Πιεζοηλεκτρικά Υλικά – Η Πιο Συνηθισμένη Άγνωστη Πηγή Ενέργειας

With new practical applications being developed every day, the piezoelectric industry is αναμένεται 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.

Τι είναι τα Πιεζοηλεκτρικά Υλικά;

Piezoelectric materials allow for us to harness kinetic energy, by transforming force into an electric charge.  First defined by the Curie brothers in 1880, Piezoelectricity has become a fundamental principle exploited in modern technology.

Η πιεζοηλεκτρισμός αναφέρεται στην ικανότητα μιας ουσίας να παράγει ηλεκτρικό φορτίο όταν εφαρμόζεται μηχανική πίεση. Αυτό το ηλεκτρικό φορτίο παράγεται από εξαναγκασμένη ασυμμετρία.  Στα πιεζοηλεκτρικά υλικά, τα θετικά και αρνητικά φορτία διαχωρίζονται μεταξύ τους, ενώ παραμένουν ευθυγραμμισμένα σε συμμετρικό μοτίβο.  Όταν εφαρμόζεται μηχανική πίεση στην ουσία, αυτή η συμμετρία χάνεται, με αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρικού φορτίου.

PVDF φάση βήτα.

Άλλη μοναδική ιδιότητα των υλικών είναι η τυχαία φύση και η παρουσία των περιοχών Weiss (μαγνητικά προσανατολισμένες χωρίς εξωτερική μαγνητική επίδραση).

Αργότερα διαπιστώθηκε ότι τα ίδια υλικά παρουσίαζαν άμεση αντίστροφη ιδιότητα προς το ηλεκτρικό φαινόμενο.  Βρέθηκε ότι εάν εφαρμοστεί ηλεκτρικό φορτίο στο υλικό, θα συμβεί επαναλαμβανόμενη μηχανική παραμόρφωση εντός του υλικού.  Αυτή η ανακάλυψη έδωσε μεγάλη χρησιμότητα σε τέτοια υλικά, καθώς ουσιαστικά διπλασίασε τις πιθανές εφαρμογές τους.

Κατασκευαστές και Καινοτόμοι

Πριν βυθιστούμε σε παραδείγματα πραγματικών περιπτώσεων χρήσης, οι παρακάτω είναι τρία κορυφαία εταιρεία που αξιοποιούν τα πιεζοηλεκτρικά υλικά σε μια ποικιλία προϊόντων ουσιωδών στη σύγχρονη ηλεκτρονική.

Σημειωτέον, οι αναλυτές του Barr’s αυτή τη στιγμή κατατάσσουν κάθε μία από τις παρακάτω μετοχές ως ‘over’ ή ‘buy’.

Stoneridge (SRI)

Καταχωρημένη στο NYSE, η Stoneridge (SRI) έχει δει τις μετοχές της να αυξήσουν την αξία τους κατά περισσότερο από 30% τον τελευταίο χρόνο, τη στιγμή της συγγραφής.  Ενώ τα έσοδα της Stoneridge υπέστησαν πτώση κατά τη διάρκεια της κορύφωσης του COVID, το 2021 σημείωσε σχεδόν 20% ανάκαμψη στα $770M.

Η Stoneridge απασχολεί πάνω από 5.000 άτομα και λειτουργεί στην πολιτεία του Μίσιγκαν.

Methode Electronics (MEI)

Καταχωρημένη στο NYSE, η Methode Electronics Inc. (MEI ) έχει δει τις μετοχές της να αυξήσουν την αξία τους κατά σχεδόν 15% τον τελευταίο χρόνο, τη στιγμή της συγγραφής.  Τα τελευταία 4 χρόνια, η Methode Electronics κατάφερε να συνεχίσει την αύξηση των εσόδων της μεταξύ 2,36% και 10,13% ετησίως.  Για το 2022, τα έσοδα ξεπέρασαν τα $1,16 δισεκατομμύρια.

Η Methode Electronics απασχολεί πάνω από 7.000 άτομα και λειτουργεί στην πολιτεία του Ιλινόις.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Καταχωρημένη στο Nasdaq, η Kimball Electronics Inc. (KE ) έχει δει τις μετοχές της να αυξήσουν την αξία τους κατά περισσότερο από 32% τον τελευταίο χρόνο, τη στιγμή της συγγραφής.  Ενώ οι παραπάνω εταιρείες αντιμετώπισαν δυσκολίες το 2019-2020, η Kimball Electronics κατάφερε συνεχώς να αυξάνει τα έσοδά της.  Συνολικά $1,35 δισεκατομμύρια για το 2022, αυτό σηματοδοτεί αύξηση 4,47% σε σχέση με το 2021.

Η Kimball Electronics απασχολεί πάνω από 7.000 άτομα και λειτουργεί στην πολιτεία του Ιντιάνα.

Σύγχρονες Προόδους

Παραδοσιακά, τα φυσικά πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνταν για την επίδειξη του φαινομένου.  Το πιο κοινό υλικό ήταν το χαλαζία.  Όταν εξαντλήθηκαν τα όρια των φυσικών ουσιών, τα τεχνητά κεραμικά έγιναν η δημοφιλής επιλογή.  Σχεδιασμένο το 1952, και ακόμη ένα από τα πιο δημοφιλή πιεζοηλεκτρικά κεραμικά σήμερα είναι το PZT (οξείδιο μολυβδίου-ζιρκόνιου-τιτανίου).  Ωστόσο, με μειονεκτήματα όπως περιορισμένη παραμόρφωση, ευθραυστότητα και υψηλή πυκνότητα μάζας, το PZT δεν είναι ιδανικό για κάθε εφαρμογή.

Το 1964 αναπτύχθηκε το PVDF (πολυβινυλιδένιο φθοριούχο).  Το PVDF έχει ημικρυσταλλική δομή και δημιουργεί φορτία αρκετές φορές μεγαλύτερα από το χαλαζία.  Παρόλο που αυτό το τεχνητό πολυμερές αντιμετώπισε πολλά από τα μειονεκτήματα του PZT, είχε τα δικά του – πιεζοηλεκτρικές βλάβες σε υψηλές θερμοκρασίες και υποβάθμιση.  Με τις πρόσφατες τεχνολογικές προόδους και την αυξανόμενη ζήτηση, 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 ό,τι γνωρίζουμε ως αμοιβαία πιεζοηλεκτρικά πολυμερή.  Χρησιμοποιώντας μια αμοιβαία δομή, η ουσία μπορεί να αντέξει πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες.  Δεδομένου ότι τα πιεζοηλεκτρικά φαινόμενα δεν εξαρτώνται από την κρυσταλλική δομή που καταστρέφεται σε υψηλές θερμοκρασίες, οι αμοιβαίες δομές προσφέρουν ένα πολύ πιο ανθεκτικό πολυμερές.

Αυτά τα αμοιβαία πολυμερή αναπτύσσονται επειδή προσφέρουν υψηλότερα επίπεδα παραμόρφωσης, μεγάλη μείωση βάρους και μεγαλύτερη ανθεκτικότητα.  Με την επίτευξη αυτού, το πεδίο εφαρμογών για τα υλικά τώρα επιτρέπει την ενσωμάτωση σε αεροδιαστημικές και ηλεκτρονικές συσκευές.  Με τα νέα αμοιβαία πιεζοηλεκτρικά πολυμερή και φιλμ που αναπτύσσονται, η αποτυχία κατά τη χρήση θα συμβεί σε θερμοκρασίες περίπου 150°C και άνω.  Η υποβάθμιση της ουσίας θα συμβεί περίπου στα 400°C.  Ενώ αυτό μπορεί να περιορίσει τη χρήση τους σε ακραίες συνθήκες, η πλειονότητα των εφαρμογών εμπίπτει σε κατάλληλο εύρος.

Όπως πολλά νέα υλικά, αυτά τα πολυμερή αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας το PVDF και το PVT ως θεμέλια.  Προσπαθώντας να διατηρηθούν τα θετικά χαρακτηριστικά κάθε υλικού ενώ εξαλείφονται όσο το δυνατόν περισσότερα μειονεκτήματα.  Αν και αυτά τα προϊόντα είναι νεότερα πολυμερή, βασίζονται στα τρέχοντα λειτουργικά μοντέλα.

Χρησιμοποιώντας μια αμοιβαία δομή, απαιτείται εκτενής δοκιμή των βέλτιστων θερμοκρασιών μετάβασης υαλώδους.  Αυτή η τιμή συνδέεται άμεσα με τη δύναμη των πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων που θα διαθέσει το υλικό.  Η αμοιβαία δομή επιδεικνύει και βασίζεται σε βραχυπρόθεσμη τάξη για την παραγωγή του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου, αντί για μακροπρόθεσμη τάξη όπως στις κρυσταλλικές δομές.  Επιπλέον, πολλοί επιλέγουν να ενσωματώσουν πολυϊμίδες στη δομή των υλικών λόγω των μηχανικών, διηλεκτρικών και θερμικών τους ιδιοτήτων, με τις πολυϊμίδες να εξασφαλίζουν την πολική ευθυγράμμιση των μορίων ανεξάρτητα από τη θέση τους.

Περιστάσεις Χρήσης

Προηγούμενες και τρέχουσες εφαρμογές των πιεζοηλεκτρικών υλικών περιλαμβάνουν πολλά αδιάκριτα αντικείμενα όπως αναπτήρες, κρυστάλλιους ρολόγια και ακόμη συστήματα διαχείρισης κινητήρα.  Η πιο κοινή χρήση τους αυτή τη στιγμή είναι σε αισθητήρες και ενεργοποιητές.  Ενώ κατάλληλα πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν εφαρμοστεί για αυτές τις περιπτώσεις, οι μελλοντικές εφαρμογές απαιτούν ένα πιο ευέλικτο υλικό.  Ευτυχώς, τα αναπτυσσόμενα πιεζοηλεκτρικά πολυμερή είναι ακριβώς αυτό – ευέλικτα.  Με συνεχείς προόδους στην κατανόηση της επιστήμης των υλικών και την ικανότητά τους να εμφανίζουν άμεσες αντίστροφες επιδράσεις, ο αριθμός των εφαρμογών στις οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν συνεχίζει να αυξάνεται.  Μερικές ενδιαφέρουσες τρέχουσες και μελλοντικές εφαρμογές περιλαμβάνουν,

Κινητά και Φορετές Ηλεκτρονικές Συσκευές

Τηλεφωνία με ενέργεια από τη συζήτηση και φορετές συσκευές.  Χρησιμοποιώντας την πίεση που δημιουργείται στο μικρόφωνο λόγω κυμάτων ήχου, τα πιεζοηλεκτρικά πολυμερή μπορούν ενδεχομένως κάποια μέρα να παράγουν αρκετή ενέργεια για τη χρήση του τηλεφώνου.  Αν και είναι απίθανο ότι αυτή η ιδέα θα αντικαταστήσει εντελώς την ανάγκη για μπαταρία σύντομα, δημιουργεί τη δυνατότητα επέκτασης της διάρκειας ζωής της μπαταρίας σε φορετές έξυπνες συσκευές χαμηλής κατανάλωσης.

Πρέπει να σημειωθεί ότι τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται σε μικρόφωνα για σχεδόν 100 χρόνια μέχρι σήμερα.  Αντί να είναι ο τελικός στόχος η φόρτιση μιας συσκευής, αυτές οι εφαρμογές επιτρέπουν τη μετατροπή των κυμάτων ήχου σε ηλεκτρισμό για σκοπούς ηχογράφησης και αναπαραγωγής με οικονομικό τρόπο.

Συστήματα Αποσβέσεων

Μια άλλη εφαρμογή είναι η χρήση των πιεζοηλεκτρικών υλικών σε συστήματα αποσβέσεων.  Εταιρείες όπως η HEAD έχουν ενσωματώσει αυτήν την ιδέα στις ρακέτες τένις και στα σκι τους, με σκοπό την απορρόφηση/αποσβέση των δονήσεων.  Όταν συμβαίνει πρόσκρουση στην ρακέτα ή στο σκι, το αντίστροφο φαινόμενο αξιοποιείται στέλνοντας το ηλεκτρικό σήμα που δημιουργείται σε ένα αντίστροφο υλικό που παρέχει αντίθετη δύναμη.  Αυτό οδηγεί σε ένα αποτελεσματικό σύστημα αποσβέσεων.

Αυτή η ίδια ιδέα εφαρμόζεται στη μείωση θορύβου και δονήσεων σε αυτοκίνητα, σπίτια και σε επικίνδυνες εργασιακές περιβάλλοντα.  Ένα παράδειγμα τέτοιου περιβάλλοντος είναι οι φάρμες εξόρυξης Bitcoin.  Όχι μόνο οι δονήσεις είναι επιβλαβείς για τον ηλεκτρονικό εξοπλισμό μακροπρόθεσμα, αλλά έχουν υπάρξει διάφορες περιπτώσεις γειτονικών κοινοτήτων όπου αυτές οι λειτουργίες παίρνουν παράπονα για τον θόρυβο και τις δονήσεις που προκύπτουν από τη χρήση συσκευών ASIC.  Σε πολλές παρόμοιες περιπτώσεις, ενεργοποιητές βασισμένοι σε πιεζοηλεκτρικά χρησιμοποιούνται ως λύση για την αποσβέση αυτών των επιδράσεων.  Με τα ηχητικά κύματα που δημιουργούνται σε αυτοκίνητα, σπίτια και μηχανήματα από υλικά που αντηχούν, αυτός ο θόρυβος μπορεί επίσης να εξαλειφθεί ή τουλάχιστον να μειωθεί, με παραδοσιακές μεθόδους όπως ένα κολλώδες αποσβεστικό υλικό.  Αυτά τα υλικά λειτουργούν παθητικά, όμως είναι πολύ βαριά και ακριβά.  Συνήθως λειτουργούν μειώνοντας τη συχνότητα συντονισμού ενός υλικού.  Εκμεταλλευόμενοι τις ιδιότητες των πιεζοηλεκτρικών πολυμερών λύνει αυτό το πρόβλημα λαμβάνοντας μια πιο ενεργή και δυναμική προσέγγιση όπως περιγράφηκε παραπάνω.

Λύσεις Καθαρισμού

Για να δείξουμε πόσο ευέλικτες είναι οι περιπτώσεις χρήσης των πιεζοηλεκτρικών υλικών, σκεφτείτε τη δουλειά που κάνουν εταιρείες όπως η Solar PiezoClean.  Σε αυτήν την περίπτωση, η εταιρεία επικαλύπτει ηλιακούς πίνακες με ένα πιεζοηλεκτρικό φιλμ.  Ο σκοπός είναι να προσφέρει έναν χαμηλής συντήρησης τρόπο διατήρησης των ηλιακών πάνελ καθαρών – κλειδί για τη διασφάλιση βέλτιστης αποδοτικότητας.

Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει την εφαρμογή ηλεκτρικού φορτίου στο φιλμ, το οποίο στη συνέχεια δονείται σε συγκεκριμένη συχνότητα και τόνο που επιτρέπει στη σκόνη και τη βρωμιά να πέσουν απλώς με τη βοήθεια της βαρύτητας.  Αυτό σημαίνει εξοικονόμηση νερού και ανθρώπινου δυναμικού, ενώ αυξάνει τη διάρκεια ζωής και την αποδοτικότητα των επικαλυμμένων πάνελ.  Μια απλή, αλλά ευφυής λύση σε ένα πρόβλημα που αυξάνεται καθώς οι ηλιακές εγκαταστάσεις γίνονται πιο διαδεδομένες.

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.

Πηγαίνοντας πέρα από την ατμόσφαιρά μας, οι πιεζοηλεκτρικοί ενεργοποιητές χρησιμοποιούνται σε πολλούς δορυφόρους.  Η δυνατότητα λειτουργίας με ακραία ακρίβεια επιτρέπει σε αυτούς τους ενεργοποιητές να δημιουργούν μικροπροωθητήρες ικανούς για σωστή τοποθέτηση δορυφόρων.

Διαγνωστικά Εργαλεία Υγείας

Καθώς η ικανότητά μας να δημιουργούμε όλο και μικρότερες συσκευές βελτιώνεται, χρησιμοποιούμε πλέον πιεζοηλεκτρικά υλικά σε διάφορα διαγνωστικά εργαλεία στην υγειονομική περίθαλψη.  Ένα παράδειγμα είναι η ενδοφλεβική υπερηχογραφία (IVUS).  Η IVUS είναι μια διαδικασία που επιτρέπει σε μικροσκοπικές ανιχνευτικές κεφαλές να παράγουν εικόνες από το εσωτερικό των αιμοφόρων αγγείων.  Αυτό γίνεται μέσω της χρήσης υπερηχητικών μετατροπέων κατασκευασμένων με πιεζοηλεκτρικές μονοκρυστάλλους.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται επίσης σε ορισμένο εξοπλισμό οδοντιατρικής.  Παρόμοια με τη λύση καθαρισμού που χρησιμοποιεί η SolarClean που περιγράφηκε παραπάνω, αυτός ο εξοπλισμός βασίζεται σε υπερηχητικά κύματα, που παράγονται με την εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος στα πιεζοηλεκτρικά υλικά, για τον καθαρισμό/αφαίρεση της πλάκας από τα δόντια.

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.

Παρά το γεγονός ότι αναπτύχθηκε πριν από πάνω από 100 χρόνια, το Σόναρ συνεχίζει να παίζει σημαντικό ρόλο σήμερα.  Το πιο πρόσφατο ευρέως διαδεδομένο παράδειγμα είναι η εφαρμογή του σε αυτόνομα οχήματα, τα οποία συνήθως χρησιμοποιούν συνδυασμό Σόναρ, LIDAR και ραντάρ για την παρακολούθηση και ερμηνεία του περιβάλλοντος.

Εξόρυξη Ενέργειας

Τέλος, μια πολύ ενδιαφέρουσα εφαρμογή θα ήταν η παραγωγή ενέργειας μεγάλης κλίμακας.  Τα πιεζοηλεκτρικά πολυμερή αναπτύσσονται για τοποθέτηση σε περιοχές υψηλής κίνησης, όπως διάφορα εργοστάσια, αθλητικά γήπεδα, σιδηροδρομικούς σταθμούς και άλλα σε όλο τον κόσμο.  Ένα κομμάτι χαλαζία 1 cm³ μπορεί να παράγει έως 4.500 V ηλεκτρικής ενέργειας όταν εφαρμόζεται δύναμη 175 lb.  Με κάθε βήμα που χτυπά το έδαφος σε τέτοιους σταθμούς, δημιουργείται αυτή η ηλεκτρική ενέργεια, προσφέροντας τη δυνατότητα εκμετάλλευσης τεράστιων ποσοτήτων καθημερινά – αυξάνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα και μειώνοντας το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας για το κτίριο.

Πέρα από την κίνηση πεζών, πολλοί έχουν οραματιστεί ένα μέλλον όπου οι οδικοί δρόμοι θα είναι ενσωματωμένοι με τέτοια υλικά, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια για την τροφοδοσία φωτεινών σημάνσεων και πινακίδων καθώς τα αυτοκίνητα ασκούν φυσική δύναμη πάνω τους.

Όταν συνδυαστούν, οι μελλοντικές τεχνολογίες όπως η ασύρματη φόρτιση αυτοκινήτων που αναπτύσσει η Electreon, και οι ενεργοποιημένες επιφάνειες από εταιρείες όπως η Pavegen, ελπίζουμε κάποια μέρα να επιτρέψουν τη μείωση του μεγέθους των μπαταριών στα οχήματα, και έναν πολύ πιο αποδοτικό και καθαρό τρόπο διατήρησης των ηλεκτρικών οχημάτων φορτισμένων.

Τελευταίο Λόγο

Συνολικά, το δυναμικό των πιεζοηλεκτρικών υλικών μόλις αρχίζει να γίνεται αντιληπτό.  Τα φωτοβολταϊκά φαινόμενα που καθιστούν δυνατή την ηλιακή ενέργεια ανακαλύφθηκαν στα μέσα του 1800 και μόνο τώρα γίνονται πρακτικά για ευρεία χρήση.  Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά δεν διαφέρουν, και καθώς η έρευνα και η ανάπτυξη σε αυτά τα υλικά συνεχίζεται, οι αυξήσεις στην αποδοτικότητα και τη διάρκεια ζωής ακολουθούν.  Οι σύγχρονες επιστημονικές προόδους επιτρέπουν τώρα να αντιληφθούμε, ή τουλάχιστον να κατανοήσουμε, το πλήρες δυναμικό αυτής της πηγής ενέργειας, με τις περιπτώσεις χρήσης που αναφέρονται εδώ (παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αποσβέσεις ήχου, σόναρ, αισθητήρες, ενεργοποιητές κ.λπ.) να αποτελούν μόνο ένα μικρό μέρος από αμέτρητες δυνατότητες.