Piezoelektriske materialer – Den mest almindelige ukendte energikilde

With new practical applications being developed every day, the piezoelectric industry is forventet to reach roughly $41 billion within the coming three years, with a compound annual growth rate of nearly 6%. This boom will allow for the further development and implementation of high-tech amorphous and film-based piezoelectric polymers in the modern world.

Hvad er piezoelektriske materialer?

Piezoelektriske materialer gør det muligt for os at udnytte kinetisk energi ved at omdanne kraft til en elektrisk ladning. Først defineret af Curie‑brødrene i 1880, er piezoelektricitet blevet et grundlæggende princip, der udnyttes i moderne teknologi.

Piezoelektricitet refererer til et stofs evne til at producere en elektrisk ladning, når mekanisk belastning påføres. Denne elektriske ladning produceres af tvungen asymmetri. I piezoelektriske materialer adskilles positive og negative ladninger fra hinanden, mens de forbliver justeret i et symmetrisk mønster. Når mekanisk belastning påføres stoffet, går denne symmetri tabt, hvilket resulterer i produktionen af en elektrisk ladning.

PVDF beta-fase.

En anden unik egenskab ved materialerne er den tilfældige natur og tilstedeværelsen af Weiss-domæner (magnetisk orienteret uden ekstern magnetisk påvirkning).

Det blev senere opdaget, at disse samme materialer udviste en direkte invers egenskab i forhold til den elektriske effekt. Det blev fundet, at hvis en elektrisk ladning påføres materialet, vil gentagelig mekanisk deformation forekomme i materialet. Denne opdagelse gav stor nytte for sådanne materialer, da den i praksis fordoblede deres potentielle anvendelsesområder.

Producenter og Innovatører

Før vi dykker ned i eksempler på virkelige anvendelsestilfælde, er følgende en trio af førende virksomheder, der udnytter piezoelektriske materialer i en række produkter, der er integrale i moderne elektronik.
Bemærkelsesværdigt viser analytikere fra Barron’s i øjeblikket hver af de følgende aktier som enten ‘over’ eller ‘køb’.

Stoneridge (SRI)

Noteret på NYSE har Stoneridge (SRI) set sine aktier stige i værdi med mere end 30 % i løbet af det seneste år på tidspunktet for skrivning. Mens omsætningen hos Stoneridge blev ramt under COVID’s højdepunkt, så 2021 en næsten 20 % genopretning til $770M.
Stoneridge beskæftiger over 5.000 personer og opererer fra staten Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Noteret på NYSE har Methode Electronics Inc. set sine aktier stige i værdi med næsten 15 % i løbet af det seneste år på tidspunktet for skrivning. I løbet af de sidste 4 år har Methode Electronics formået at fortsætte med at øge sin omsætning med mellem 2,36 % og 10,13 % hvert år. For 2022 oversteg omsætningen $1,16 mia.
Methode Electronics beskæftiger over 7.000 personer og opererer fra staten Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Noteret på Nasdaq har Kimball Electronics Inc. set sine aktier stige i værdi med mere end 32 % i løbet af det seneste år på tidspunktet for skrivning. Hvor de ovenstående virksomheder kæmpede i perioden 2019‑2020, har Kimball Electronics formået at fortsætte med stigende omsætning. Med $1,35 mia for 2022 udgør dette en stigning på 4,47 % i forhold til 2021.
Kimball Electronics beskæftiger over 7.000 personer og opererer fra staten Indiana.

Moderne fremskridt

Traditionelt blev naturligt forekommende piezoelektriske stoffer brugt til at demonstrere effekten. Mest almindeligt var kvarts det foretrukne materiale. Da grænserne for naturligt forekommende stoffer nåedes, blev kunstige keramikker det populære valg. Designet i 1952 og stadig en af de mest populære piezoelektriske keramikker i dag er PZT (blyzirkonium titanat). Dog er PZT med ulemper som begrænset deformation, skrøbelighed og høj massefylde ikke ideel til alle anvendelser.

I 1964 blev PVDF (polyvinylidenfluorid) udviklet. PVDF har en halvkristallinsk struktur og skaber ladninger flere gange større end kvarts. Selvom denne menneskeskabte polymer løste mange af PZTs ulemper, havde den sine egne – piezoelektrisk nedbrydning ved høje temperaturer og forringelse. Med den seneste teknologiske udvikling og stigende efterspørgsel kan PZT og PVDF have nået deres grænser.

I begyndelsen af 2000’erne begyndte institutter som GAIKER‑IK4 at udvikle det, der kaldes amorfe piezoelektriske polymerer. Ved at udnytte en amorf struktur kan stoffet modstå meget højere temperaturer. Da de piezoelektriske effekter ikke er afhængige af den krystallinske struktur, som nedbrydes ved højere temperaturer, gør de amorfe strukturer polymeren meget mere robust.

Disse amorfe polymerer er udviklet fordi de tilbyder højere deformation, stor vægtreduktion og større robusthed. Ved at opnå dette tillader anvendelsesområdet for materialerne nu integration i luftfarts- og elektroniske enheder. Med de nye amorfe piezoelektriske polymerer og film, der udvikles, vil svigt under brug forekomme ved temperaturer på omkring 150°C og derover. Nedbrydning af stoffet vil ske ved omkring 400°C. Selvom dette kan begrænse deres brug under ekstreme forhold, falder langt de fleste anvendelser inden for et passende område.

Ligesom mange nye stoffer udvikles disse polymerer ved at bruge PVDF og PVT som grundlag. Man forsøger at bevare de positive egenskaber fra hvert materiale, mens man eliminerer så mange ulemper som muligt. Selvom sådanne produkter er nyere polymerer, er de modelleret efter de nuværende fungerende modeller.

Ved at udnytte en amorf struktur skal der udføres omfattende testning af optimale glasovergangstemperaturer. Denne værdi er direkte forbundet med styrken af de piezoelektriske egenskaber, materialet vil besidde. Den amorfe struktur demonstrerer og afhænger af kortdistanseorden for at producere en piezoelektrisk effekt i stedet for langdistanseorden som set i krystallinske strukturer. Derudover vælger mange at indarbejde polyimider i materialernes struktur på grund af deres mekaniske, dielektriske og termiske egenskaber, hvor polyimiderne sikrer polarisering af molekyler uanset deres placering.

Anvendelsestilfælde

Tidligere og nuværende anvendelser af piezoelektriske materialer omfatter mange usynlige genstande såsom lightere, kvartsure og endda motorstyringssystemer. Den mest almindelige anvendelse i dag er i sensorer og aktuatorer. Selvom egnede piezoelektriske materialer er blevet anvendt til disse anvendelsestilfælde, kræver fremtidige anvendelser et mere alsidigt materiale. Heldigvis er de udviklende piezoelektriske polymerer netop det – alsidige. Med konstante fremskridt i vores forståelse af materialvidenskab og deres evne til at vise direkte inverse effekter, fortsætter antallet af anvendelser, de kan bruges til, med at stige. Nogle fascinerende nuværende og potentielle fremtidige anvendelser inkluderer,

Mobil- og bærbar elektronik

Talebaserede mobiltelefoner og bærbare enheder. Ved at udnytte trykket, der skabes i mikrofonen på grund af lydbølger, kan piezoelektriske polymerer forhåbentlig en dag generere nok strøm til at drive telefonen. Selvom det er usandsynligt, at dette koncept vil fjerne behovet for et batteri helt i den nærmeste fremtid, skaber det muligheden for at forlænge batterilevetiden i lavforbrugende bærbare smarte enheder.

Det bør bemærkes, at piezoelektriske materialer har været brugt i mikrofoner i næsten 100 år på nuværende tidspunkt. I stedet for at målet er at oplade en enhed, tillader disse anvendelser konvertering af lydbølger til elektricitet med henblik på optagelse og afspilning på en omkostningseffektiv måde.

Dæmpningssystemer

En anden anvendelse er brugen af piezoelektriske materialer i dæmpningssystemer. Virksomheder som HEAD har indarbejdet denne idé i deres tennisrackets og ski for at absorbere/dæmpe vibrationer. Når en påvirkning sker på racketten eller skien, udnyttes den reciprokke effekt ved at sende det skabte elektriske signal til et invers materiale, der leverer en modsat kraft. Dette resulterer i et effektivt dæmpningssystem.

Det samme koncept anvendes til støj- og vibrationsreduktion i biler, hjem og i farlige arbejdsmiljøer. Et eksempel på et sådant miljø er Bitcoin‑minedrift. Ikke kun er vibrationer skadelige for elektronisk udstyr på lang sigt, men der har også været forskellige tilfælde af omkringliggende samfund, hvor disse operationer finder sted klagende over den resulterende støj og vibrationer fra brugen af ASIC‑enheder. I mange lignende scenarier anvendes piezo‑baserede aktuatorer som en løsning til at dæmpe hver af disse effekter. Med lydbølger, der skabes i biler, hjem og maskiner af materialer, der genlyder, kan denne støj også elimineres, eller i det mindste reduceres, med traditionelle metoder såsom et klæbende dæmpningsmateriale. Disse materialer virker passivt, men er meget tunge og dyre. De fungerer typisk ved at sænke et materiales resonansfrekvens. Udnytte egenskaberne ved piezoelektriske polymerer løser dette problem ved at tage den mere aktive og dynamiske tilgang beskrevet ovenfor.

Rengøringsløsninger

For at demonstrere, hvor alsidige anvendelsesområderne for piezoelektriske materialer er, overvej arbejdet udført af virksomheder som Solar PiezoClean. I dette tilfælde belægger virksomheden solpaneler med en piezoelektrisk film. Formålet er at tilbyde en lav vedligeholdelsesmetode til at holde solpaneler rene – en nøgle til at sikre optimal effektivitet.

Denne proces involverer påføring af en elektrisk ladning på filmen, som derefter vibrerer ved en specifik frekvens og tone, der tillader støv og snavs at falde af med hjælp fra tyngdekraften. Hvad dette betyder er besparelser i vand og arbejdskraft, samtidig med at levetiden og effektiviteten af de belagte paneler øges. En simpel, men genial løsning på et problem, der kun vokser, efterhånden som solinstallationer bliver mere udbredte.

Mere almindelige implementeringer af piezoelektriske materialer på denne måde inkluderer ultralydsrengøringsapparater som smykkerenser.

Luftfart

Tidligere nævnte vi brugen af piezoelektriske materialer inden for luftfartssektoren. Her kan fly udnytte sådanne materialer til at overvåge strukturel integritet og belastninger gennem måling af de producerede elektriske ladninger – et anvendelsesområde, der kan muliggøre ikke kun øget sikkerhed, men også større effektivitet ved at lade ingeniører samtidig reducere vægt og styrke strukturer, hvor det er nødvendigt.

Gå ud over vores atmosfære, og piezoelektriske aktuatorer anvendes i mange satellitter. Evnen til at operere med ekstrem præcision gør det muligt for sådanne aktuatorer at skabe mikroraketter, der er i stand til korrekt satellitpositionering.

Sundhedsdiagnostiske værktøjer

Efterhånden som vores evne til at skabe mindre og mindre enheder forbedres, bruger vi nu piezoelektriske materialer i forskellige diagnostiske værktøjer inden for sundhedssektoren. Et eksempel på dette er intravaskulær ultralyd (IVUS). IVUS er en proces, der gør det muligt for små sonder at generere billeddannelse fra inde i blodkar. Dette sker ved brug af ultralydstransducere bygget med piezoelektriske enkeltkrystaller.

Piezoelektriske materialer anvendes også i visse tandlægeudstyr. Ligesom rengøringsløsningen, der anvendes af SolarClean beskrevet ovenfor, er dette udstyr afhængigt af ultralydsbølger, der produceres ved at påføre en elektrisk strøm til de piezoelektriske materialer, for at rense/fjerne plak fra tænder.

Sonar

Sonar (Sound Navigation and Ranging) systemer kan bruges til at levere billeddannelse eller til kommunikation. Eksempler på billeddannelse inkluderer topografisk kortlægning af havbunden eller daglige fiskefindere. Samtidig kan kommunikation opnås gennem skabelse af lydbølger. Hver af disse processer muliggøres gennem brug af piezoelektriske transducere.

Selvom den blev udviklet for over 100 år siden, spiller sonar fortsat en vigtig rolle i dag. Det seneste udbredte eksempel på dette er dens implementering i selvkørende biler, som typisk bruger en kombination af sonar, LIDAR og radar til at spore og fortolke omgivelserne.

Energihøstning

Endelig er en meget fascinerende anvendelse storstilet energiproduktion. Piezoelektriske polymerer udvikles til at placeres i højtrafikområder, herunder forskellige fabrikker, sportsbaner, togstationer og mere rundt om i verden. Et 1 cm³ stykke kvarts kan producere op til 4.500 V elektricitet, når der påføres en kraft på 175 lbs. Med hvert skridt, der rammer jorden i sådanne stationer, skabes denne elektricitet, hvilket giver potentialet til at udnytte enorme mængder, da den genereres dagligt – hvilket øger effektiviteten og reducerer elomkostningerne for bygningen.

Udover fodtrafik har mange forestillet sig en fremtid, hvor veje er indlejret med sådanne materialer, der skaber elektricitet til at drive gadebelysning og skilte, mens biler udøver fysisk kraft på dem.

Når de kombineres, vil fremtidige teknologier som trådløs bilopladning, der udvikles af Electreon, og strømførende overflader fra virksomheder som Pavegen, forhåbentlig en dag muliggøre mindre batteristørrelser i køretøjer og en meget mere effektiv og ren måde at holde elektriske køretøjer opladet på.

Afsluttende ord

Samlet set er potentialet for piezoelektriske materialer kun begyndt at blive realiseret. Fotovoltaiske effekter, der gør solenergi mulig, blev opdaget i midten af 1800‑tallet og bliver først nu praktisk til bred anvendelse. Piezoelektriske materialer er ikke anderledes, og efterhånden som forskning og udvikling af disse materialer fortsætter, følger forbedringer i effektivitet og holdbarhed. Moderne videnskabelige fremskridt gør det først nu muligt for os at realisere, eller i det mindste forstå, det fulde potentiale af denne energikilde, hvor de her nævnte anvendelser (elektricitetsgenerering, lyddæmpning, sonar, sensorer, aktuatorer osv.) kun er et udpluk af utallige muligheder.