Piezoelektriske materialer – en udbredt, men mindre kendt teknologi

Der udvikles løbende nye praktiske anvendelser. I MarketsandMarkets’ rapport fra 2022 blev markedet for piezoelektriske enheder forventet at vokse fra cirka 30,8 mia. dollar i 2022 til 41 mia. i 2027, svarende til en årlig vækst på 5,9%. Det var en prognose, ikke et realiseret resultat eller tre år fra 2023. Efterspørgslen kan fremme forskning i amorfe polymerer og tynde film.

Hvad er piezoelektriske materialer?

Piezoelektriske materialer kan omdanne en del af mekanisk energi til en elektrisk respons. Curie-brødrene opdagede den direkte piezoelektriske effekt i 1880. Den udnyttes i dag i mange teknologier.

Ved mekanisk belastning ændres den elektriske polarisering i et egnet materiale, så der opstår ladning på overfladerne. Effekten hænger sammen med en ikke-centrosymmetrisk struktur eller en orienteret polær orden. Ikke alle symmetriske stoffer bliver piezoelektriske, blot fordi de presses.

PVDF beta-fase.

Nogle ferroelektriske piezomaterialer har domæner med elektrisk polarisering. Disse må ikke forveksles med magnetiske Weiss-domæner. Kvarts er piezoelektrisk uden ferroelektricitet eller sådanne domæner. Elektrisk polarisering er forskellig fra magnetisk orientering.

Ved den inverse piezoelektriske effekt deformeres materialet af et elektrisk felt. Den direkte effekt bruges i sensorer og energihøstning, den inverse i aktuatorer og til at frembringe ultralyd. Begge udvider anvendelserne uden at skabe energi ud af ingenting.

Producenter og innovatører

Før anvendelserne præsenteres tre elektronikvirksomheder omtalt i artiklen. De økonomiske tal gælder hele virksomhederne og dokumenterer ikke omsætning fra piezoelektriske produkter alene.

Den oprindelige artikel henviste til analytikervurderinger offentliggjort i Barron’s, såsom overweight og buy. Det er anbefalinger om overvægtning og køb, ikke aktuelle vurderinger eller garanti for afkast.

Stoneridge (SRI)

Stoneridge (NYSE: SRI) var ifølge artiklens historiske sammenligning fra begyndelsen af 2023 steget over 30% på et år. Efter pandemiens nedgang steg omsætningen fra 648 mio. dollar i 2020 til 770,5 mio. i 2021, cirka 18,9%.

Ved udgangen af 2021 havde virksomheden omkring 5.000 ansatte og hovedkontor i Novi, Michigan.

Methode Electronics (MEI)

NYSE-noterede Methode Electronics Inc. (MEI ) var i artiklens historiske sammenligning steget næsten 15% på et år. Artiklen angav årlig omsætningsvækst på 2,36–10,13% over de foregående fire år. Omsætningen i regnskabsåret 2022 var 1.163,6 mio. dollar mod 1.088 mio. i 2021.

Artiklen angav dengang over 7.000 ansatte og hovedkontor i Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Nasdaq-noterede Kimball Electronics Inc. (KE ) var i den historiske sammenligning steget over 32% på et år. Omsætningen steg fra cirka 1,20 mia. dollar i regnskabsåret 2020 til 1,292 mia. i 2021 og 1,350 mia. i 2022. Væksten i 2022 var omkring 4,47%. Omsætningsvækst er ikke det samme som vækst i overskud.

Artiklen angav dengang over 7.000 ansatte og hovedkontor i Indiana.

Moderne fremskridt

Kvarts er et velkendt naturligt piezoelektrisk materiale. Kunstige keramikker er også udviklet til forskellige behov. PZT, blyzirkonattitanat, blev udviklet i 1950’erne og giver en kraftig respons. Begrænset deformation, skrøbelighed, høj massefylde og blyindhold kan dog begrænse anvendelsen.

PVDF, polyvinylidenfluorid, er en semikrystallinsk polymer. Heiji Kawai offentliggjorde dens kraftige piezoelektriske respons i 1969, ikke 1964. Responsen afhænger af den polære fase, orienteringen og polariseringen. Nogle koefficienter kan overstige kvarts’, men det gælder ikke alle målemetoder eller forhold. PVDF er mere fleksibelt end keramik, men temperatur og ældning kan svække polariseringen. PZT og PVDF udvikles fortsat; alle muligheder er ikke udtømt.

I 2000’erne undersøgte GAIKER-IK4 amorfe polære polymerer, såsom polyimider, til anvendelser ved højere temperaturer. Amorfe materialer mangler krystallers periodiske orden over lange afstande. Det garanterer ikke i sig selv varmebestandighed; kemisk struktur og stabil polarisering har også betydning.

Lette, fleksible og robuste materialer udvikles til blandt andet elektronik og luft- og rumfart. Det linkede Science-studie handler imidlertid om stor piezoelektricitet induceret i centrosymmetriske oxider gennem omfordeling af iltvakanser, ikke om amorfe polymerer. De oprindeligt nævnte temperaturer på cirka 150°C for funktionssvigt og 400°C for nedbrydning er ikke universelle grænser for alle polymerer; de må vurderes for det konkrete materiale og forsøg.

Andre forskningsretninger omfatter PVDF, copolymerer og kompositter. Amorfe polyimider er en anden materialefamilie. Der er ingen generel regel om, at alle nye polymerer bygger på PVDF og “PVT”. Målet er at kombinere nyttige egenskaber og begrænse ulemper.

For amorfe polymerer er glasovergangstemperatur, molekylær bevægelighed og polariseringens stabilitet vigtige. Kortdistanceorden beskriver lokal rumlig struktur. Polyimider undersøges for deres mekaniske, dielektriske og termiske egenskaber. Polarisering kræver et passende elektrisk felt, temperatur og tid; polyimid sikrer ikke automatisk orientering af alle molekyler.

Anvendelser

Etablerede anvendelser omfatter lightere, kvartsure og sensorer i motorstyring. Sensorer udnytter den direkte effekt, aktuatorer den inverse. Polymerer kan give lav vægt og fleksibilitet, keramik ofte en kraftigere respons. Materialeudvikling udvider mulighederne, men ét materiale er ikke bedst til alt. Eksemplerne nedenfor omfatter både etablerede anvendelser og forskningsideer.

Mobil elektronik og kropsbårne enheder

Energihøstning fra lyd og bevægelse undersøges til elektronik. Almindelig tale indeholder dog meget lidt akustisk energi og dokumenterer ikke en praktisk måde at drive en telefon ved blot at tale. Mere realistiske mål er sensorer og kropsbårne enheder med meget lavt forbrug, hvor høstet energi kan supplere batteriet.

Piezoelektriske elementer har i årtier været brugt i mikrofoner til at omdanne lydtryk til elektriske optagelsessignaler. At fungere som sensor er ikke det samme som at levere nok effekt til telefonopladning. Den inverse effekt kan bruges til lydgengivelse.

Dæmpningssystemer

En anden anvendelse er brugen af piezoelektriske materialer i dæmpningssystemer. Virksomheder som HEAD har præsenteret sådanne teknologier i tennisketsjere og ski. Afhængigt af konstruktionen kan et kredsløb afsætte elektrisk energi fra vibrationerne eller styre en aktuator, som modvirker bevægelsen. Et særskilt “inverst materiale” er ikke nødvendigt.

Aktiv støj- og vibrationsdæmpning undersøges til køretøjer, bygninger og industriudstyr. Bitcoin-minedrift nævnes som eksempel på installationer, hvor naboer har klaget over støj fra ventilatorer og maskiner. Det dokumenterer ikke, at alle sådanne installationer bruger piezoaktuatorer. Passive dæmpningsmaterialer omsætter mekanisk energi til varme; de virker ikke alle ved at sænke resonansfrekvensen og er ikke nødvendigvis tunge eller dyre. Udnyttelse af piezoelektriske egenskaber giver mulighed for aktive og halvaktive løsninger, hvis virkning afhænger af design og frekvensområde.

Rengøringsløsninger

Et eksempel på udvikling inden for rengøring er Solar PiezoCleans gennemsigtige piezoelektriske film til at løsne støv fra solpaneler og mindske behovet for vand og vedligeholdelse. Det var ikke dokumentation for udbredt kommerciel brug i 2023.

Et vekslende elektrisk felt får filmen til at vibrere, så støv kan løsnes og falde af ved hjælp af tyngdekraften. Målet er at spare vand og arbejde samt bevare panelernes ydelse. Effekten afhænger af støv, vedhæftning og driftsforhold; alt snavs falder ikke automatisk af.

En mere etableret anvendelse er ultralydsrensere, eksempelvis til smykker.

Luft- og rumfart

Piezoelektriske sensorer kan måle elektriske signaler for at overvåge flykonstruktioners tilstand og mekaniske belastning. Det kan støtte sikkerhed, målrettede forstærkninger og reduktion af unødvendig vægt.

I rumteknik kan piezoaktuatorer styre meget præcise små bevægelser. De kan eksempelvis betjene mikroventiler, som regulerer drivmiddel til mikrothrustere for finjustering af satellitter. Materialet skaber ikke i sig selv reaktionsfri fremdrift.

Medicinsk udstyr

Intravaskulær ultralyd (IVUS) bruger en lille ultralydstransducer på et kateter til at danne billeder inde i blodkar og af deres vægge, eksempelvis i kranspulsårer og perifere arterier. Piezoelektrisk keramik eller enkeltkrystaller kan afhængigt af konstruktionen sende og modtage ultralyd; alle apparater kræver ikke udelukkende enkeltkrystaller.

Piezoelektriske ultralydsinstrumenter i tandplejen bruger elektrisk frembragte vibrationer til at fjerne tandsten og andre belægninger. Det er en anden anvendelse end rengøring af solpaneler, selv om begge bygger på elektromekanisk omdannelse.

Sonar

Sonar bruges til billeddannelse og kommunikation under vand. Eksempler er kortlægning af havbunden og lokalisering af fisk. Piezoelektriske transducere kan sende lydbølger og modtage ekkoer eller kommunikationssignaler.

Sonar har mere end hundrede års historie. Beslægtede anvendelser er ultralydssensorer med kort rækkevidde til parkering og køreassistance. Afhængigt af køretøjet kan de kombineres med kameraer, radar eller lidar; alle selvkørende biler bruger ikke samme kombination.

Høstning af mekanisk energi

Der forskes i at høste energi fra skridt og vibrationer på fabrikker, sportsanlæg, stationer og andre travle steder. Den oprindelige artikel nævnte en kvartsprøve med et volumen på 1 cm³, som kunne give op til 4.500 V ved en kraft på 175 pund, cirka 780 newton. Det er ikke et universelt produktionsløfte: spændingen afhænger af geometri, orientering, belastning og kredsløb. Volt måler ikke energi eller effekt. En høj tomgangsspænding kan ledsages af meget lidt ladning og dokumenterer ikke stor elproduktion eller dækning af en væsentlig del af en bygnings forbrug.

Energihøstning i veje er også foreslået til små belastninger som lys og sensorer. Energien kommer fra bevægelse og deformation; ekstra modstand kan øge køretøjets energiforbrug. Det er ikke gratis energi.

Trådløs bilopladning udviklet af Electreon bruger elforsyning og induktiv energioverførsel, ikke gratis strøm fra trykket på vejen. Pavegen bruger derimod elektromagnetiske generatorer i sine gulve, ikke piezoelektriske materialer, og angiver cirka 2–4 joule pr. skridt. Det er egnet til små belastninger og interaktive anvendelser, ikke dokumentation for at erstatte elbilers primære opladning. Dynamisk trådløs opladning kan på egnede ruter muliggøre mindre batterier, men er en anden teknologi.

Afsluttende ord

Piezoelektriske materialer er etablerede i sensorer, aktuatorer, ultralyd og dæmpning, og nye sammensætninger udvider mulighederne. Den fotovoltaiske effekt blev opdaget i 1839, og praktiske anvendelser er udviklet gennem årtier; de er ikke først blevet anvendelige nu. Forskning i piezomaterialer forbedrer tilsvarende ydeevne og holdbarhed. Ved energihøstning kommer elektriciteten fra tilgængelig mekanisk energi. Eksemplerne her er en del af et bredt område og varierer i modenhed og skala.