Matériaux piézoélectriques – La source d'énergie inconnue la plus courante

Avec de nouvelles applications pratiques développées chaque jour, l'industrie piézoélectrique est attendu pour atteindre environ 41 milliards de dollars au cours des trois prochaines années, avec un taux de croissance annuel composé de près de 6 %. Ce boom permettra le développement et la mise en œuvre de polymères piézoélectriques amorphes et à base de films de haute technologie dans le monde moderne.

Que sont les matériaux piézoélectriques ?

Les matériaux piézoélectriques nous permettent d'exploiter l'énergie cinétique, en transformant la force en charge électrique. Définie pour la première fois par les frères Curie en 1880, la piézoélectricité est devenue un principe fondamental exploité dans la technologie moderne.

La piézoélectricité fait référence à la capacité d'une substance à produire une charge électrique lorsqu'une contrainte mécanique est appliquée. Cette charge électrique est produite par asymétrie forcée. Dans les matériaux piézoélectriques, les charges positives et négatives sont séparées les unes des autres, tout en restant alignées selon un motif symétrique. Lorsqu’une contrainte mécanique est appliquée à la substance, cette symétrie est perdue, entraînant la production d’une charge électrique.

Phase bêta du PVDF.

Une autre propriété unique des matériaux est la nature aléatoire et la présence de domaines de Weiss (magnétiquement orientés). sans influence magnétique externe).

On a découvert plus tard que ces mêmes matériaux démontraient une propriété directement inverse de l’effet électrique. Il a été constaté que si une charge électrique était appliquée au matériau, une déformation mécanique reproductible se produirait à l’intérieur du matériau. Cette découverte a donné une grande utilité à ces matériaux, car elle a essentiellement doublé leurs cas d'utilisation potentiels.

Fabricants et innovateurs

Avant de plonger dans des exemples de cas d'utilisation réels, voici un trio d'entreprises leaders qui exploitent les matériaux piézoélectriques dans une variété de produits intégrés à l'électronique moderne.

Il est à noter que les analystes de Barron's classent actuellement chacune des actions suivantes comme étant « à surévaluer » ou « à acheter ».

Stoneridge (SRI)

Cotée au NYSE, Stoneridge (SRI) a vu la valeur de ses actions augmenter de plus de 30 % au cours de la dernière année au moment de la rédaction de cet article. Alors que les revenus de Stoneridge ont été touchés au plus fort de la COVID, 2021 a vu un rebond de près de 20 % pour atteindre 770 millions de dollars.

Stoneridge emploie plus de 5,000 XNUMX personnes et opère depuis l'État du Michigan.

Électronique Methode (MEI)

Cotée au NYSE, Methode Electronics Inc. a vu la valeur de ses actions augmenter de près de 15 % au cours de la dernière année au moment de la rédaction de cet article. Au cours des 4 dernières années, Methode Electronics a réussi à continuer de croître son chiffre d'affaires entre 2.36 % et 10.13 % chaque année. Pour 2022, les revenus ont dépassé 1.16 milliard de dollars.

Methode Electronics emploie plus de 7,000 XNUMX personnes et opère depuis l'État de l'Illinois.

Kimball Électronique Inc. (KE)

Cotée au Nasdaq, Kimball Electronics Inc. a vu la valeur de ses actions augmenter de plus de 32 % au cours de la dernière année au moment de la rédaction de cet article. Là où les sociétés énumérées ci-dessus ont connu des difficultés en 2019-2020, Kimball Electronics a réussi à se vanter d’une augmentation continue de ses revenus. Totalisant 1.35 milliard de dollars pour 2022, cela représente une augmentation de 4.47 % par rapport à 2021.

Kimball Electronics emploie plus de 7,000 XNUMX personnes et opère depuis l'État de l'Indiana.

Avancées modernes

Traditionnellement, des substances piézoélectriques naturelles étaient utilisées pour démontrer l’effet. Le matériau de choix était le plus souvent le quartz. Lorsque les limites des substances naturelles ont été atteintes, la céramique artificielle est devenue le choix populaire. Conçue en 1952, et toujours l'une des céramiques piézoélectriques les plus populaires aujourd'hui, elle est le PZT (titanate de zirconate de plomb). Cependant, avec des inconvénients tels qu'une déformation limitée, une fragilité et une densité de masse élevée, le PZT n'est pas idéal pour toutes les applications.

En 1964, le PVDF (polyfluorure de vinylidène) a été développé. Le PVDF a une structure semi-cristalline et crée des charges plusieurs fois supérieures à celles du quartz. Bien que ce polymère fabriqué par l'homme corrige bon nombre des inconvénients du PZT, il en présentait plusieurs : claquages ​​piézoélectriques à haute température et dégradation. Avec les récents progrès technologiques et la demande croissante, le PZT et le PVDF ont peut-être atteint leurs limites.

Au début des années 2000, des instituts tels que GAIKER-IK4 ont commencé à développer ce que l'on appelle des polymères piézoélectriques amorphes. En utilisant une structure amorphe, la substance peut supporter des températures beaucoup plus élevées. Étant donné que les effets piézoélectriques ne dépendent pas de la structure cristalline qui se décompose à des températures plus élevées, les structures amorphes constituent un polymère beaucoup plus robuste.

Ces polymères amorphes sont développé car ils offrent des niveaux de déformation plus élevés, une réduction de poids importante et une plus grande robustesse. En y parvenant, le champ d’application de ces matériaux permet désormais l’incorporation d’appareils aérospatiaux et électroniques. Avec le développement des nouveaux polymères et films piézoélectriques amorphes, une défaillance lors de l'utilisation se produira à des températures d'environ 150 °C et plus. La dégradation de la substance se produira à environ 400°C. Même si cela peut limiter leur utilisation dans des conditions extrêmes, la grande majorité des applications se situent dans une plage appropriée.

Comme beaucoup de nouvelles substances, ces polymères sont développés en utilisant le PVDF et le PVT comme principes fondamentaux. Tenter de conserver les attributs positifs de chaque matériau tout en éliminant autant d'inconvénients que possible. Bien que ces produits soient des polymères plus récents, ils sont calqués sur les modèles de travail actuels.

En utilisant une structure amorphe, des tests approfondis doivent être effectués sur les températures de transition vitreuse optimales. Cette valeur est directement liée à la force des propriétés piézoélectriques que possédera le matériau. La structure amorphe démontre et s'appuie sur un ordre à courte portée pour produire un effet piézoélectrique à la place, d'ordre à longue portée comme on le voit dans les structures cristallines. En plus de cela, beaucoup choisissent d'incorporer des polyimides dans la structure des matériaux en raison de leurs propriétés mécaniques, diélectriques et thermiques, les polyimides assurant la polarisation des molécules quel que soit leur positionnement.

Cas d'utilisation

Les applications passées et actuelles des matériaux piézoélectriques incluent de nombreux éléments discrets tels que des briquets, des horloges à quartz et même des systèmes de gestion de moteur. Leur utilisation la plus courante serait actuellement dans les capteurs et les actionneurs. Bien que des matériaux piézoélectriques adaptés aient été utilisés pour ces cas d'utilisation, les applications futures nécessitent un matériau plus polyvalent. Heureusement, les polymères piézoélectriques en développement sont exactement cela : polyvalents. Avec les progrès constants dans notre compréhension de la science des matériaux et leur capacité à afficher des effets inverses directs, le nombre d’applications dans lesquelles ils peuvent être utilisés continue d’augmenter. Certaines applications actuelles et futures potentielles fascinantes incluent :

Électronique mobile et portable

Parlez de téléphones portables et d’appareils portables alimentés. En utilisant la pression créée dans le microphone en raison des ondes sonores, les polymères piézoélectriques pourront un jour, espérons-le, créer suffisamment d'énergie nécessaire pour utiliser le téléphone. Bien qu’il soit peu probable que ce concept supprime complètement le besoin d’une batterie dans un avenir proche, il crée la possibilité de prolonger la durée de vie de la batterie des appareils intelligents portables à faible consommation.

Il convient de noter que les matériaux piézoélectriques sont utilisés dans les microphones depuis près de 100 ans. Plutôt que l’objectif final soit de charger un appareil, ces applications permettent la conversion des ondes sonores en électricité à des fins d’enregistrement et de lecture de manière rentable.

Systèmes d'amortissement

Une autre application est l'utilisation de matériaux piézoélectriques dans les systèmes d'amortissement. Des entreprises telles que TÊTE ont incorporé cette idée dans leurs raquettes de tennis et leurs skis dans le but d'absorber/amortir les vibrations. Lorsqu'un impact se produit sur la raquette ou le ski, l'effet réciproque est exploité en envoyant le signal électrique créé à un matériau inverse fournissant une force opposée. Il en résulte un système d’amortissement efficace.

Ce même concept est appliqué à la réduction du bruit et des vibrations dans les voitures, les maisons et dans les environnements de travail dangereux. Un exemple d’un tel environnement serait celui des fermes minières Bitcoin. Non seulement les vibrations sont nocives pour les équipements électroniques à long terme, mais il existe divers cas de communautés environnantes dans lesquelles ces opérations ont lieu. plainte sur le bruit et les vibrations résultant de l'utilisation des dispositifs ASIC. Dans de nombreux scénarios similaires, des actionneurs piézoélectriques sont utilisés comme solution pour amortir chacun de ces effets. Les ondes sonores étant créées dans les voitures, les maisons et les machines par la réverbération des matériaux, ce bruit peut également être éliminé, ou du moins réduit, avec des méthodes traditionnelles telles qu'un matériau adhésif amortisseur. Ces matériaux fonctionnent cependant de manière passive et sont très lourds et coûteux. Ils fonctionnent généralement en abaissant la fréquence de résonance des matériaux.  Exploitant les propriétés des polymères piézoélectriques résolvent ce problème en adoptant l’approche plus active et dynamique décrite ci-dessus.

Solutions de nettoyage

Pour démontrer à quel point les cas d'utilisation des matériaux piézoélectriques sont polyvalents, considérons les travaux effectués par des entreprises comme Solaire PiezoClean. Dans ce cas, l’entreprise recouvre les panneaux solaires d’un film piézoélectrique. L’objectif est d’offrir un moyen nécessitant peu d’entretien pour garder les panneaux solaires propres – une clé pour garantir une efficacité optimale.

Ce processus consiste à appliquer une charge électrique au film, qui vibre ensuite à une fréquence et à une hauteur spécifiques permettant à la poussière et à la saleté de tomber simplement grâce à la gravité. Tout cela signifie des économies d'eau et de main d'œuvre, tout en augmentant la longévité et l'efficacité des panneaux revêtus. Une solution simple mais ingénieuse à un problème qui ne fait que s’aggraver à mesure que les installations solaires deviennent monnaie courante.

Les mises en œuvre plus courantes de matériaux piézoélectriques de cette manière incluent les dispositifs de nettoyage à ultrasons tels que les nettoyants pour bijoux.

Industrie aerospatiale

Nous avons évoqué plus tôt l'utilisation de matériaux piézoélectriques dans le secteur aérospatial. Ici, les avions peuvent utiliser de tels matériaux pour surveiller l'intégrité structurelle et les facteurs de stress grâce à la mesure des charges électriques produites – un cas d'utilisation qui peut permettre non seulement une sécurité accrue, mais aussi une plus grande efficacité en permettant aux ingénieurs de réduire simultanément le poids et de renforcer les structures là où nécessaire.

Dépassez notre atmosphère et des actionneurs piézoélectriques sont utilisés dans de nombreux satellites. La capacité de fonctionner avec une extrême précision permet à ces actionneurs de fabriquer des micro-propulseurs capables de positionner correctement les satellites.

Outils de diagnostic des soins de santé

À mesure que notre capacité à créer des appareils de plus en plus petits s’améliore, nous utilisons désormais des matériaux piézoélectriques dans divers outils de diagnostic dans le domaine des soins de santé. L’échographie intravasculaire (IVUS) en est un exemple. IVUS est un processus qui permet à de minuscules sondes de générer des images à partir de l'intérieur des vaisseaux sanguins. Cela se fait grâce à l’utilisation de transducteurs à ultrasons construits avec des monocristaux piézoélectriques.

Les matériaux piézoélectriques sont également utilisés dans certains équipements dentaires. Semblable à la solution de nettoyage utilisée par SolarClean décrite ci-dessus, cet équipement s'appuie sur des ondes ultrasonores, produites en appliquant un courant électrique aux matériaux piézoélectriques, pour nettoyer/éliminer la plaque dentaire.

Détecteur de poissons

Les systèmes sonar (Sound Navigation and Ranging) peuvent être utilisés pour fournir des images ou pour la communication. Des exemples d'imagerie incluent la cartographie topographique des fonds marins ou les sondeurs de pêche quotidiens. Pendant ce temps, la communication peut être réalisée grâce à la création d’ondes sonores. Chacun de ces processus est rendu possible grâce à l'utilisation de transducteurs piézoélectriques.

Bien qu'il ait été développé il y a plus de 100 ans, Sonar continue de jouer un rôle important aujourd'hui. L’exemple le plus récent en est sa mise en œuvre dans les voitures autonomes, qui utilisent généralement une combinaison de sonar, LIDAR et radar pour suivre et interpréter l’environnement.

Récupération d'énergie

Enfin, une application très intéressante serait la production d’énergie à grande échelle. Des polymères piézoélectriques sont en cours de développement pour être placés dans des zones à fort trafic, notamment diverses usines, terrains de sport, gares ferroviaires et bien plus encore dans le monde. Un 1 cm³ Un morceau de quartz est capable de produire jusqu'à 4,500 175 V d'électricité lorsqu'une force de XNUMX lb est appliquée. Chaque pas posé sur le sol dans de telles centrales créant cette électricité, il est possible d'en exploiter d'énormes quantités car elle est créée quotidiennement, ce qui augmente considérablement l'efficacité et les coûts d'électricité du bâtiment.

Au-delà de la circulation piétonnière, beaucoup ont imaginé un avenir dans lequel les routes seraient recouvertes de tels matériaux, créant ainsi de l'électricité pour alimenter les lampadaires et les panneaux lorsque les voitures exercent une force physique sur elles.

Lorsqu'elles sont combinées, les technologies futures telles que la recharge sans fil des voitures développées par Électréon, et des surfaces alimentées par des entreprises comme Pavegen, permettra peut-être un jour de réduire la taille des batteries dans les véhicules et de proposer un moyen beaucoup plus efficace et propre de maintenir les véhicules électriques chargés.

Mot de la fin

Dans l’ensemble, le potentiel des matériaux piézoélectriques commence tout juste à être exploité. Les effets photovoltaïques qui rendent l'énergie solaire possible ont été découverts au milieu des années 1800 et ne deviennent pratiques que maintenant pour une utilisation généralisée. Les matériaux piézoélectriques ne sont pas différents et, à mesure que la recherche et le développement de ces matériaux se poursuivent, leur efficacité et leur durabilité augmentent. Les progrès scientifiques modernes nous permettent seulement maintenant de réaliser, ou du moins de comprendre, tout le potentiel de cette source d'énergie, les cas d'utilisation répertoriés ici (production d'électricité, atténuation du bruit, sonar, capteurs, actionneurs, etc.) n'étant qu'un exemple. sélectionnez-en quelques-unes parmi d’innombrables possibilités.