Πιεζοηλεκτρικά υλικά: μια διαδεδομένη αλλά λιγότερο γνωστή τεχνολογία

Με την ανάπτυξη νέων πρακτικών εφαρμογών, η αγορά πιεζοηλεκτρικών συσκευών προβλεπόταν σε έκθεση της MarketsandMarkets του 2022 να αυξηθεί από 30,8 δισ. δολάρια το 2022 σε περίπου 41 δισ. το 2027, με σύνθετο ετήσιο ρυθμό 5,9%. Πρόκειται για πρόβλεψη της εποχής, όχι για μετρημένο αποτέλεσμα ή ορίζοντα τριών ετών από το 2023. Η ζήτηση μπορεί να υποστηρίξει την έρευνα σε νέα πιεζοηλεκτρικά πολυμερή και λεπτά υμένια.

Τι είναι τα Πιεζοηλεκτρικά Υλικά;

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά μετατρέπουν μέρος της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική απόκριση. Οι αδελφοί Κιουρί ανακάλυψαν το άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο το 1880, και σήμερα αξιοποιείται σε πολλές τεχνολογίες.

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η μεταβολή της ηλεκτρικής πόλωσης ενός κατάλληλου υλικού όταν ασκείται μηχανική τάση. Έτσι εμφανίζεται ηλεκτρικό φορτίο στις επιφάνειές του. Συνδέεται με τη μη κεντροσυμμετρική δομή ή την προσανατολισμένη πολική οργάνωση του υλικού· δεν σημαίνει ότι κάθε αρχικά συμμετρικό υλικό γίνεται πιεζοηλεκτρικό απλώς επειδή πιέζεται.

Η β φάση του PVDF.

Ορισμένα σιδηροηλεκτρικά πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν περιοχές ηλεκτρικής πόλωσης, των οποίων ο προσανατολισμός επηρεάζει την απόκριση. Δεν πρέπει να συγχέονται με μαγνητικές περιοχές Weiss. Ο χαλαζίας, για παράδειγμα, είναι πιεζοηλεκτρικός χωρίς να είναι σιδηροηλεκτρικός ή να χρειάζεται τέτοιες περιοχές. Η ηλεκτρική πόλωση δεν είναι μαγνητικός προσανατολισμός.

Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η μηχανική παραμόρφωση που προκαλείται με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου. Η άμεση απόκριση επιτρέπει αισθητήρες και συλλογή ενέργειας, ενώ η αντίστροφη επιτρέπει ενεργοποιητές και παραγωγή υπερήχων. Οι δύο λειτουργίες διευρύνουν τις χρήσεις χωρίς να δημιουργούν ενέργεια από το μηδέν.

Κατασκευαστές και Καινοτόμοι

Πριν εξετάσουμε τις εφαρμογές, ακολουθούν τρεις εταιρείες ηλεκτρονικών που παρουσιάζει το άρθρο. Τα οικονομικά στοιχεία αφορούν ολόκληρες τις επιχειρήσεις και δεν αποδεικνύουν ότι όλες οι πωλήσεις τους προέρχονται από πιεζοηλεκτρικά προϊόντα.

Στο αρχικό άρθρο αναφέρονταν αξιολογήσεις αναλυτών που δημοσιεύονταν στο Barron’s, όπως «overweight» και «buy». Το πρώτο σημαίνει σύσταση υπέρβαρης συμμετοχής στο χαρτοφυλάκιο και το δεύτερο αγοράς· δεν αποτελούν τρέχουσες αξιολογήσεις ή εγγύηση απόδοσης.

Stoneridge (SRI)

Η Stoneridge (NYSE: SRI) είχε, σύμφωνα με την ιστορική σύγκριση του άρθρου στις αρχές του 2023, άνοδο μετοχής άνω του 30% στο προηγούμενο έτος. Οι πωλήσεις του 2021 ήταν 770,5 εκατ. δολάρια, έναντι 648 εκατ. το 2020, αύξηση περίπου 18,9% μετά την πτώση της πανδημίας.

Στο τέλος του 2021, η Stoneridge είχε περίπου 5.000 εργαζομένους. Η έδρα της ήταν στο Νόβι του Μίσιγκαν.

Methode Electronics (MEI)

Η Methode Electronics Inc., εισηγμένη στο NYSE, (MEI ) παρουσίαζε στην ιστορική σύγκριση του άρθρου άνοδο μετοχής περίπου 15% στο προηγούμενο έτος. Το άρθρο ανέφερε ετήσιους ρυθμούς αύξησης πωλήσεων 2,36% έως 10,13% στην προηγούμενη τετραετία. Στο οικονομικό έτος 2022 οι πωλήσεις ήταν 1.163,6 εκατ. δολάρια, έναντι 1.088 εκατ. το 2021. Αυτά δεν είναι τα σημερινά αποτελέσματα.

Το άρθρο παρέθετε προσωπικό άνω των 7.000 ατόμων για τη Methode Electronics και έδρα στο Ιλινόις, ως στοιχεία της τότε περιόδου.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Η Kimball Electronics Inc., εισηγμένη στο Nasdaq, (KE ) είχε στην ιστορική σύγκριση άνοδο μετοχής άνω του 32% στο προηγούμενο έτος. Οι πωλήσεις της αυξήθηκαν από περίπου 1,20 δισ. δολάρια στο οικονομικό έτος 2020 σε 1,292 δισ. το 2021 και 1,350 δισ. το 2022. Η αύξηση του 2022 ήταν περίπου 4,47% έναντι του 2021. Η αύξηση πωλήσεων δεν σημαίνει αντίστοιχη αύξηση κερδών.

Το άρθρο παρέθετε προσωπικό άνω των 7.000 ατόμων για την Kimball Electronics και έδρα στην Ιντιάνα, ως στοιχεία της τότε περιόδου.

Σύγχρονες εξελίξεις

Ο χαλαζίας είναι χαρακτηριστικό φυσικό πιεζοηλεκτρικό υλικό. Η έρευνα οδήγησε και σε τεχνητά κεραμικά με διαφορετικές επιδόσεις. Το PZT, που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1950, είναι ζιρκονικός τιτανικός μόλυβδος. Η μεγάλη απόκριση το καθιστά χρήσιμο, αλλά η ευθραυστότητα, η πυκνότητα, η περιορισμένη παραμόρφωση και η παρουσία μολύβδου περιορίζουν ορισμένες εφαρμογές.

Το PVDF, πολυ(φθοριούχο βινυλιδένιο), είναι ημικρυσταλλικό πολυμερές. Ο Heiji Kawai δημοσίευσε την ισχυρή πιεζοηλεκτρική του απόκριση το 1969, όχι το 1964. Η απόκριση εξαρτάται από την πολική φάση, τον προσανατολισμό και την πόλωση. Μπορεί να υπερβαίνει την απόκριση του χαλαζία σε ορισμένους συντελεστές, αλλά όχι σε κάθε μέτρο ή συνθήκη. Είναι πιο εύκαμπτο από τα κεραμικά, ενώ η θερμοκρασία και η γήρανση μπορούν να μειώσουν την πόλωσή του. Το PZT και το PVDF συνεχίζουν να εξελίσσονται· δεν έχει αποδειχθεί ότι εξαντλήθηκαν όλες οι δυνατότητές τους.

Στη δεκαετία του 2000, το GAIKER-IK4 ερεύνησε άμορφα πολικά πολυμερή, μεταξύ άλλων πολυϊμίδια, για εφαρμογές υψηλότερης θερμοκρασίας. «Άμορφο» σημαίνει ότι δεν υπάρχει η μακράς εμβέλειας περιοδική τάξη ενός κρυστάλλου. Δεν σημαίνει αυτομάτως μεγαλύτερη θερμική αντοχή: αυτή εξαρτάται από τη χημεία και τη διατήρηση της πόλωσης.

Η έρευνα για ελαφριά, εύκαμπτα και ανθεκτικά υλικά αναπτύσσεται για ηλεκτρονικές και αεροδιαστημικές εφαρμογές. Η συνδεδεμένη μελέτη του Science, όμως, αφορά επαγόμενη ισχυρή πιεζοηλεκτρική απόκριση σε κεντροσυμμετρικά οξείδια, μέσω αναδιάταξης κενών οξυγόνου, όχι άμορφα πολυμερή. Οι θερμοκρασίες 150°C για απώλεια λειτουργίας και 400°C για αποδόμηση που ανέφερε το αρχικό άρθρο δεν είναι καθολικά όρια όλων των πολυμερών. Χρειάζονται στοιχεία για τη συγκεκριμένη σύνθεση και χρήση.

Άλλες κατευθύνσεις αξιοποιούν PVDF, συμπολυμερή ή σύνθετα υλικά, ενώ τα άμορφα πολυϊμίδια αποτελούν διαφορετική οικογένεια. Δεν υπάρχει γενικός κανόνας ότι όλα κατασκευάζονται από PVDF και «PVT». Ο στόχος είναι να συνδυάζονται επιθυμητές ιδιότητες και να περιορίζονται τα μειονεκτήματα.

Στα άμορφα πολυμερή είναι σημαντική η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, η κινητικότητα των μορίων και η σταθερότητα της ηλεκτρικής πόλωσης. Η τάξη μικρής εμβέλειας αφορά την τοπική χωρική οργάνωση, όχι μικρό χρονικό διάστημα. Τα πολυϊμίδια εξετάζονται για τις μηχανικές, διηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητές τους. Η διαδικασία πόλωσης απαιτεί κατάλληλο πεδίο, θερμοκρασία και χρόνο· η παρουσία πολυϊμιδίου δεν ευθυγραμμίζει αυτόματα κάθε μόριο.

Εφαρμογές

Καθιερωμένες εφαρμογές περιλαμβάνουν αναπτήρες, ρολόγια χαλαζία και αισθητήρες σε συστήματα κινητήρων. Αισθητήρες και ενεργοποιητές αξιοποιούν αντίστοιχα το άμεσο και το αντίστροφο φαινόμενο. Τα πολυμερή προσφέρουν ευκαμψία και μικρό βάρος, ενώ τα κεραμικά συχνά μεγαλύτερη απόκριση. Η εξέλιξη των υλικών διευρύνει τις εφαρμογές, χωρίς ένα υλικό να είναι ιδανικό για όλες. Παρακάτω παρατίθενται καθιερωμένες χρήσεις και ερευνητικές προτάσεις.

Κινητές και φορετές ηλεκτρονικές συσκευές

Η συλλογή ενέργειας από ήχο ή κινήσεις ερευνάται για ηλεκτρονικές συσκευές. Η συνήθης ομιλία προσφέρει πολύ μικρή διαθέσιμη ακουστική ενέργεια και δεν τεκμηριώνει πρακτική τροφοδοσία ενός τηλεφώνου μόνο από τη συζήτηση. Πιο ρεαλιστικοί στόχοι είναι αισθητήρες ή φορετές συσκευές πολύ χαμηλής κατανάλωσης, όπου η συλλεγόμενη ενέργεια μπορεί να συμπληρώσει την μπαταρία.

Πιεζοηλεκτρικά στοιχεία χρησιμοποιούνται επίσης εδώ και πολλές δεκαετίες σε μικρόφωνα, μετατρέποντας την ηχητική πίεση σε ηλεκτρικό σήμα για καταγραφή. Η λειτουργία ως αισθητήρας δεν σημαίνει ότι παρέχουν αρκετή ισχύ για φόρτιση τηλεφώνου. Το αντίστροφο φαινόμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή ήχου.

Συστήματα απόσβεσης

Πιεζοηλεκτρικά στοιχεία μπορούν να συμβάλουν και στην απόσβεση δονήσεων. Η HEAD έχει παρουσιάσει σχετικές τεχνολογίες σε ρακέτες και σκι. Ανάλογα με τη σχεδίαση, ένα κύκλωμα μπορεί να απορροφά την ηλεκτρική ενέργεια που δημιουργούν οι δονήσεις ή να οδηγεί ενεργοποιητή ώστε να αντιτίθεται στην κίνηση. Δεν απαιτείται κάποιο ξεχωριστό «αντίστροφο υλικό».

Η ενεργή μείωση θορύβου και δονήσεων ερευνάται για οχήματα, κτίρια και βιομηχανικό εξοπλισμό. Οι εγκαταστάσεις εξόρυξης Bitcoin αναφέρονται ως παράδειγμα όπου γειτονικές κοινότητες έχουν διαμαρτυρηθεί για τον θόρυβο ανεμιστήρων και μηχανημάτων. Αυτό δεν αποδεικνύει ότι χρησιμοποιούνται ήδη πιεζοηλεκτρικοί ενεργοποιητές σε κάθε τέτοια εγκατάσταση. Παθητικά υλικά απόσβεσης διαχέουν μηχανική ενέργεια ως θερμότητα· δεν λειτουργούν όλα απλώς μειώνοντας τη συχνότητα συντονισμού ούτε είναι όλα υποχρεωτικά βαριά και ακριβά. Η αξιοποίηση των πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων προσφέρει ενεργές ή ημιενεργές λύσεις, των οποίων η απόδοση εξαρτάται από τον σχεδιασμό και το εύρος συχνοτήτων.

Λύσεις Καθαρισμού

Παράδειγμα ερευνητικής εφαρμογής καθαρισμού είναι η τεχνολογία που αναπτύσσει η Solar PiezoClean: ένα διαφανές πιεζοηλεκτρικό υμένιο για απομάκρυνση σκόνης από φωτοβολταϊκά πάνελ με μικρότερη ανάγκη για νερό και συντήρηση. Πρόκειται για τεχνολογία υπό ανάπτυξη, όχι για απόδειξη καθολικής εμπορικής εφαρμογής το 2023.

Ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί δονήσεις στο υμένιο, οι οποίες μπορούν να αποκολλήσουν σκόνη με τη βοήθεια της βαρύτητας. Στόχος είναι η εξοικονόμηση νερού και εργασίας και η διατήρηση της απόδοσης των πάνελ. Η αποτελεσματικότητα εξαρτάται από τη σκόνη, την πρόσφυση και τις συνθήκες λειτουργίας· δεν απομακρύνεται αυτόματα κάθε ρύπος.

Πιο κοινές υλοποιήσεις των πιεζοηλεκτρικών υλικών με αυτόν τον τρόπο περιλαμβάνουν υπερηχητικές συσκευές καθαρισμού όπως καθαριστές κοσμημάτων.

Αεροδιαστημική

Προηγουμένως αναφέραμε τη χρήση των πιεζοηλεκτρικών υλικών στον κλάδο της αεροδιαστημικής.  Εδώ, τα αεροπλάνα μπορούν να χρησιμοποιήσουν τέτοια υλικά για την παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας και των φορτίων μέσω της μέτρησης των παραγόμενων ηλεκτρικών φορτίων – μια περίπτωση χρήσης που μπορεί να επιτρέψει όχι μόνο μεγαλύτερη ασφάλεια, αλλά και μεγαλύτερη αποδοτικότητα, επιτρέποντας στους μηχανικούς να μειώσουν το βάρος και να ενισχύσουν τις δομές όπου χρειάζεται.

Σε διαστημικές εφαρμογές, πιεζοηλεκτρικοί ενεργοποιητές προσφέρουν ακριβείς μικροκινήσεις. Μπορούν, για παράδειγμα, να ελέγχουν μικροβαλβίδες που ρυθμίζουν τη ροή προωθητικού σε μικροπροωθητήρες για λεπτές διορθώσεις θέσης ή προσανατολισμού. Το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο δεν παράγει από μόνο του προωθητική δύναμη χωρίς μηχανισμό πρόωσης.

Διαγνωστικά εργαλεία στην υγεία

Ένα παράδειγμα είναι η ενδοαγγειακή υπερηχογραφία (IVUS). Ένας καθετήρας με μικροσκοπικό μετατροπέα υπερήχων απεικονίζει το εσωτερικό και τα τοιχώματα αιμοφόρων αγγείων, όπως στεφανιαίες και περιφερικές αρτηρίες. Πιεζοηλεκτρικά υλικά, μεταξύ άλλων κεραμικά ή μονοκρύσταλλοι ανάλογα με τον σχεδιασμό, μπορούν να παράγουν και να ανιχνεύουν υπερήχους. Το IVUS δεν σημαίνει αποκλειστικά ενδοφλεβική εξέταση.

Στην οδοντιατρική, πιεζοηλεκτρικοί υπερηχητικοί αποτρυγωτές χρησιμοποιούν ηλεκτρικά διεγειρόμενες δονήσεις για απομάκρυνση τρυγίας και οδοντικών εναποθέσεων. Πρόκειται για διαφορετική εφαρμογή από τον καθαρισμό φωτοβολταϊκών, αν και αξιοποιεί επίσης την ηλεκτρομηχανική μετατροπή.

Σόναρ

Τα συστήματα Σόναρ (Sound Navigation and Ranging) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παροχή εικόνας ή για επικοινωνία.  Παραδείγματα εικόνας περιλαμβάνουν την τοπογραφική χαρτογράφηση του πυθμένα των ωκεανών ή καθημερινούς εντοπιστές ψαριών.  Παράλληλα, η επικοινωνία μπορεί να επιτευχθεί μέσω της δημιουργίας ηχητικών κυμάτων.  Κάθε μία από αυτές τις διαδικασίες γίνεται δυνατή μέσω της χρήσης πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων.

Το σόναρ έχει ιστορία άνω του αιώνα. Συγγενής εφαρμογή είναι οι υπερηχητικοί αισθητήρες μικρής απόστασης σε συστήματα στάθμευσης και υποβοήθησης οδήγησης. Ανάλογα με το όχημα, μπορούν να συνδυάζονται με κάμερες, ραντάρ ή lidar· δεν χρησιμοποιούν όλα τα αυτόνομα οχήματα τον ίδιο συνδυασμό αισθητήρων.

Συλλογή μηχανικής ενέργειας

Μια ερευνητική κατεύθυνση είναι η συλλογή ενέργειας από βήματα και δονήσεις σε εργοστάσια, γήπεδα, σταθμούς και άλλους πολυσύχναστους χώρους. Το αρχικό άρθρο ανέφερε δείγμα χαλαζία όγκου 1 cm³ και τάση έως 4.500 V υπό δύναμη 175 λιβρών, περίπου 780 N. Αυτοί οι αριθμοί δεν αποτελούν καθολική προδιαγραφή: η τάση εξαρτάται από τη γεωμετρία, τον προσανατολισμό, το φορτίο και το κύκλωμα. Τα βολτ δεν μετρούν ενέργεια ή ισχύ. Ακόμη και υψηλή τάση ανοικτού κυκλώματος μπορεί να συνοδεύεται από ελάχιστο διαθέσιμο φορτίο, οπότε δεν αποδεικνύει μεγάλη παραγωγή ή σημαντική κάλυψη των αναγκών ενός κτιρίου.

Υπάρχουν επίσης προτάσεις συλλογής μηχανικής ενέργειας σε δρόμους για μικρά φορτία, όπως φωτισμό ή αισθητήρες. Η ενέργεια προέρχεται από την κίνηση και την παραμόρφωση· πρόσθετη αντίσταση μπορεί να αυξάνει την κατανάλωση του οχήματος. Δεν είναι δωρεάν ενέργεια.

Η ασύρματη φόρτιση οχημάτων που αναπτύσσει η Electreon χρησιμοποιεί ηλεκτρική τροφοδοσία και επαγωγική μεταφορά, όχι ενέργεια που παράγεται δωρεάν από την πίεση του δρόμου. Τα δάπεδα της Pavegen χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικές γεννήτριες, όχι πιεζοηλεκτρικά υλικά, και η εταιρεία αναφέρει περίπου 2–4 joule ανά βήμα. Μπορούν να υποστηρίξουν μικρά φορτία και διαδραστικές εφαρμογές. Δεν τεκμηριώνουν αντικατάσταση της κύριας τροφοδοσίας φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων. Η δυναμική ασύρματη φόρτιση μπορεί να περιορίσει τις απαιτήσεις μπαταρίας σε κατάλληλες διαδρομές, αλλά αποτελεί διαφορετική τεχνολογία.

Τελικές σκέψεις

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι καθιερωμένα σε αισθητήρες, ενεργοποιητές, υπερήχους και απόσβεση, ενώ νέες συνθέσεις διευρύνουν τις δυνατότητές τους. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1839 και η αξιοποίησή του έχει εξελιχθεί επί δεκαετίες· δεν έγινε πρακτικό μόνο τώρα. Αντίστοιχα, η έρευνα στα πιεζοηλεκτρικά βελτιώνει την απόδοση και την αντοχή. Στη συλλογή ενέργειας, η ηλεκτρική έξοδος προέρχεται από διαθέσιμη μηχανική ενέργεια. Οι εφαρμογές που αναφέρθηκαν είναι παραδείγματα ενός ευρύτερου πεδίου και διαφέρουν σημαντικά ως προς την ωριμότητα και την κλίμακα.