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

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

Qu’est-ce que les matériaux piézoélectriques ?

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.

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 désigne la capacité d’une substance à produire une charge électrique lorsqu’une contrainte mécanique est appliquée. Cette charge électrique est générée par une 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 de ces matériaux est la nature aléatoire et la présence de domaines de Weiss (orientés magnétiquement sans influence magnétique externe).

Il a ensuite été découvert que ces mêmes matériaux présentaient une propriété inverse directe de l’effet électrique.  Il a été constaté que si une charge électrique était appliquée au matériau, une déformation mécanique répétable se produisait dans le matériau.  Cette découverte a conféré 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 d’applications réelles, voici un trio d’entreprises leaders qui exploitent les matériaux piézoélectriques dans une variété de produits essentiels à l’électronique moderne.

Il convient de noter que les analystes de Barr’s classent actuellement chacune des actions suivantes comme « surévaluée » ou « à acheter ».

Stoneridge (SRI)

Cotée à la NYSE, Stoneridge (SRI) a vu son cours augmenter de plus de 30 % au cours de l’année écoulée au moment de la rédaction.  Bien que le chiffre d’affaires de Stoneridge ait été affecté pendant le pic de la COVID, 2021 a connu un rebond de près de 20 % pour atteindre 770 M$.

Stoneridge emploie plus de 5 000 personnes et opère depuis l’État du Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Cotée à la NYSE, Methode Electronics Inc. (MEI ) a vu son cours augmenter d’environ 15 % au cours de l’année écoulée au moment de la rédaction.  Au cours des quatre dernières années, Methode Electronics a réussi à faire croître son chiffre d’affaires chaque année de 2,36 % à 10,13 %.  En 2022, le chiffre d’affaires a dépassé 1,16 M$.

Methode Electronics emploie plus de 7 000 personnes et opère depuis l’État de l’Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Cotée au Nasdaq, Kimball Electronics Inc. (KE ) a vu son cours augmenter de plus de 32 % au cours de l’année écoulée au moment de la rédaction.  Alors que les entreprises mentionnées ci-dessus ont connu des difficultés de 2019 à 2020, Kimball Electronics a continuellement affiché une augmentation de ses revenus.  Totalisant 1,35 M$ en 2022, cela représente une hausse de 4,47 % par rapport à 2021.

Kimball Electronics emploie plus de 7 000 personnes et opère depuis l’État de l’Indiana.

Avancées modernes

Traditionnellement, les substances piézoélectriques naturelles étaient utilisées pour démontrer l’effet.  Le matériau le plus couramment choisi était le quartz.  Lorsque les limites des substances naturelles ont été atteintes, les céramiques artificielles sont devenues le choix populaire.  Conçue en 1952, et toujours l’une des céramiques piézoélectriques les plus populaires aujourd’hui, la PZT (zirconate de plomb titane) l’est.  Cependant, en raison de ses inconvénients tels qu’une déformation limitée, sa fragilité et une densité de masse élevée, la PZT n’est pas idéale pour toutes les applications.

En 1964, le PVDF (polyfluorure de vinylidène) a été développé.  Le PVDF possède une structure semi-cristalline et génère des charges plusieurs fois supérieures à celles du quartz.  Bien que ce polymère artificiel ait résolu de nombreux inconvénients de la PZT, il en présente d’autres – des ruptures piézoélectriques à haute température et une dégradation.  Avec les avancées technologiques récentes et la demande croissante, la 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 haute température, les structures amorphes offrent un polymère beaucoup plus robuste.

Ces polymères amorphes sont développés car ils offrent des niveaux de déformation plus élevés, une réduction de poids importante et une plus grande robustesse.  En atteignant cela, le champ d’application des matériaux permet désormais l’intégration dans l’aérospatiale et les dispositifs électroniques.  Avec les nouveaux polymères et films piézoélectriques amorphes en cours de développement, la défaillance pendant l’utilisation se produira à des températures d’environ 150 °C et plus.  La dégradation de la substance surviendra à environ 400 °C.  Bien que cela puisse limiter leur utilisation dans des conditions extrêmes, la grande majorité des applications se situent dans une fourchette appropriée.

Comme pour de nombreuses nouvelles substances, ces polymères sont développés en utilisant le PVDF et le PVT comme bases.  L’objectif est de conserver les attributs positifs de chaque matériau tout en éliminant le plus possible leurs inconvénients.  Bien que ces produits soient de nouveaux polymères, ils sont modélisés d’après les modèles fonctionnels 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 le matériau possédera.  La structure amorphe démontre et repose sur un ordre à courte portée pour produire un effet piézoélectrique, contrairement à l’ordre à longue portée observé dans les structures cristallines.  De plus, beaucoup choisissent d’incorporer des polyimides dans la structure des matériaux en raison de leurs propriétés mécaniques, diélectriques et thermiques, les polyimides assurant le poling des molécules quel que soit leur positionnement.

Cas d’utilisation

Les applications passées et actuelles des matériaux piézoélectriques comprennent de nombreux objets discrets tels que les briquets, les horloges à quartz et même les systèmes de gestion de moteur.  Leur utilisation la plus courante aujourd’hui se situe dans les capteurs et les actionneurs.  Bien que des matériaux piézoélectriques adaptés aient été appliqués à ces cas d’utilisation, les applications futures exigent un matériau plus polyvalent.  Heureusement, les polymères piézoélectriques en cours de développement sont justement cela – polyvalents.  Avec les avancées constantes de 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.  Quelques applications présentes et futures intrigantes incluent,

Électronique mobile et portable

Téléphones à alimentation par la parole et appareils portables.  En exploitant la pression créée dans le microphone par les ondes sonores, les polymères piézoélectriques pourraient un jour générer suffisamment d’énergie pour alimenter le téléphone.  Bien qu’il soit peu probable que ce concept élimine complètement le besoin d’une batterie dans un avenir proche, il crée la possibilité d’étendre l’autonomie 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 à ce jour.  Plutôt que l’objectif final soit de charger un appareil, ces applications permettent la conversion des ondes sonores en électricité dans le but d’enregistrer et de restituer le son de manière économique.

Systèmes d’amortissement

Une autre application est l’utilisation des matériaux piézoélectriques dans les systèmes d’amortissement.  Des entreprises comme HEAD ont intégré cette idée dans leurs raquettes de tennis et leurs skis afin d’absorber/atténuer les vibrations.  Lorsqu’un impact survient 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.  Cela donne lieu à un système d’amortissement efficace.

Ce même concept est appliqué à la réduction du bruit et des vibrations dans les voitures, les habitations et les environnements de travail dangereux.  Un exemple de tel environnement serait les fermes de minage de Bitcoin.  Non seulement les vibrations sont nuisibles aux équipements électroniques à long terme, mais il y a eu plusieurs cas de communautés environnantes où ces opérations ont lieu se plaignant du bruit et des vibrations générés par les appareils ASIC.  Dans de nombreux scénarios similaires, des actionneurs à base de piezo sont utilisés comme solution pour atténuer chacun de ces effets.  Avec les ondes sonores créées dans les voitures, les habitations et les machines par les matériaux réverbérants, ce bruit peut également être éliminé, ou du moins réduit, avec des méthodes traditionnelles telles qu’un matériau d’amortissement adhésif.  Ces matériaux fonctionnent passivement, mais sont très lourds et coûteux.  Ils agissent généralement en abaissant la fréquence de résonance d’un matériau.  Exploiter les propriétés des polymères piézoélectriques résout 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 le travail réalisé par des entreprises comme Solar PiezoClean.  Dans ce cas, l’entreprise applique un film piézoélectrique sur les panneaux solaires.  Le but est d’offrir un moyen à faible entretien de garder les panneaux solaires propres – un élément clé pour assurer une efficacité optimale.

Ce processus consiste à appliquer une charge électrique au film, qui vibre ensuite à une fréquence et un ton spécifiques permettant à la poussière et à la saleté de simplement tomber grâce à la gravité.  Cela se traduit par 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 croître à mesure que les installations solaires deviennent plus courantes.

Des implémentations plus courantes de matériaux piézoélectriques de cette manière incluent des dispositifs de nettoyage ultrasonique comme les nettoyeurs de bijoux.

Aérospatiale

Nous avons précédemment évoqué l’utilisation des matériaux piézoélectriques dans le secteur aérospatial.  Ici, les avions peuvent exploiter ces matériaux pour surveiller l’intégrité structurelle et les contraintes en mesurant les charges électriques produites – un cas d’utilisation qui permet non seulement d’accroître la sécurité, mais aussi d’améliorer l’efficacité en permettant aux ingénieurs de réduire le poids tout en renforçant les structures là où c’est nécessaire.

En allant au‑delà de notre atmosphère, les actionneurs piézoélectriques sont utilisés dans de nombreux satellites.  Leur capacité à fonctionner avec une précision extrême permet à ces actionneurs de créer des micro‑propulseurs capables de positionner correctement les satellites.

Outils de diagnostic en santé

À mesure que notre capacité à créer des appareils de plus en plus petits s’améliore, nous utilisons désormais les matériaux piézoélectriques dans divers outils de diagnostic en santé.  Un exemple est l’échographie intravasculaire (IVUS).  L’IVUS est un procédé qui permet à de minuscules sondes de générer des images depuis l’intérieur des vaisseaux sanguins.  Cela se fait grâce à des transducteurs à ultrasons construits avec des cristaux piézoélectriques uniques.

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

Sonar

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 océaniques ou les sondeurs de poissons du quotidien.  Parallèlement, la communication peut être réalisée par 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, le sonar continue de jouer un rôle important aujourd’hui.  L’exemple le plus récent et répandu est son implémentation 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 intrigante serait la production d’énergie à grande échelle.  Des polymères piézoélectriques sont développés pour être placés dans des zones à fort trafic, notamment diverses usines, terrains de sport, gares et d’autres lieux à travers le monde.  Un morceau de quartz de 1 cm³ peut produire jusqu’à 4 500 V d’électricité lorsqu’une force de 175 lb est appliquée.  Chaque pas qui frappe le sol dans ces stations génère cette électricité, offrant le potentiel de capter d’énormes quantités quotidiennement – augmentant considérablement l’efficacité et les coûts électriques du bâtiment.

Au‑delà du trafic piétonnier, beaucoup imaginent un avenir où les routes seraient intégrées de tels matériaux, générant de l’électricité pour alimenter les éclairages publics et les panneaux lorsque les voitures exercent une force physique sur eux.

Lorsque combinées, des technologies futures comme la recharge sans fil des voitures développée par Electreon, et les surfaces alimentées par des entreprises comme Pavegen, permettront, espérons‑le, un jour de réduire la taille des batteries dans les véhicules, et d’offrir une manière beaucoup plus efficace et propre de recharger les véhicules électriques.

Mot de conclusion

Dans l’ensemble, le potentiel des matériaux piézoélectriques ne fait que commencer à se concrétiser.  Les effets photovoltaïques qui rendent l’énergie solaire possible ont été découverts au milieu des années 1800 et ne deviennent pratiques pour une utilisation généralisée que maintenant.  Les matériaux piézoélectriques ne font pas exception, et à mesure que la recherche et le développement de ces matériaux progressent, les gains d’efficacité et de durabilité suivent le même rythme.  Les avancées scientifiques modernes ne nous permettent aujourd’hui que de réaliser, ou du moins de comprendre, le plein potentiel de cette source d’énergie, les cas d’utilisation répertoriés ici (génération d’électricité, atténuation du son, sonar, capteurs, actionneurs, etc.) n’étant qu’une petite sélection parmi d’innombrables possibilités.