصاد الطاقة
وأخيرًا، سيكون أحد التطبيقات المثيرة للاهتمام هو إنتاج الطاقة على نطاق واسع. يتم تطوير البوليمرات الكهرضغطية لوضعها في المناطق ذات الحركة المرورية العالية، بما في ذلك العديد من المصانع والملاعب الرياضية ومحطات القطارات والمزيد حول العالم. 1 سم3 قطعة من الكوارتز قادرة على إنتاج ما يصل إلى 4,500 فولت من الكهرباء عند تطبيق قوة تبلغ 175 رطلاً. مع كل خطوة تضرب الأرض في مثل هذه المحطات التي تنتج هذه الكهرباء، هناك إمكانية لتسخير كميات هائلة من الكهرباء التي يتم إنشاؤها يوميًا - مما يزيد بشكل كبير من الكفاءة وتكاليف الكهرباء للمبنى.
وبعيدًا عن حركة السير على الأقدام، تصور الكثيرون مستقبلًا تكون فيه الطرق مدمجة بمثل هذه المواد، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء لتشغيل أضواء الشوارع واللافتات عندما تمارس السيارات القوة البدنية عليها.
عند دمجها، يتم تطوير التقنيات المستقبلية مثل شحن السيارات اللاسلكي إلكترون، والأسطح المدعومة من قبل شركات مثل Pavegen، نأمل أن يسمح يومًا ما بتقليل أحجام البطاريات في المركبات، وطريقة أكثر كفاءة ونظيفة للحفاظ على شحن المركبات الكهربائية.
كلمة أخيرة
وبشكل عام، فإن إمكانات المواد الكهروضغطية بدأت للتو في التحقق. تم اكتشاف التأثيرات الكهروضوئية التي تجعل الطاقة الشمسية ممكنة في منتصف القرن التاسع عشر، ولم تصبح عملية للاستخدام على نطاق واسع إلا الآن. ولا تختلف المواد الكهرضغطية عن ذلك، ومع استمرار البحث والتطوير في هذه المواد، تحذو الزيادات في الكفاءة والمتانة حذوها. إن التقدم العلمي الحديث يسمح لنا الآن فقط بإدراك، أو على الأقل فهم، الإمكانات الكاملة لهذا المصدر للطاقة، مع كون حالات الاستخدام المذكورة هنا (توليد الكهرباء، وتخميد الصوت، والسونار، وأجهزة الاستشعار، والمشغلات الكهربائية، وما إلى ذلك) مجرد اختر عددًا قليلًا من الاحتمالات التي لا تعد ولا تحصى.
