Υλικά Πιεζοηλεκτρικά – Η Πιο Συνηθισμένη Άγνωστη Πηγή Ενέργειας

Με νέες πρακτικές εφαρμογές που αναπτύσσονται κάθε μέρα, η βιομηχανία πιεζοηλεκτρικών υλικών αναμένεται να φτάσει τα 41 δισεκατομμύρια δολάρια εντός των επόμενων τριών ετών, με ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης लगभग 6%. Αυτή η εκρηκτική αύξηση θα επιτρέψει την περαιτέρω ανάπτυξη και εφαρμογή υψηλής τεχνολογίας αμορφών και φιλμ-βασισμένων πιεζοηλεκτρικών πολυμερών στον σύγχρονο κόσμο.

Τι είναι τα Πιεζοηλεκτρικά Υλικά;

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά μας επιτρέπουν να εκμεταλλευτούμε την κινητική ενέργεια, μετατρέποντας τη δύναμη σε ηλεκτρικό φορτίο. Πρώτα ορίστηκαν από τους αδελφούς Curie το 1880, η πιεζοηλεκτρικότητα έχει γίνει一个 θεμελιώδες αρχή που εκμεταλλεύεται η σύγχρονη τεχνολογία.

Η πιεζοηλεκτρικότητα αναφέρεται στην ικανότητα ενός υλικού να παράγει ηλεκτρικό φορτίο όταν εφαρμόζεται μηχανική τάση. Αυτό το ηλεκτρικό φορτίο παράγεται από την αναγκαία ασυμμετρία. Στα πιεζοηλεκτρικά υλικά, τα θετικά και αρνητικά φορτία分离 από το άλλο, ενώ παραμένουν ευθυγραμμισμένα σε συμμετρικό μοτίβο. Όταν εφαρμόζεται μηχανική τάση στο υλικό, αυτή η συμμετρία χάνεται, με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρικού φορτίου.

PVDF βήτα φάση.

Μια άλλη μοναδική ιδιότητα των υλικών είναι η τυχαία φύση και η παρουσία Weiss περιοχών (μαγνητικά προσανατολισμένων χωρίς εξωτερική μαγνητική επιρροή).

Αργότερα ανακαλύφθηκε ότι τα ίδια υλικά έδειξαν μια άμεση αντίστροφη ιδιότητα στο ηλεκτρικό αποτέλεσμα. Βρέθηκε ότι αν εφαρμοστεί ηλεκτρικό φορτίο στο υλικό, θα συμβεί επαναλαμβανόμενη μηχανική παραμόρφωση μέσα στο υλικό. Αυτή η ανακάλυψη έδωσε μεγάλη उपयσιμότητα σε τέτοια υλικά, καθώς ουσιαστικά διπλασίασε τις προοπτικές χρήσης τους.

Κατασκευαστές και Καινοτόμες Εταιρείες

Πριν αναλύσουμε παραδείγματα πραγματικών εφαρμογών, οι ακόλουθες είναι τρεις ηγετικές εταιρείες που χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικά υλικά σε διάφορες εφαρμογές που είναι ουσιαστικές για την σύγχρονη ηλεκτρονική.

Σημαντικά, αναλυτές της Barron’s κατατάσσουν κάθε μία από τις ακόλουθες μετοχές ως ‘πάνω’ ή ‘αγορά’.

Stoneridge (SRI)

Καταχωρημένες στο NYSE, οι μετοχές της Stoneridge (SRI) έχουν αυξηθεί σε αξία hơn 30% τον τελευταίο χρόνο. Ενώ οι πωλήσεις της Stoneridge έλαβαν χτύπημα κατά τη διάρκεια της κορύφωσης του COVID, το 2021 saw μια σχεδόν 20% ανάκαμψη στα 770 εκατομμύρια δολάρια

Η Stoneridge απασχολεί πάνω από 5.000 άτομα και λειτουργεί από την Πολιτεία του Μίσιγκαν.

Methode Electronics (MEI)

Καταχωρημένες στο NYSE, οι μετοχές της Methode Electronics Inc. έχουν αυξηθεί σε αξία σχεδόν 15% τον τελευταίο χρόνο. Τα τελευταία τέσσερα χρόνια, η Methode Electronics έχει διατηρήσει την αύξηση των πωλήσεων της μεταξύ 2,36% και 10,13% κάθε χρόνο. Για το 2022, οι πωλήσεις έφτασαν τα 1,16 δισεκατομμύρια δολάρια.

Η Methode Electronics απασχολεί πάνω από 7.000 άτομα και λειτουργεί από την Πολιτεία του Ιλινόι.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Καταχωρημένες στο Nasdaq, οι μετοχές της Kimball Electronics Inc. έχουν αυξηθεί σε αξία πάνω από 32% τον τελευταίο χρόνο. Ενώ οι εταιρείες που αναφέρθηκαν παραπάνω έπασχαν από το 2019-2020, η Kimball Electronics κατάφερε να αυξήσει συνεχώς τις πωλήσεις της. Συνολικά 1,35 δισεκατομμύρια δολάρια για το 2022, αυτό σηματοδοτεί μια αύξηση 4,47% σε σχέση με το 2021.

Η Kimball Electronics απασχολεί πάνω από 7.000 άτομα και λειτουργεί από την Πολιτεία της Ιντιάνα.

Σύγχρονες Προοδοί

Παραδοσιακά, φυσικά πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιήθηκαν για να δείξουν το αποτέλεσμα. Το πιο συνηθισμένο υλικό ήταν το кварτζ. Όταν οι περιορισμοί των φυσικών υλικών επιτεύχθηκαν, τα ανθρωπογενή κεραμικά έγιναν η δημοφιλής επιλογή. Σχεδιασμένα το 1952 και ακόμη ένα από τα πιο δημοφιλή πιεζοηλεκτρικά κεραμικά σήμερα είναι το PZT (οξείδιο του μολύβδου, ζιρκονίου και τιτανίου). Ωστόσο, με μειονεκτήματα όπως περιορισμένη παραμόρφωση, εύθραυστοτητα και υψηλή πυκνότητα μάζας, το PZT δεν είναι ιδανικό για κάθε εφαρμογή.

Το 1964 αναπτύχθηκε το PVDF (πολυβινυλιδένιο φθορίδιο). Το PVDF έχει μια ημι-κρυσταλλική δομή και δημιουργεί φορτία πολλαπλάσια από το кварτζ. Αν και αυτό το ανθρωπογενές πολυμερές αντιμετώπισε πολλά από τα μειονεκτήματα του PZT, είχε διάφορα δικά του – πιεζοηλεκτρικές βλάβες σε υψηλές θερμοκρασίες και υποβάθμιση. Με τις πρόσφατες τεχνολογικές προοδοί και τις αυξανόμενες απαιτήσεις, το PZT και το PVDF μπορεί να έχουν φτάσει τα όριά τους.

Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, ιδρύματα όπως το GAIKER-IK4 άρχισαν να αναπτύσσουν τα λεγόμενα αμορφικά πιεζοηλεκτρικά πολυμερή. Χρησιμοποιώντας μια αμορφική δομή, μπορεί να αντεπεξέλθουν σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες. Από τότε που τα πιεζοηλεκτρικά αποτελέσματα δεν βασίζονται στη κρυσταλλική δομή που καταρρέει σε υψηλότερες θερμοκρασίες, οι αμορφικές δομές κάνουν για ένα πολύ πιο ανθεκτικό πολυμερές.

Αυτά τα αμορφικά πολυμερή αναπτύσσονται επειδή προσφέρουν υψηλότερα επίπεδα παραμόρφωσης, μεγάλη μείωση βάρους και μεγαλύτερη ανθεκτικότητα. Επιτυγχάνοντας αυτό, ο τομέας των εφαρμογών για τα υλικά τώρα επιτρέπει την ενσωμάτωση αεροδιαστημικών και ηλεκτρονικών συσκευών. Με τα νέα αμορφικά πιεζοηλεκτρικά πολυμερή και φίλμ που αναπτύσσονται, η αποτυχία κατά τη χρήση θα συμβεί σε θερμοκρασίες περίπου 150°C και πάνω. Η υποβάθμιση του υλικού θα συμβεί περίπου στα 400°C. Αν και αυτό μπορεί να περιορίσει τη χρήση τους σε ακραίες συνθήκες, η πλειονότητα των εφαρμογών πέφτει εντός eines κατάλληλου εύρους.

Όπως και πολλά νέα υλικά, αυτά τα πολυμερή αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας το PVDF και το PVT ως τα θεμελιώδη. Προσπαθώντας να διατηρήσουν τα θετικά χαρακτηριστικά από κάθε υλικό ενώ να εξαλείφουν όσο το δυνατόν περισσότερα μειονεκτήματα. Αν και τέτοια προϊόντα είναι νεότερα πολυμερή, είναι μοντελοποιημένα από τα τρέχοντα λειτουργικά μοντέλα.

Χρησιμοποιώντας μια αμορφική δομή, πρέπει να γίνει εκτενής δοκιμή για τις βέλτιστες θερμοκρασίες μετάβασης γυαλιού. Αυτή η τιμή είναι άμεσα συνδεδεμένη με τη δύναμη των πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων που θα possui το υλικό. Η αμορφική δομή δείχνει και βασίζεται σε κοντινή τάξη για να παράγει ένα πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα, αντί για μακρινή τάξη όπως φαίνεται στις κρυσταλλικές δομές. Επιπλέον, πολλοί επιλέγουν να ενσωματώσουν πολυιμίδια στη δομή των υλικών λόγω των μηχανικών, διαηλεκτρικών και θερμικών ιδιοτήτων τους, με τα πολυιμίδια να διασφαλίζουν την πολικότητα των μορίων ανεξάρτητα από τη θέση τους.

Εφαρμογές

Παλιές και τρέχουσες εφαρμογές πιεζοηλεκτρικών υλικών περιλαμβάνουν πολλά ασυνήθιστα αντικείμενα όπως πυροσβέστες, ρολόγια кварτζ και ακόμη και συστήματα διαχείρισης κινητήρα. Η πιο συνηθισμένη χρήση για αυτά τώρα θα ήταν σε αισθητήρες και ενεργοποιητές. Ενώ κατάλληλα πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν εφαρμοστεί για αυτές τις εφαρμογές, μελλοντικές εφαρμογές απαιτούν ένα πιο ευέλικτο υλικό. Ευτυχώς, τα αναπτυσσόμενα πιεζοηλεκτρικά πολυμερή είναι ακριβώς αυτό – ευέλικτα. Με συνεχείς προοδοί στην κατανόησή μας για την επιστήμη των υλικών και την ικανότητά τους να εμφανίζουν άμεσες αντίστροφες επιδράσεις, ο αριθμός των εφαρμογών στις οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν συνεχίζει να αυξάνεται. Κάποιες ενδιαφέρουσες τρέχουσες και μελλοντικές εφαρμογές περιλαμβάνουν,

Κινητά και Φορητά Ηλεκτρονικά

Ομιλητές που τροφοδοτούν κινητά τηλέφωνα και φορητές συσκευές. Χρησιμοποιώντας την πίεση που δημιουργείται στο μικρόφωνο λόγω ηχητικών κυμάτων, τα πιεζοηλεκτρικά πολυμερή μπορούν να δημιουργήσουν αρκετή ενέργεια για να χρησιμοποιηθεί το τηλέφωνο. Αν και είναι απίθανο ότι αυτή η концепция θα αφαιρέσει την ανάγκη για μπαταρία ολικά οποτεδήποτε σύντομα, δημιουργεί την πιθανότητα να επεκτείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας σε χαμηλής κατανάλωσης φορητές συσκευές.

Πρέπει να σημειωθεί ότι τα πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί σε μικρόφωνα για σχεδόν 100 χρόνια τώρα. Αντί του τελικού στόχου να φορτίσουν μια συσκευή, αυτές οι εφαρμογές επιτρέπουν τη μετατροπή ηχητικών κυμάτων σε ηλεκτρικό ρεύμα για τον σκοπό της εγγραφής και αναπαραγωγής με οικονομικά αποδοτικό τρόπο.

Σύστημα Απαλότητας

Μια άλλη εφαρμογή είναι η χρήση πιεζοηλεκτρικών υλικών σε συστήματα απαλότητας. Εταιρείες όπως η HEAD έχουν ενσωματώσει αυτή την ιδέα στα τένις ρακέτες και σκι για να απορροφήσουν/απαλύνουν δονήσεις. Όταν συμβεί μια επίδραση στο ρακέτα ή σκι, η αντίστροφη επίδραση αξιοποιείται στέλνοντας το ηλεκτρικό σήμα που δημιουργείται σε ένα αντίστροφο υλικό που παρέχει μια αντίθετη δύναμη. Αυτό οδηγεί σε ένα αποτελεσματικό σύστημα απαλότητας.

Η ίδια концепция εφαρμόζεται στην μείωση θορύβου και δονήσεων σε αυτοκίνητα, σπίτια και σε επικίνδυνες εργασιακές συνθήκες. Ένα παράδειγμα τέτοιας συνθήκης θα ήταν οι φάρμες εξόρυξης Bitcoin. Όχι μόνο οι δονήσεις είναι επιζήμιες για τις ηλεκτρονικές συσκευές μακροπρόθεσμα, αλλά υπάρχουν διάφορα περιστατικά γύρω από τις κοινότητες όπου πραγματοποιούνται αυτές οι επιχειρήσεις που καταγγέλλουν για τον θόρυβο και τις δονήσεις που προκύπτουν από τη χρήση των συσκευών ASIC. Σε πολλές παρόμοιες περιπτώσεις, πιεζο-βασισμένοι ενεργοποιητές χρησιμοποιούνται ως λύση για να απαλύνουν αυτές τις επιδράσεις. Με ηχητικά κύματα που δημιουργούνται σε αυτοκίνητα, σπίτια και μηχανήματα από υλικά που ανακλούν, αυτός ο θόρυβος μπορεί επίσης να εξαλειφθεί, ή τουλάχιστον να μειωθεί, με παραδοσιακές μεθόδους όπως ένα κολλητικό υλικό απαλύνσεων. Αυτά τα υλικά λειτουργούν παθητικά, όμως, και είναι πολύ βαριά και ακριβά. Συνήθως λειτουργούν μειώνοντας τη συχνότητα αναρρόφησης του υλικού. Εξαγοράζοντας τις ιδιότητες των πιεζοηλεκτρικών πολυμερών λύνει αυτό το πρόβλημα με την λήψη της πιο ενεργητικής και δυναμικής προσέγγισης που περιγράφηκε παραπάνω.

Λύσεις Καθαρισμού

Για να δείξουμε πόσο ευέλικτες είναι οι εφαρμογές των πιεζοηλεκτρικών υλικών, σκεφτείτε το έργο που πραγματοποιείται από εταιρείες όπως η Solar PiezoClean. Σε αυτή την περίπτωση, η εταιρεία καλύπτει τις ηλιακές πλάκες με ένα πιεζοηλεκτρικό φίλμ. Ο σκοπός είναι να προσφέρει ένα χαμηλό συντήρηση μέσο για να διατηρούν τις ηλιακές πλάκες καθαρές – ένα κλειδί για να διασφαλιστεί η βέλτιστη απόδοση.

Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την εφαρμογή ηλεκτρικού φορτίου στο φίλμ, το οποίο στη συνέχεια δονείται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα και τόνο που επιτρέπει στη σκόνη και τη βρωμιά να πέσει απλά με τη βοήθεια της βαρύτητας. Αυτό που όλα αυτά σημαίνουν είναι οικονομίες σε νερό και ανθρώπινο δυναμικό, ενώ αυξάνεται η μακροζωία και η απόδοση των καλυμμένων πλαισίων. Μια απλή, αλλά έξυπνη λύση σε ένα πρόβλημα που μεγαλώνει όσο οι ηλιακές εγκαταστάσεις γίνονται πιο συχνές.

Περισσότερες κοινές εφαρμογές πιεζοηλεκτρικών υλικών σε τέτοιο τρόπο περιλαμβάνουν υπερηχητικά συσκευές καθαρισμού όπως καθαριστές κοσμημάτων.

Αεροδιαστημική

Νωρίτερα αναφέραμε τη χρήση πιεζοηλεκτρικών υλικών στον αεροδιαστημικό τομέα. Εδώ, τα αεροπλάνα μπορούν να χρησιμοποιήσουν τέτοια υλικά για να παρακολουθήσουν τη δομική ακεραιότητα και τους στρες μέσω της μέτρησης των ηλεκτρικών φορτίων που παράγονται – μια εφαρμογή που μπορεί να επιτρέψει όχι μόνο την αύξηση της ασφάλειας, αλλά και τις μεγαλύτερες αποδοτικότητες επιτρέποντας στους μηχανικούς να κόψουν το βάρος και να ενισχύσουν τις δομές όπου χρειάζεται.

Κινώντας μας πέρα από την ατμόσφαιρα, οι πιεζοηλεκτρικοί ενεργοποιητές χρησιμοποιούνται σε πολλά δορυφόροι. Η ικανότητα να λειτουργούν με ακριβή ακρίβεια επιτρέπει σε τέτοιους ενεργοποιητές να κάνουν μικρο-προωθητήρες ικανούς για τη σωστή τοποθέτηση δορυφόρου.

Ιατρικά Διαγνωστικά Εργαλεία

Όσο η ικανότητά μας να δημιουργούμε μικρότερα και μικρότερα συσκευές βελτιώνεται, τώρα χρησιμοποιούμε πιεζοηλεκτρικά υλικά σε διάφορα διαγνωστικά εργαλεία στην ιατρική. Ένα παράδειγμα είναι η Ενδοαγγειακή Υπερήχων (IVUS). Η IVUS είναι μια διαδικασία που επιτρέπει σε μικρές σονδες να δημιουργούν εικόνες από μέσα από τα αιμοφόρα αγγεία. Αυτό γίνεται μέσω της χρήσης υπερηχογραφικών μετατροπών που κατασκευάζονται με πιεζοηλεκτρικά μονόκρυστα.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται επίσης σε ορισμένα οδοντιατρικά εργαλεία. Παρόμοια με τη λύση καθαρισμού που χρησιμοποιείται από την SolarClean που περιγράφηκε παραπάνω, αυτό το εργαλείο βασίζεται σε υπερηχητικά κύματα, που παράγονται εφαρμόζοντας ηλεκτρικό ρεύμα στα πιεζοηλεκτρικά υλικά, για να καθαρίσει/αφαιρέσει πλάκα από τα δόντια.

Σόναρ

Σόναρ (Σύστημα Ναυσιπλοΐας και Χαρτογράφηση) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παρέχει εικόνες ή για επικοινωνία. Παραδείγματα εικόνων περιλαμβάνουν την τοπογραφική χαρτογράφηση των ωκεανών, ή καθημερινά ψαροχώρες. Ενώ η επικοινωνία μπορεί να επιτευχθεί μέσω της δημιουργίας ηχητικών κυμάτων. Κάθε μια από αυτές τις διαδικασίες είναι δυνατή μέσω της χρήσης πιεζοηλεκτρικών μετατροπών.

Παρά το ότι αναπτύχθηκε πάνω από 100 χρόνια πριν, το Σόναρ συνεχίζει να играει σημαντικό ρόλο σήμερα. Το πιο πρόσφατο ευρέως γνωστό παράδειγμα θα ήταν η εφαρμογή του σε αυτοκίνητα χωρίς οδηγό, τα οποία συνήθως χρησιμοποιούν συνδυασμό Σόναρ, LIDAR και ραντάρ για να παρακολουθήσουν και να ερμηνεύσουν το περιβάλλον.

Συλλογή Ενέργειας

Τέλος, μια πολύ ενδιαφέρουσα εφαρμογή θα ήταν η μεγάλης κλίμακας παραγωγή ενέργειας. Πιεζοηλεκτρικά πολυμερή αναπτύσσονται για να τοποθετηθούν σε περιοχές υψηλής κυκλοφορίας, συμπεριλαμβανομένων διαφόρων εργοστασίων, αθλητικών πεδίων, σιδηροδρομικών σταθμών και πολλών άλλων σε όλο τον κόσμο. Ένα κομμάτι 1cm³ από кварτζ είναι ικανό να παράγει μέχρι 4.500V ηλεκτρικού ρεύματος όταν εφαρμοστεί δύναμη 175lbs. Με κάθε βήμα που χτυπά στο έδαφος σε τέτοιους σταθμούς δημιουργώντας αυτή την ηλεκτρική ενέργεια, υπάρχει η πιθανότητα να αξιοποιηθεί τεράστια ποσότητα ενέργειας όπως αυτή δημιουργείται καθημερινά – αυξάνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα και το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας για το κτίριο.

Πέρα από την κυκλοφορία, πολλοί έχουν οραματιστεί ένα μέλλον στο οποίο οι οδοί είναι ενσωματωμένες με τέτοια υλικά, δημιουργώντας ηλεκτρική ενέργεια για να τροφοδοτήσουν φανάρια και σημάδια ενώ τα αυτοκίνητα ασκούν φυσική δύναμη σε αυτά.

Όταν συνδυαστούν, μελλοντικές τεχνολογίες όπως η ασύρματη φόρτιση αυτοκινήτων που αναπτύσσεται από την Electreon, και οι ενεργοποιημένες επιφάνειες από εταιρείες όπως η Pavegen, θα επιτρέψουν μια giorno να μειώσουν το μέγεθος της μπαταρίας στα οχήματα και μια πιο αποτελεσματική και καθαρή τρόπο για να διατηρήσουν τα ηλεκτρικά οχήματα φορτισμένα.

Τελική Λέξη

Συνολικά, το δυναμικό των πιεζοηλεκτρικών υλικών μόλις αρχίζει να πραγματοποιείται. Οι φωτοβολταϊκές επιδράσεις που κάνουν την ηλιακή ενέργεια δυνατή ανακαλύφθηκαν στη μέση του 1800 και είναι μόνο τώρα που γίνονται πρακτικές για ευρεία χρήση. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά δεν είναι διαφορετικά, και καθώς η έρευνα και ανάπτυξη σε αυτά τα υλικά συνεχίζεται, αυξάνονται η αποδοτικότητα και η ανθεκτικότητα. Οι σύγχρονες επιστημονικές προοδοί μας επιτρέπουν να κατανοήσουμε, ή τουλάχιστον να αντιλαμβανόμαστε, το πλήρες δυναμικό αυτής της πηγής ενέργειας, με τις εφαρμογές που αναφέρθηκαν εδώ (παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, απαλύνσεις, σόναρ, αισθητήρες, ενεργοποιητές, κ.λπ.) να είναι μόνο quelques από τις Countless δυνατότητες.