Piezoelektrische Materialien – Die Meistverbreiteten Unbekannten Energiequellen

Mit der Entwicklung neuer praktischer Anwendungen jeden Tag, wird die piezoelektrische Industrie voraussichtlich in den kommenden drei Jahren auf etwa 41 Milliarden Dollar anwachsen, mit einem jährlichen Wachstumsrate von fast 6%. Dieser Boom ermöglicht die weitere Entwicklung und Implementierung von High-Tech-Amorph- und Film-basierten piezoelektrischen Polymeren in der modernen Welt.

Was sind piezoelektrische Materialien?

Piezoelektrische Materialien ermöglichen es uns, kinetische Energie zu nutzen, indem sie Kraft in eine elektrische Ladung umwandeln. Zuerst definiert von den Curie-Brüdern im Jahr 1880, ist die Piezoelektrizität zu einem grundlegenden Prinzip geworden, das in der modernen Technologie ausgenutzt wird.

Die Piezoelektrizität bezieht sich auf die Fähigkeit einer Substanz, eine elektrische Ladung zu erzeugen, wenn mechanischer Stress angewendet wird. Diese elektrische Ladung wird durch erzwungene Asymmetrie erzeugt. In piezoelektrischen Materialien werden positive und negative Ladungen voneinander getrennt, während sie in einem symmetrischen Muster ausgerichtet bleiben. Wenn mechanischer Stress auf die Substanz angewendet wird, geht diese Symmetrie verloren, was zur Erzeugung einer elektrischen Ladung führt.

PVDF beta-Phase.

Eine weitere einzigartige Eigenschaft dieser Materialien ist die zufällige Natur und das Vorhandensein von Weiss-Domänen (magnetisch orientiert ohne äußeren magnetischen Einfluss).

Es wurde später entdeckt, dass diese Materialien eine direkte inverse Eigenschaft zum elektrischen Effekt aufwiesen. Es wurde festgestellt, dass, wenn eine elektrische Ladung auf das Material angewendet wird, eine wiederholbare mechanische Deformation innerhalb des Materials auftritt. Diese Entdeckung gab diesen Materialien eine große Nützlichkeit, da sie ihre potenziellen Anwendungsfälle praktisch verdoppelten.

Hersteller und Innovatoren

Bevor wir uns mit Beispielen für reale Anwendungsfälle befassen, sind die folgenden drei führenden Unternehmen, die piezoelektrische Materialien in einer Vielzahl von Produkten nutzen, die in der modernen Elektronik von wesentlicher Bedeutung sind.

Bemerkenswerterweise listen Analysten von Barron’s derzeit jeden der folgenden Aktien als “über” oder “kaufen” ein.

Stoneridge (SRI)

An der NYSE notiert, hat Stoneridge (SRI) seine Aktien im Vergleich zum Vorjahr um mehr als 30% erhöht. Während der Umsatz von Stoneridge während der COVID-Höhepunkte einen Einbruch erlitt, sah man 2021 eine fast 20%ige Erholung auf 770 Mio. USD.

Stoneridge beschäftigt über 5.000 Menschen und hat seinen Hauptsitz im Bundesstaat Michigan.

Methode Electronics (MEI)

An der NYSE notiert, hat Methode Electronics Inc. seine Aktien im Vergleich zum Vorjahr um fast 15% erhöht. In den letzten vier Jahren hat Methode Electronics es geschafft, seinen Umsatz zwischen 2,36% und 10,13% pro Jahr zu steigern. Für 2022 lag der Umsatz bei 1,16 Mrd. USD.

Methode Electronics beschäftigt über 7.000 Menschen und hat seinen Hauptsitz im Bundesstaat Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

An der Nasdaq notiert, hat Kimball Electronics Inc. seine Aktien im Vergleich zum Vorjahr um mehr als 32% erhöht. Während die oben genannten Unternehmen von 2019-2020 an Umsatz einbüßten, schaffte es Kimball Electronics, seinen Umsatz kontinuierlich zu steigern. Mit einem Umsatz von 1,35 Mrd. USD für 2022, bedeutet dies eine Steigerung von 4,47% gegenüber 2021.

Kimball Electronics beschäftigt über 7.000 Menschen und hat seinen Hauptsitz im Bundesstaat Indiana.

Moderne Fortschritte

Traditionell wurden natürliche piezoelektrische Substanzen verwendet, um den Effekt zu demonstrieren. Am häufigsten wurde das Material der Wahl Quarz. Als die Grenzen der natürlichen Substanzen erreicht wurden, wurden künstliche Keramiken zur beliebten Wahl. Entwickelt im Jahr 1952 und immer noch eines der beliebtesten piezoelektrischen Keramiken heute ist PZT (Bleizirkonat-Titanat). Allerdings haben PZT Nachteile wie begrenzte Deformation, Sprödigkeit und eine hohe Massendichte, was es nicht ideal für jeden Anwendungsfall macht.

Im Jahr 1964 wurde PVDF (Polyvinylidenfluorid) entwickelt. PVDF hat eine halbkristalline Struktur und erzeugt Ladungen, die mehrmals größer sind als die von Quarz. Obwohl dieser künstliche Polymer viele der Nachteile von PZT ansprach, hatte er auch eigene – piezoelektrische Durchbrüche bei hohen Temperaturen und Degradation. Durch die jüngsten technologischen Fortschritte und die zunehmende Nachfrage haben PZT und PVDF möglicherweise ihre Grenzen erreicht.

Anfang der 2000er Jahre begannen Institute wie GAIKER-IK4, sogenannte amorphe piezoelektrische Polymere zu entwickeln. Durch die Verwendung einer amorphen Struktur können viel höhere Temperaturen von der Substanz ertragen werden. Da die piezoelektrischen Effekte nicht auf der kristallinen Struktur basieren, die bei höheren Temperaturen zusammenbricht, machen die amorphen Strukturen einen viel robusteren Polymer.

Diese amorphen Polymere werden entwickelt, weil sie höhere Deformationsgrade, ein geringeres Gewicht und eine größere Robustheit bieten. Durch die Erreichung dieser Ziele erweitern sich die Anwendungsbereiche für die Materialien und ermöglichen die Integration in die Luft- und Raumfahrt sowie in elektronische Geräte. Mit den neuen amorphen piezoelektrischen Polymeren und Folien, die entwickelt werden, tritt ein Versagen während der Verwendung bei Temperaturen von etwa 150°C und mehr auf. Eine Degradation der Substanz tritt bei etwa 400°C auf. Obwohl dies ihre Verwendung in extremen Bedingungen einschränken kann, fallen die meisten Anwendungen in einen geeigneten Bereich.

Wie bei vielen neuen Substanzen werden diese Polymere entwickelt, indem PVDF und PVT als Grundlage verwendet werden. Es wird versucht, die positiven Eigenschaften jedes Materials beizubehalten, während so viele Nachteile wie möglich eliminiert werden. Obwohl solche Produkte neue Polymere sind, werden sie nach den aktuellen Arbeitsmodellen entwickelt.

Durch die Verwendung einer amorphen Struktur müssen umfangreiche Tests auf die optimalen glasübergangs-Temperaturen durchgeführt werden. Dieser Wert ist direkt mit der Stärke der piezoelektrischen Eigenschaften verbunden, die das Material besitzt. Die amorphe Struktur zeigt und basiert auf einer kurzen Reichweite, um einen piezoelektrischen Effekt zu erzeugen, anstelle einer langen Reichweite, wie sie in kristallinen Strukturen zu sehen ist. Darüber hinaus entscheiden sich viele dafür, Polyimide in die Struktur der Materialien aufzunehmen, aufgrund ihrer mechanischen, dielektrischen und thermischen Eigenschaften, wobei die Polyimide eine Polung der Moleküle unabhängig von ihrer Position gewährleisten.

Anwendungsfälle

Vergangene und aktuelle Anwendungen von piezoelektrischen Materialien umfassen viele unauffällige Gegenstände wie Feuerzeuge, Quarzuhr und sogar Motorsteuerungssysteme. Die häufigste Verwendung für sie ist derzeit in Sensoren und Aktoren. Während geeignete piezoelektrische Materialien für diese Anwendungsfälle eingesetzt wurden, verlangen zukünftige Anwendungen nach einem vielseitigeren Material. Glücklicherweise sind die entwickelten piezoelektrischen Polymere genau das – vielseitig. Durch ständige Fortschritte in unserem Verständnis der Materialwissenschaft und ihrer Fähigkeit, direkte inverse Effekte zu zeigen, steigt die Anzahl der Anwendungsfälle, in denen sie eingesetzt werden können, ständig. Einige interessante aktuelle und potenzielle zukünftige Anwendungen umfassen,

Mobile und tragbare Elektronik

Sprachgesteuerte Mobiltelefone und tragbare Geräte. Durch die Verwendung des Drucks, der durch Schallwellen in dem Mikrofon erzeugt wird, können piezoelektrische Polymere hoffentlich eines Tages genug Energie erzeugen, um das Telefon zu betreiben. Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass dieses Konzept den Bedarf an einer Batterie vollständig beseitigt, ermöglicht es die Möglichkeit, die Batterielebensdauer in niedrigenergetischen tragbaren Smart-Geräten zu verlängern.

Es sollte beachtet werden, dass piezoelektrische Materialien bereits seit fast 100 Jahren in Mikrofonen verwendet werden. Anstatt das Endziel zu verfolgen, ein Gerät aufzuladen, ermöglichen diese Anwendungen die Umwandlung von Schallwellen in Elektrizität zum Zweck der Aufnahme und Wiedergabe auf kostengünstige Weise.

Dämpfungssysteme

Eine weitere Anwendung ist die Verwendung von piezoelektrischen Materialien in Dämpfungssystemen. Unternehmen wie HEAD haben diese Idee in ihre Tennisracket und Skier integriert, um Vibrationen zu dämpfen. Wenn ein Aufprall auf dem Racket oder Ski auftritt, wird die rekursive Wirkung durch die Umwandlung des erzeugten elektrischen Signals in eine inverse Materialien mit einer entgegengesetzten Kraft genutzt. Dies führt zu einem effektiven Dämpfungssystem.

Dieses Konzept wird auch auf die Geräusch- und Vibrationsreduzierung in Autos, Häusern und gefährlichen Arbeitsumgebungen angewendet. Ein Beispiel für eine solche Umgebung wäre Bitcoin-Mining-Farmen. Nicht nur sind Vibrationen für elektronische Geräte auf lange Sicht schädlich, es gab verschiedene Fälle, in denen umliegende Gemeinden, in denen diese Betriebe stattfinden, über die resultierenden Geräusche und Vibrationen geklagt haben, die durch die Verwendung von ASIC-Geräten entstehen. In vielen ähnlichen Szenarien werden piezo-basierte Aktoren als Lösung zur Dämpfung dieser Effekte eingesetzt. Da Schallwellen durch die Schwingung von Materialien in Autos, Häusern und Maschinen erzeugt werden, kann dieses Geräusch auch durch traditionelle Methoden wie ein Klebe-Dämpfungsmaterial eliminiert oder zumindest reduziert werden. Diese Materialien arbeiten passiv und sind sehr schwer und teuer. Sie arbeiten typischerweise, indem sie die Resonanzfrequenz eines Materials senken. Die Ausnutzung der Eigenschaften von piezoelektrischen Polymeren löst dieses Problem, indem sie einen aktiveren und dynamischeren Ansatz wie oben beschrieben verwenden.

Reinigungslösungen

Um die Vielseitigkeit der Anwendungsfälle für piezoelektrische Materialien zu demonstrieren, betrachten Sie die Arbeit von Unternehmen wie Solar PiezoClean. In diesem Fall kleidet das Unternehmen Solarpanele mit einer piezoelektrischen Folie. Der Zweck besteht darin, eine wartungsarme Möglichkeit zu bieten, Solarpanele sauber zu halten – ein Schlüssel, um optimale Effizienz zu gewährleisten.

Dieser Prozess umfasst die Anwendung einer elektrischen Ladung auf die Folie, die dann mit einer bestimmten Frequenz und Tonhöhe vibriert, die es ermöglicht, dass Staub und Schmutz einfach durch die Schwerkraft abfallen. Was dies alles bedeutet, sind Einsparungen an Wasser und Arbeitskraft, während die Lebensdauer und Effizienz der beschichteten Paneele erhöht werden. Eine einfache, aber geniale Lösung für ein Problem, das nur wächst, da Solaranlagen immer häufiger werden.

Häufigere Umsetzungen von piezoelektrischen Materialien auf diese Weise umfassen ultrasonische Reinigungsgeräte wie Schmuckreiniger.

Luft- und Raumfahrt

Früher haben wir die Verwendung von piezoelektrischen Materialien im Luft- und Raumfahrtsektor erwähnt. Hier können Flugzeuge diese Materialien nutzen, um die strukturelle Integrität und die Belastungen durch die Messung der erzeugten elektrischen Ladungen zu überwachen – ein Anwendungsfall, der nicht nur eine erhöhte Sicherheit ermöglicht, sondern auch eine größere Effizienz, indem Ingenieure gleichzeitig Gewicht reduzieren und Strukturen verstärken können, wo es notwendig ist.

Wenn man über die Atmosphäre hinausgeht, werden piezoelektrische Aktoren in vielen Satelliten verwendet. Die Fähigkeit, mit extremer Präzision zu arbeiten, ermöglicht es diesen Aktoren, Mikroschubdüsen zu erstellen, die für eine ordnungsgemäße Satellitenpositionierung notwendig sind.

Gesundheitsdiagnose-Tools

Da unsere Fähigkeit, immer kleinere Geräte zu erstellen, verbessert wird, verwenden wir jetzt piezoelektrische Materialien in verschiedenen Diagnose-Tools im Gesundheitswesen. Ein Beispiel dafür ist die intravaskuläre Ultraschalluntersuchung (IVUS). IVUS ist ein Prozess, der es ermöglicht, winzige Sonden zu erstellen, die Bilder aus den Blutgefäßen erzeugen. Dies geschieht durch die Verwendung von Ultraschall-Wandlern, die mit piezoelektrischen Einkristallen gebaut sind.

Piezoelektrische Materialien werden auch in bestimmten zahnmedizinischen Geräten verwendet. Ähnlich wie die Reinigungslösung, die von SolarClean oben beschrieben wird, basiert diese Ausrüstung auf ultrasonischen Wellen, die durch die Anwendung eines elektrischen Stroms auf die piezoelektrischen Materialien erzeugt werden, um Plaque von den Zähnen zu entfernen.

Sonar

Sonar-Systeme (Sound Navigation and Ranging) können für die Bildgebung oder die Kommunikation verwendet werden. Beispiele für die Bildgebung umfassen die topografische Kartierung von Meeresböden oder alltägliche Fischfinder. Während die Kommunikation durch die Erzeugung von Schallwellen erreicht wird. Jeder dieser Prozesse wird durch die Verwendung von piezoelektrischen Wandlern ermöglicht.

Obwohl es vor über 100 Jahren entwickelt wurde, spielt Sonar auch heute noch eine wichtige Rolle. Das jüngste weit verbreitete Beispiel dafür wäre seine Implementierung in selbstfahrenden Autos, die typischerweise eine Kombination aus Sonar, LIDAR und Radar verwenden, um die Umgebung zu verfolgen und zu interpretieren.

Energiegewinnung

Schließlich wäre eine sehr interessante Anwendung die großflächige Energieproduktion. Piezoelektrische Polymere werden entwickelt, um in hochfrequentierte Bereiche wie Fabriken, Sportplätze, Bahnhöfe und mehr auf der ganzen Welt eingesetzt zu werden. Ein 1cm³ großes Stück Quarz kann bis zu 4.500 V Elektrizität erzeugen, wenn eine Kraft von 175 Pfund angewendet wird. Mit jedem Schritt, der auf den Boden in solchen Stationen trifft und Elektrizität erzeugt, besteht das Potenzial, enorme Mengen zu nutzen, die täglich erzeugt werden – was die Effizienz und die Elektrizitätskosten für das Gebäude erheblich steigert.

Darüber hinaus haben viele eine Zukunft vor Augen, in der Straßen mit solchen Materialien ausgelegt werden, um Elektrizität für Straßenlaternen und Schilder zu erzeugen, wenn Autos physikalische Kräfte auf sie ausüben.

Wenn diese Technologien kombiniert werden, werden zukünftige Technologien wie drahtloses Auto-Laden, das von Electreon entwickelt wird, und leistungsfähige Oberflächen von Unternehmen wie Pavegen, hoffentlich eines Tages ermöglichen, die Batteriegröße in Fahrzeugen zu reduzieren und eine effizientere und saubere Möglichkeit bieten, elektrische Fahrzeuge zu laden.

Letzte Worte

Insgesamt beginnt das Potenzial von piezoelektrischen Materialien erst, realisiert zu werden. Die photovoltaischen Effekte, die Solarenergie ermöglichen, wurden in den 1800er Jahren entdeckt und werden erst jetzt für eine weit verbreitete Nutzung praktikabel. Piezoelektrische Materialien sind nicht anders, und da die Forschung und Entwicklung in diese Materialien weitergeht, folgen auch Verbesserungen in Effizienz und Haltbarkeit. Moderne wissenschaftliche Fortschritte ermöglichen es uns erst jetzt, das volle Potenzial dieser Energiequelle zu verstehen, wobei die hier aufgeführten Anwendungsfälle (Stromerzeugung, Schalldämpfung, Sonar, Sensoren, Aktoren usw.) nur einige aus einer Vielzahl von Möglichkeiten sind.