Piezoelektriske Materialer – Den Mest Almindelige Ukendte Energikilde

Med nye praktiske anvendelser under udvikling hver dag, forventes piezoelektrisk industri at nå omkring 41 milliarder dollars inden for de kommende tre år, med en samlet årlig vækstrate på næsten 6%. Denne vækst vil muliggøre yderligere udvikling og implementering af højteknologiske amorf og film-baserede piezoelektriske polymerer i den moderne verden.

Hvad er Piezoelektriske Materialer?

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

Piezoelektricitet henviser til en substans’ evne til at producere en elektrisk ladning, når mekanisk stress påføres. Denne elektriske ladning produceres ved tvungen asymmetri. I piezoelektriske materialer adskilles positive og negative ladninger fra hinanden, mens de forbliver aligneret i en symmetrisk mønster. Når mekanisk stress påføres substansen, går denne symmetri tabt, hvilket resulterer i produktionen af en elektrisk ladning.

PVDF beta-fase.

En anden unik egenskab ved materialet er den tilfældige natur og tilstedeværelse af Weiss-domæner (magnetisk orienteret uden ekstern magnetisk indflydelse).

Det blev senere opdaget, at disse samme materialer viste en direkte invers egenskab til den elektriske effekt. Det blev fundet, at hvis en elektrisk ladning blev appliceret på materialet, ville en gentagen mekanisk deformation forekomme inden for materialet. Denne opdagelse gav stor nytte til sådanne materialer, da det essentiellement fordoblede deres potentielle anvendelsesområder.

Producenter og Innovatører

Før vi dykker ned i eksempler på virkelige anvendelsesområder, er følgende en trio af førende virksomheder, der udnytter piezoelektriske materialer i en række produkter, der er integreret i moderne elektronik.

Bemærkelsesværdigt er, at analytikere for Barron’s i øjeblikket listar hver af følgende aktier som enten ‘over’ eller ‘køb’.

Stoneridge (SRI)

Listet på NYSE, har Stoneridge (SRI) set sine aktier stige i værdi over de sidste år med mere end 30% på tidspunktet for skrivning. Mens omsætningen hos Stoneridge tog et slag under COVID-højdepunktet, så 2021 en næsten 20% gensving til 770M $

Stoneridge beskæftiger over 5.000 mennesker og opererer fra staten Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Listet på NYSE, har Methode Electronics Inc. set sine aktier stige i værdi over de sidste år med næsten 15% på tidspunktet for skrivning. Over de sidste 4 år har Methode Electronics formået at fortsætte med at vokse sin omsætning mellem 2,36% og 10,13% hvert år. For 2022 toppede omsætningen 1,16 milliarder dollars.

Methode Electronics beskæftiger over 7.000 mennesker og opererer fra staten Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Listet på Nasdaq, har Kimball Electronics Inc. set sine aktier stige i værdi over de sidste år med mere end 32% på tidspunktet for skrivning. Hvor de ovennævnte virksomheder kæmpede fra 2019-2020, formåede Kimball Electronics at fortsætte med at have stigende omsætning. I alt 1,35 milliarder dollars for 2022, hvilket markerer en 4,47% stigning i forhold til 2021.

Kimball Electronics beskæftiger over 7.000 mennesker og opererer fra staten Indiana.

Moderne Fremskridt

Traditionelt blev naturligt forekommende piezoelektriske stoffer brugt til at demonstrere effekten. Det mest almindelige valg var kvarts. Når grænserne for naturligt forekommende stoffer blev nået, blev kunstigt fremstillede keramiske stoffer det populære valg. Designet i 1952 og stadig et af de mest populære piezoelektriske keramiske materialer i dag er PZT (bly zirconat titanat). Men med ulemper som begrænset deformation, skrøbelighed og høj massefylde, er PZT ikke ideelt for hver anvendelse.

I 1964 blev PVDF (polyvinylidenfluorid) udviklet. PVDF har en semikrystallinsk struktur og skaber ladninger flere gange større end kvarts. Selvom dette kunstigt fremstillede polymer adresserede mange af ulemperne ved PZT, havde det også sine egne – piezoelektriske sammenbrud ved høje temperaturer og degradering. Med ny teknologisk udvikling og øgede krav, kan PZT og PVDF have nået deres grænser.

I begyndelsen af 2000’erne begyndte institutter som GAIKER-IK4 at udvikle, hvad der kendes som amorf piezoelektrisk polymer. Ved at bruge en amorf struktur kan meget højere temperaturer tåles af stoffet. Da piezoelektriske effekter ikke afhænger af den krystallinske struktur, som bryder sammen ved højere temperaturer, gør den amorf struktur det til et meget mere robust polymer.

Disse amorf polymere udvikles, fordi de tilbyder højere niveauer af deformation, stor vægtreduktion og større robusthed. Ved at opnå dette, åbner feltet af anvendelser for materialet nu for inkorporering af aerospace og elektroniske enheder. Med de nye amorf piezoelektriske polymere og film, der udvikles, vil fejl under brug forekomme ved temperaturer på omkring 150°C og højere. Degradation af stoffet vil forekomme ved omkring 400°C. Selvom dette kan begrænse deres brug i ekstreme forhold, falder det meste af anvendelserne inden for en passende række.

Anvendelsesområder

Tidligere og nuværende anvendelser af piezoelektriske materialer omfatter mange uvæsentlige genstande som lightere, kvartsur og selv motorstyringssystemer. Den mest almindelige anvendelse i øjeblikket ville være i sensorer og aktuatorer. Mens passende piezoelektriske materialer er blevet anvendt til disse anvendelsesområder, kræver fremtidige anvendelser et mere fleksibelt materiale. Heldigvis er udviklingen af piezoelektriske polymere lige netop det – fleksible. Med konstante fremskridt i vores forståelse af materialevidenskab og deres evne til at vise direkte inverse effekter, fortsætter antallet af anvendelser, hvor de kan bruges, med at øge. Nogle interessante nuværende og potentielle fremtidige anvendelser omfatter,

Mobil og Bærbart Elektronik

Tale-drevne mobiltelefoner og bærbare enheder. Ved at udnytte trykket, der opstår i mikrofonen på grund af lydbølger, kan piezoelektriske polymere måske en dag producere nok strøm til at bruge telefonen. Selvom det er usandsynligt, at dette koncept vil fjerne behovet for en batteri helt, skaber det muligheden for at forlænge batteriliv i lav-forbrugs bærbare smartenheder.

Det skal bemærkes, at piezoelektriske materialer har været brugt i mikrofoner i næsten 100 år på dette tidspunkt. I stedet for at slutmålet er at oplade en enhed, tillader disse anvendelser omformningen af lydbølger til elektricitet til formålet med optagelse og afspilning på en omkostningseffektiv måde.

Dæmpningssystemer

En anden anvendelse er brugen af piezoelektriske materialer i dæmpningssystemer. Virksomheder som HEAD har inkorporeret denne idé i deres tennisketsjer og ski for at absorbere/dæmpe vibrationer. Når et slag rammer racket eller ski, høstes den reciproke effekt ved at sende den elektriske signal, der opstår, til et inversmateriale, der giver en modsat kraft. Dette resulterer i et effektivt dæmpningssystem.

Denne samme koncept anvendes til støj- og vibrationsreduktion i biler, hjem og på farlige arbejdspladser. Et eksempel på en sådan arbejdsplads ville være Bitcoin-minedrift. Ikke kun er vibrationer skadelige for elektronisk udstyr over længere tid, men der har været adskillige tilfælde, hvor omkringliggende samfund, hvor disse operationer finder sted klager over den resulterende støj og vibrationer, der skyldes brugen af ASIC-enheder. I mange lignende scenarier bruges piezo-baserede aktuatorer som en løsning til at dæmpe hver af disse effekter. Med lydbølger, der opstår i biler, hjem og maskiner ved, at materialer giver genlyd, kan denne støj også elimineres eller reduceres med traditionelle metoder som en klæbende dæmpningsmateriale. Disse materialer fungerer passivt og er meget tung og dyre. De fungerer typisk ved at sænke en materials resonansfrekvens. Udnyttelse af egenskaberne ved piezoelektriske polymere løser dette problem ved at tage den mere aktive og dynamiske tilgang, der er beskrevet ovenfor.

Rengøringsløsninger

For at demonstrere, hvor fleksible anvendelsesområderne for piezoelektriske materialer er, overvej arbejdet, der udføres af virksomheder som Solar PiezoClean. I dette tilfælde påfører virksomheden en piezoelektrisk film på solceller. Formålet er at tilbyde en lav vedligeholdelsesmæssig måde at holde solceller rene – en nøgle til at sikre optimal effektivitet.

Denne proces indebærer at applicere en elektrisk ladning på filmen, der så vibrerer med en bestemt frekvens og tone, der tillader støv og snav til at falde af med hjælp fra gravitationen. Det, der betyder, er besparelser i vand og mandskab, mens solcellernes levetid og effektivitet øges. En simpel, men genial løsning på et problem, der kun vokser, da solinstallationer bliver mere almindelige.

Mere almindelige implementeringer af piezoelektriske materialer på denne måde omfatter ultrasoniske rengøringsenheder som smykke-rengøringsmaskiner.

Aerospace

Tidligere nævnte vi brugen af piezoelektriske materialer inden for aerospace-sektoren. Her kan fly bruge sådanne materialer til at overvåge strukturel integritet og stress via målingen af de elektriske ladninger, der produceres – en anvendelse, der kan tillade ikke kun øget sikkerhed, men også større effektivitet ved at tillade ingeniører at samtidig reducere vægt og styrke strukturer, hvor det er nødvendigt.

Flyt dig ud over vores atmosfære, og piezoelektriske aktuatorer bruges i mange satellitter. Evnen til at fungere med ekstrem præcision tillader sådanne aktuatorer at lave mikro-thrusters, der kan give korrekt satellitpositionering.

Sundhedsdiagnostiske Værktøjer

Da 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 tillader små sonder at generere billeder fra inden for blodkar. Dette sker gennem brugen af ultralydstransducere bygget med piezoelektriske enkristaller.

Piezoelektriske materialer bruges også i visse tandlægeudstyr. Ligesom rengøringsløsningen, der bruges af SolarClean, ovenfor, afhænger dette udstyr af ultralydbølger, der produceres ved at applicere en elektrisk strøm på de piezoelektriske materialer, til at rense/fjerne plak fra tænder.

Sonar

Sonar-systemer (Sound Navigation and Ranging) kan bruges til at give billeder eller til kommunikation. Eksempler på billeder omfatter topografisk kortlægning af havbunde eller hverdags fiskesøgere. Mens kommunikation kan opnås gennem skabelsen af lydbølger. Disse processer er muliggjort gennem brugen af piezoelektriske transducere.

Selvom det blev udviklet for over 100 år siden, spiller sonar stadig en vigtig rolle i dag. Det seneste landsdækkende eksempel på dette ville være dets implementering i selv kørende biler, der typisk bruger en kombination af sonar, LIDAR og radar til at spore og fortolke omgivelser.

Energi-Indsamlings

Endelig er en meget interessant anvendelse stor skala energiproduktion. Piezoelektriske polymere udvikles til at placere i høj trafikområder, herunder forskellige fabrikker, sportsarenaer, banegårde og mere rundt om i verden. En 1cm^3 stor kvarts er i stand til at producere op til 4.500V elektricitet, når 175lbs kraft påføres. Med hver fodtrin, der rammer jorden i sådanne stationer, skabes denne elektricitet, hvilket giver mulighed for at udnytte enorme mængder, da det skabes dagligt – markant øger effektiviteten og reducerer elkostningerne for bygningen.

Ud over fodtrafik har mange forestillet sig en fremtid, hvor vejbaner er indlejret med sådanne materialer, hvilket skaber elektricitet til at drive vejlys og skilte, mens biler udøver fysisk kraft på dem.

Når kombineret, vil fremtidens teknologier som trådløs biloplading, der udvikles af Electreon, og energioverflader fra virksomheder som Pavegen, måske en dag tillade reducerede batteristørrelser i køretøjer og en langt mere effektiv og ren måde at holde elbiler opladet på.

Endelig Ord

Samlet set er potentialet for piezoelektriske materialer kun lige begyndt at blive realiseret. Fotovoltaiske effekter, der gør solenergi mulig, blev opdaget i midten af 1800-tallet og er først nu blevet praktisk anvendelige i bred skala. Piezoelektriske materialer er ikke forskellige, og da forskning og udvikling i disse materialer fortsætter, følger øgede effektivitet og holdbarhed med. Moderne videnskabelige fremskridt tillader os kun nu at realisere, eller i hvert fald forstå, det fulde potentiale for denne energikilde, med de ovennævnte anvendelsesområder (strømgenerering, støjdæmpning, sonar, sensorer, aktuatorer osv.) blot et udvalg af de utallige muligheder.