الطاقة
مواد پیئو الکتریک – أقوى مصدر طاقة غير معروف
مع تطوير التطبيقات العملية الجديدة كل يوم، من المتوقع أن تصل صناعة المواد الكهروميكانيكية إلى حوالي 41 مليار دولار في течение ثلاث سنوات قادمة، بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 거의 6٪. هذا الازدهار سيسمح بالتطور والإستخدام الأكثر تقدمًا للمواد الكهروميكانيكية غير المتبلورة والفيلمية في العالم الحديث.
ما هي المواد الكهروميكانيكية؟
تسمح المواد الكهروميكانيكية لنا بالاستفادة من الطاقة الحركية، من خلال تحويل القوة إلى شحنة كهربائية. تم تعريفها لأول مرة من قبل الإخوة كوري في عام 1880، وأصبحت الكهروميكانيكية مبدأ أساسي يتم استغلاله في التكنولوجيا الحديثة.
الكهروميكانيكية تعني khảية Substance لإنتاج شحنة كهربائية عند تطبيق التوتر الميكانيكي. يتم إنتاج هذه الشحنة الكهربائية بواسطة عدم التماثل القسري. في المواد الكهروميكانيكية، يتم فصل الشحنات الموجبة والسالبة عن بعضها البعض، مع الحفاظ على ترتيب متناظر. عندما يتم تطبيق التوتر الميكانيكي على Substance، يتم فقدان هذا التماثل، مما يؤدي إلى إنتاج شحنة كهربائية.
PVDF beta phase.
خصائص أخرى فريدة من نوعها للمواد هي الطبيعة العشوائية ووجود نطاقات Weiss (موجهة مغناطيسيًا دون تأثير مغناطيسي خارجي).
تم اكتشاف لاحقًا أن هذه المواد نفسها أظهرت خاصية عكسية مباشرة للتأثير الكهربائي. تم اكتشاف أنه إذا تم تطبيق شحنة كهربائية على Substance، فإن التشوه الميكانيكي القابل للتكرار سيحدث داخل Substance. هذا الاكتشاف أعطى استخدامًا كبيرًا لهذه المواد، لأنه أساسًا ضاعف الحالات المحتملة لاستخدامها.
الشركات والمبتكرون
قبل أن ندخل في أمثلة للحالات الواقعية، فإن الشركات التالية هي ثلاثة من الشركات الرائدة التي تستخدم المواد الكهروميكانيكية في مجموعة متنوعة من المنتجات الأساسية في الإلكترونيات الحديثة.
يُذكر أن المحللين في Barron’s يُدرجون كل من هذه الأسهم على أنها “مُشتَرى” أو “مُستحسن للشراء”.
Stoneridge (SRI)
المدرجة في بورصة نيويورك، شهدت أسهم Stoneridge (SRI) زيادة في القيمة بنسبة أكثر من 30٪ خلال العام الماضي في وقت الكتابة. في حين أن إيرادات Stoneridge تأثرت سلبًا خلال ذروة كوفيد، شهد عام 2021 انتعاشًا بنسبة 20٪ إلى 770 مليون دولار.
تُوظف Stoneridge أكثر من 5000 شخص، وتعمل من ولاية ميشيغان.
Methode Electronics (MEI)
المدرجة في بورصة نيويورك، شهدت أسهم Methode Electronics Inc. زيادة في القيمة بنسبة تقريبًا 15٪ خلال العام الماضي في وقت الكتابة. خلال الأربع سنوات الماضية، تمكنت Methode Electronics من الاستمرار في نمو إيراداتها بين 2.36٪ و 10.13٪ كل عام. لإيرادات عام 2022، بلغت الإيرادات 1.16 مليار دولار.
تُوظف Methode Electronics أكثر من 7000 شخص، وتعمل من ولاية إلينوي.
Kimball Electronics Inc. (KE)
المدرجة في بورصة ناسداك، شهدت أسهم Kimball Electronics Inc. زيادة في القيمة بنسبة أكثر من 32٪ خلال العام الماضي في وقت الكتابة. في حين أن الشركات المُدرجة أعلاه عانت من عام 2019 إلى 2020، تمكنت Kimball Electronics من الاستمرار في إظهار إيرادات متزايدة. بلغ إجمالي الإيرادات 1.35 مليار دولار لعام 2022، مما يُشير إلى زيادة بنسبة 4.47٪ عن عام 2021.
تُوظف Kimball Electronics أكثر من 7000 شخص، وتعمل من ولاية إنديانا.
التقدم الحديث
تقليدًا، تم استخدام المواد الكهروميكانيكية الطبيعية لتعزيز هذا التأثير. أكثر المواد شيوعًا المستخدمة كانت الكوارتز. عندما تم الوصول إلى حدود المواد الطبيعية، أصبحت السيراميك المصنعة الخيار الشائع. تم تصميم PZT (زيركونات تيتانات الرصاص) في عام 1952، ولا تزال واحدة من أكثر السيراميك الكهروميكانيكي شعبية اليوم. ومع ذلك، مع عيوب مثل التشوه المحدود والهشاشة والكثافة الكبيرة، لا يُعتبر PZT مثاليًا لكل تطبيق.
في عام 1964 تم تطوير PVDF (فينيليدين فلوريد البولي). PVDF لها هيكل شبه بلوري وتُنتج شحنات عدة مرات أكبر من الكوارتز. على الرغم من أن هذا البوليمر المصنع حل العديد من عيوب PZT، إلا أنه كان له عيوبه الخاصة – انهيارات كهروميكانيكية عند درجات حرارة عالية، وتدهور. مع التقدم التكنولوجي المتزايد والطلب المتزايد، قد وصل PZT و PVDF إلى حدودهما.
في أوائل عام 2000، بدأت معاهد مثل GAIKER-IK4 في تطوير ما يُعرف بالبوليمرات الكهروميكانيكية غير المتبلورة. من خلال استخدام هيكل غير متبلور، يمكن للمادة تحمل درجات حرارة أعلى بكثير. منذ أن لا تعتمد التأثيرات الكهروميكانيكية على الهيكل البلوري الذي ينهار عند درجات حرارة أعلى، فإن الهياكل غير المتبلورة تجعل البوليمر أكثر متانة.
تُطوّر هذه البوليمرات غير المتبلورة لأنها تقدم مستويات أعلى من التشوه وتقليل الوزن الكبير وزيادة المتانة. من خلال تحقيق ذلك، يسمح مجال التطبيقات للمواد الآن بالتضمن في أجهزة الفضاء والإلكترونيات. مع تطوير البوليمرات والفيلم غير المتبلور الجديد، ستحدث فشل أثناء الاستخدام عند درجات حرارة تبلغ حوالي 150 درجة مئوية وأكثر. سوف يحدث تدهور Substance عند حوالي 400 درجة مئوية. في حين أن هذا قد يحد من استخدامها في ظروف قاسية، فإن الغالبية العظمى من التطبيقات تقع في نطاق مناسب.
مثل العديد من المواد الجديدة، تُطوّر هذه البوليمرات باستخدام PVDF و PVT كأساس. محاولة للحفاظ على السمات الإيجابية من كل مادة مع إlimination càng nhiều من العيوب الممكنة. على الرغم من أن هذه المنتجات هي بوليمرات جديدة، إلا أنها مصممة على غرار النماذج العاملة الحالية.
من خلال استخدام هيكل غير متبلور، يجب إجراء اختبارات شاملة على درجات حرارة الانتقال الزجاجي المثالية. هذا القيمة يرتبط مباشرةً بقوة الخواص الكهروميكانيكية التي سوف تملكها Substance. الهيكل غير المتبور يُظهر ويعتمد على ترتيب قصير المدى لإنتاج تأثير كهروميكانيكي بدلاً من ترتيب طويل المدى كما هو موضح في الهياكل البلورية. بالإضافة إلى ذلك، يختار العديد منهم دمج البولييميدات في هيكل المواد بسبب الخواص الميكانيكية والديلكتريكية والحرارية، مع ضمان بولينج للجزيئات بغض النظر عن موضعها.
حالات الاستخدام
تتضمن التطبيقات السابقة والحالية للمواد الكهروميكانيكية العديد من العناصر غير الواضحة مثل أجهزة الإشعال والساعات الكوارتز ونظم إدارة المحرك. أكثر استخدام شائع حاليًا لها سوف يكون في الحساسات والمنفذات. في حين أن المواد الكهروميكانيكية المناسبة قد تم تطبيقها لهذه الحالات، تتطلب التطبيقات المستقبلية مادة أكثر مرونة.幸运ًا، المواد الكهروميكانيكية المطورة هي مرونة. مع التقدم المستمر في فهمنا للعلوم المواد، وقدرتها على إظهار التأثيرات العكسية المباشرة، يُ tục عدد التطبيقات التي يمكن استخدامها.
تتضمن بعض التطبيقات الحالية والمستقبلية المثيرة للاهتمام ما يلي،
الإلكترونيات المحمولة والearable
الهواتف المحمولة وأجهزة Wearable. من خلال استخدام الضغط الناتج في الميكروفون بسبب الموجات الصوتية، يمكن للمواد الكهروميكانيكية أن تُنتج يومًا ما القدر الكافي من الطاقة اللازمة لتشغيل الهاتف. في حين أن من غير المحتمل أن يزيل هذا المفهوم الحاجة إلى بطارية تمامًا في أي وقت قريب، إلا أنه يُخلق إمكانية تمديد عمر البطارية في أجهزة Wearable منخفضة الاستهلاك.
يجب ملاحظة أن المواد الكهروميكانيكية قد تم استخدامها في الميكروفونات لما يقرب من 100 عام في هذا الوقت. بدلاً من أن يكون الهدف هو شحن الجهاز، تسمح هذه التطبيقات بالتحويل الموجات الصوتية إلى كهرباء لغرض التسجيل والتشغيل بطريقة فعالة من حيث التكلفة.
نظم التخميد
تطبيق آخر هو استخدام المواد الكهروميكانيكية في نظم التخميد. الشركات مثل HEAD قد دمجت هذه الفكرة في مضارب التنس والمتزلج لامتصاص التخميد للاهتزازات. عندما يحدث تأثير على المضرب أو المتزلج، يتم استغلال التأثير المتبادل بواسطة إرسال الإشارة الكهربائية التي تم إنشاؤها إلى Substance عكسي لتوفير قوة معاكسة. هذا يؤدي إلى نظام تخميد فعال.
يتم تطبيق هذا المفهوم نفسه على تخميد الضوضاء والاهتزازات في السيارات والمنازل والبيئات العملية الخطرة. مثال على مثل هذه البيئة سيكون مناجم بيتكوين. لا تضر الاهتزازات فقط بالمعدات الإلكترونية على المدى الطويل، ولكن هناك العديد من الحالات التي تشتكي فيها المجتمعات المحيطة ب这些 العمليات من الضوضاء والاهتزازات الناتجة عن استخدام أجهزة ASIC. في العديد من السيناريوهات المماثلة، تُستخدم المحركات الكهروميكانيكية كحل لتخميد هذه التأثيرات. مع موجات صوتية تُنشأ في السيارات والمنازل والمعدات بواسطة المواد المُرتدة، يمكن أيضًا إlimination أو تقليل هذه الضوضاء باستخدام أساليب تقليدية مثل مواد التخميد اللزجة. تعمل هذه المواد بشكل سلبي، وهي ثقيلة ومكلفة. عادةً ما تعمل bằng خفض تردد المادة المتناسبة. استغلال خصائص المواد الكهروميكانيكية يحل هذا المشكل bằng أخذ نهج أكثر نشاطًا وديناميكية كما هو موضح أعلاه.
حلول التنظيف
لإظهار مدى مرونة حالات استخدام المواد الكهروميكانيكية، ضع في الاعتبار العمل الذي تقوم به الشركات مثل Solar PiezoClean. في هذه الحالة، تقوم الشركة بتغطية لوحات الطاقة الشمسية بغشاء كهروميكانيكي. الغرض هو تقديم وسيلة منخفضة الصيانة لتنظيف لوحات الطاقة الشمسية – مفتاح لضمان الكفاءة المثلى.
يتضمن هذا العملية تطبيق شحنة كهربائية على الغشاء، والتي تُحدث اهتزازًا عند تردد وملاءمة معينة يسمح للاهتزازات والغبار بالسقوط ببساطة مع مساعدة الجاذبية. ما يعنيه كل هذا هو توفير المياه واليد العاملة، مع زيادة طول العمر والكفاءة لوحات المُغطاة.
التطبيقات الأكثر شيوعًا للمواد الكهروميكانيكية بهذه الطريقة تتضمن أجهزة التنظيف بال超صوت مثل منظفات المجوهرات.
الفضاء
ذكرنا في وقت سابق استخدام المواد الكهروميكانيكية في قطاع الفضاء. هنا، يمكن للطائرات استخدام هذه المواد لمراقبة السلامة الهيكلية والضغوط من خلال قياس الشحنات الكهربائية التي تُنتجها – حالة استخدام يمكن أن تسمح ليس فقط بزيادة السلامة، ولكن أيضًا بالكفاءات الأكبر من خلال السماح للمهندسين بقطع الوزن وتقوية الهياكل حيث يُحتاج إليها.
انتقل إلى خارج الغلاف الجوي، وتُستخدم المحركات الكهروميكانيكية في العديد من الأقمار الصناعية. القدرة على العمل بدقة قصوى تسمح لهذه المحركات بصنع محركات دفع صغيرة قادرة على وضع الأقمار الصناعية بشكل صحيح.
أدوات التشخيص الصحية
随ما تحسن قدرةنا على إنشاء أجهزة أصغر وأصغر، نحن نستخدم الآن المواد الكهروميكانيكية في أدوات تشخيصية مختلفة في مجال الرعاية الصحية. مثال على ذلك هو التصوير بالموجات الصوتية داخل الأوعية الدموية (IVUS). IVUS هو عملية تسمح للمحابس الصغيرة بإنتاج صور من داخل الأوعية الدموية. يتم ذلك من خلال استخدام محولات الموجات الصوتية المصنوعة من بلورات كهروميكانيكية فردية.
تُستخدم المواد الكهروميكانيكية أيضًا في بعض معدات طب الأسنان. مشابهة لحل التنظيف الذي تستخدمه SolarClean الموصوفة أعلاه، تعتمد هذه المعدات على موجات siêu صوتية، تُنتج بواسطة تطبيق تيار كهربائي على المواد الكهروميكانيكية، لتنظيف أو إزالة البلاك من الأسنان.
سونار
نظام سونار (نظام الملاحة والتنمية الصوتية) يمكن استخدامه لتوفير الصور أو للاتصالات. تتضمن الأمثلة على التصوير خريطة طبوغرافية لأرضيات المحيطات أو أجهزة الكشف عن الأسماك اليومية. في حين أن الاتصالات يمكن أن تُنجز من خلال إنشاء موجات صوتية. كل هذه العمليات تُنجز من خلال استخدام محولات كهروميكانيكية.
على الرغم من تطويره قبل أكثر من 100 عام، لا يزال نظام سونار يلعب دورًا هامًا اليوم. أكثر مثال حديث على ذلك سيكون تطبيقه في السيارات ذاتية القيادة، التي عادة ما تستخدم مزيجًا من سونار و LIDAR ورادار لتتبع وتفسير البيئة المحيطة.
تحصيل الطاقة
أخيرًا، تطبيق مثير للاهتمام سيكون الإنتاج الكبير للطاقة. تُطوّر البوليمرات الكهروميكانيكية لوضعها في مناطق ذات حركة مرور عالية، بما في ذلك مصانع وملاعب رياضية ومحطات قطار وغيرها حول العالم. قطعة واحدة من الكوارتز بحجم 1 سم مكعب قادرة على إنتاج ما يصل إلى 4500 فولت من الكهرباء عندما يتم تطبيق 175 رطل من القوة. مع كل خطوة على الأرض تُحدث كهرباء، هناك إمكانية لاستغلال كميات هائلة كما أنها تُنشأ يوميًا – مما يزيد من الكفاءة وتكلفة الكهرباء للمبنى.
عبر من حركة المرور، قد تصور العديد من الناس مستقبلًا حيث يتم دمج الطرق بالمواد الكهروميكانيكية، مما يُنتج الكهرباء لتوفير الطاقة اللازمة لأضواء الشارع والإشارات كما يتم تطبيق القوة المادية عليها بواسطة السيارات.
عندما تُجمع، ستسمح التكنولوجيا المستقبلية مثل شحن السيارات اللاسلكي التي تُطوّرها Electreon، والسطحات القادرة التي تُطوّرها Pavegen، ربما يومًا ما بتقليل حجم البطاريات في المركبات وطريقة أكثر كفاءة ونظافة لشحن المركبات الكهربائية.
الكلمة النهائية
بشكل عام، لم تُستخدم إمكانيات المواد الكهروميكانيكية بعد. التأثيرات الكهروضوئية التي تجعل الطاقة الشمسية ممكنة تم اكتشافها في منتصف القرن التاسع عشر، ولا تزال تصبح عملية للاستخدام الواسع النطاق فقط الآن. المواد الكهروميكانيكية ليست مختلفة، ومع استمرار البحث والتطوير في هذه المواد، تتبع زيادات في الكفاءة والمتانة. التقدّم العلمي الحديث يسمح لنا فقط الآن بفهم أو على الأقل إدراك الإمكانيات الكاملة لهذا المصدر للطاقة، مع أن حالات الاستخدام المذكورة هنا (إنتاج الكهرباء، تخميد الصوت، سونار، الحساسات، المحركات، إلخ) تكون فقط بعض الأمثلة القليلة من الإمكانيات الكثيرة.
