Piezo-elektrische Materialen – De Meest Voorkomende Onbekende Energiebron

Met elke dag nieuwe praktische toepassingen die worden ontwikkeld, wordt verwacht dat de piezo-elektrische industrie de komende drie jaar ongeveer $41 billion zal bereiken, met een samengestelde jaarlijkse groei van bijna 6%. Deze groei zal de verdere ontwikkeling en implementatie van high‑tech amorfe en film‑gebaseerde piezo-elektrische polymeren in de moderne wereld mogelijk maken.

Wat zijn piezo-elektrische materialen?

Piezo-elektrische materialen stellen ons in staat kinetische energie te benutten door kracht om te zetten in een elektrische lading. Voor het eerst gedefinieerd door de broers Curie in 1880, is piezo-elektriciteit een fundamenteel principe geworden dat in moderne technologie wordt benut.

Piezo-elektriciteit verwijst naar het vermogen van een stof om een elektrische lading te produceren wanneer mechanische spanning wordt aangelegd. Deze elektrische lading wordt veroorzaakt door gedwongen asymmetrie. In piezo-elektrische materialen worden positieve en negatieve ladingen van elkaar gescheiden, terwijl ze in een symmetrisch patroon uitgelijnd blijven. Wanneer mechanische spanning op de stof wordt uitgeoefend, gaat deze symmetrie verloren, wat resulteert in de productie van een elektrische lading.

PVDF beta-fase.

Een andere unieke eigenschap van de materialen is de willekeurige aard en aanwezigheid van Weiss-domeinen (magnetisch georiënteerd zonder externe magnetische invloed).

Later werd ontdekt dat dezezelfde materialen een directe inverse eigenschap ten opzichte van het elektrische effect vertoonden. Er werd vastgesteld dat wanneer een elektrische lading op het materiaal werd aangelegd, er herhaalbare mechanische vervorming in het materiaal zou optreden. Deze ontdekking gaf deze materialen grote bruikbaarheid, omdat het hun potentiële toepassingsgebieden praktisch verdubbelde.

Fabrikanten en Innovatoren

Voordat we ingaan op voorbeelden van real-world use-cases, volgt hier een trio van toonaangevende bedrijven die piezo-elektrische materialen benutten in diverse producten die essentieel zijn voor moderne elektronica.

Opmerkelijk is dat analisten van Barron’s momenteel elk van de volgende aandelen classificeren als ‘over’ of ‘buy’.

Stoneridge (SRI)

Genoteerd aan de NYSE, heeft Stoneridge (SRI) zijn aandelenwaarde het afgelopen jaar met meer dan 30% zien stijgen op het moment van schrijven. Terwijl de omzet van Stoneridge een klap kreeg tijdens de piek van COVID, zag 2021 een bijna 20% herstel tot $770M.

Stoneridge heeft meer dan 5.000 werknemers in dienst en opereert vanuit de staat Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Genoteerd aan de NYSE, heeft Methode Electronics Inc. (MEI ) zijn aandelenwaarde het afgelopen jaar met bijna 15% zien stijgen op het moment van schrijven. In de afgelopen 4 jaar is Methode Electronics erin geslaagd zijn omzet jaarlijks met 2,36% tot 10,13% te laten groeien. Voor 2022 bedroeg de omzet meer dan $1,16B.

Methode Electronics heeft meer dan 7.000 werknemers in dienst en opereert vanuit de staat Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Genoteerd aan Nasdaq, heeft Kimball Electronics Inc. (KE ) zijn aandelenwaarde het afgelopen jaar met meer dan 32% zien stijgen op het moment van schrijven. Terwijl de hierboven genoemde bedrijven moeite hadden in 2019-2020, heeft Kimball Electronics consequent toenemende omzet laten zien. Met een totaal van $1,35B voor 2022, betekent dit een stijging van 4,47% ten opzichte van 2021.

Kimball Electronics heeft meer dan 7.000 werknemers in dienst en opereert vanuit de staat Indiana.

Moderne Vooruitgangen

Traditioneel werden natuurlijk voorkomende piezo-elektrische stoffen gebruikt om het effect te demonstreren. Het meest gebruikte materiaal was kwarts. Toen de grenzen van natuurlijke stoffen werden bereikt, werden kunstmatige keramieken de populaire keuze. Ontworpen in 1952, en nog steeds een van de meest populaire piezo-elektrische keramieken vandaag, is PZT (lead zirconate titanate). Echter, met nadelen zoals beperkte vervorming, breekbaarheid en een hoge massadichtheid, is PZT niet ideaal voor elke toepassing.

In 1964 werd PVDF (polyvinylideenfluoride) ontwikkeld. PVDF heeft een halfkristallijne structuur en genereert meerdere malen meer ladingen dan kwarts. Hoewel dit kunstmatige polymeer veel van de nadelen van PZT heeft aangepakt, heeft het eigen nadelen – piezo-elektrische doorbraken bij hoge temperaturen en degradatie. Met recente technologische vooruitgang en toenemende vraag kunnen PZT en PVDF hun grenzen hebben bereikt.

In het begin van de jaren 2000 begonnen instituten zoals GAIKER-IK4 met het ontwikkelen van wat bekend staat als amorfe piezo-elektrische polymeren. Door een amorfe structuur te gebruiken, kan de stof veel hogere temperaturen weerstaan. Aangezien de piezo-elektrische effecten niet afhankelijk zijn van de kristallijne structuur die bij hogere temperaturen afbreekt, maken amorfe structuren een veel robuuster polymeer.

Deze amorfe polymeren worden ontwikkeld omdat ze hogere vervormingsniveaus, grote gewichtsreductie en grotere robuustheid bieden. Door dit te bereiken, maakt het toepassingsgebied van de materialen nu de integratie van lucht- en ruimtevaart- en elektronische apparaten mogelijk. Met de nieuwe amorfe piezo-elektrische polymeren en films die worden ontwikkeld, treedt falen tijdens gebruik op bij temperaturen van ongeveer 150 °C en hoger. De degradatie van de stof treedt op bij ongeveer 400 °C. Hoewel dit hun gebruik in extreme omstandigheden kan beperken, valt de overgrote meerderheid van de toepassingen binnen een geschikt bereik.

Net als veel nieuwe stoffen worden deze polymeren ontwikkeld met PVDF en PVT als basis. Er wordt geprobeerd de positieve eigenschappen van elk materiaal te behouden terwijl zoveel mogelijk nadelen worden geëlimineerd. Hoewel dergelijke producten nieuwere polymeren zijn, zijn ze gemodelleerd naar de huidige werkende modellen.

Door een amorfe structuur te gebruiken, moet er uitgebreid getest worden op optimale glasovergangstemperaturen. Deze waarde is direct gekoppeld aan de sterkte van de piezo-elektrische eigenschappen die het materiaal zal bezitten. De amorfe structuur vertoont en vertrouwt op kortreeksordening om een piezo-elektrisch effect te produceren, in plaats van langreeksordening zoals gezien in kristallijne structuren. Daarnaast kiezen velen ervoor polyimiden in de structuur van de materialen op te nemen vanwege hun mechanische, dielektrische en thermische eigenschappen, waarbij de polyimiden zorgen voor polarisatie van moleculen ongeacht hun positionering.

Toepassingsgevallen

Verleden en huidige toepassingen van piezo-elektrische materialen omvatten vele onopvallende items zoals aanstekers, kwartsklokken en zelfs motorbeheersystemen. Het meest voorkomende gebruik ervan is momenteel in sensoren en actuatoren. Hoewel geschikte piezo-elektrische materialen voor deze toepassingen zijn toegepast, vragen toekomstige toepassingen om een veelzijdiger materiaal. Gelukkig zijn de ontwikkelende piezo-elektrische polymeren precies dat – veelzijdig. Met voortdurende vooruitgang in ons begrip van materiaalkunde en hun vermogen om directe inverse effecten te vertonen, blijft het aantal toepassingen waarin ze kunnen worden gebruikt toenemen. Enkele intrigerende huidige en potentiële toekomstige toepassingen zijn onder andere,

Mobiele en Draagbare Elektronica

Praatgestuurde mobiele telefoons en draagbare apparaten. Door de druk die in de microfoon ontstaat door geluidsgolven te benutten, kunnen piezo-elektrische polymeren hopelijk op een dag voldoende energie genereren om de telefoon te laten werken. Hoewel het onwaarschijnlijk is dat dit concept op korte termijn de noodzaak van een batterij volledig zal wegnemen, creëert het wel de mogelijkheid om de batterijduur te verlengen in laagverbruikende draagbare slimme apparaten.

Het moet worden opgemerkt dat piezo-elektrische materialen al bijna 100 jaar in microfoons worden gebruikt. In plaats van als einddoel een apparaat op te laden, stellen deze toepassingen de omzetting van geluidsgolven in elektriciteit mogelijk voor opname- en afspeeldoeleinden op een kosteneffectieve manier.

Dempend Systemen

Een andere toepassing is het gebruik van piezo-elektrische materialen in dempingssystemen. Bedrijven zoals HEAD hebben dit idee geïntegreerd in hun tennisrackets en ski’s om trillingen te absorberen/dempen. Wanneer er een impact plaatsvindt op het racket of de ski, wordt het reciproque effect benut door het gegenereerde elektrische signaal naar een omgekeerd materiaal te sturen dat een tegengestelde kracht levert. Dit resulteert in een effectief dempingssysteem.

Ditzelfde concept wordt toegepast op geluids- en trillingsreductie in auto’s, huizen en gevaarlijke werkomgevingen. Een voorbeeld van zo’n omgeving zijn Bitcoin‑mijnboerderijen. Trillingen zijn niet alleen op de lange termijn schadelijk voor elektronische apparatuur, er zijn ook verschillende gevallen geweest waarbij omringende gemeenschappen klagen over het geluid en de trillingen die ontstaan door het gebruik van ASIC‑apparaten. In veel soortgelijke scenario’s worden piezo‑gebaseerde actuatoren gebruikt als oplossing om deze effecten te dempen. Geluidsgolven die in auto’s, huizen en machines worden gecreëerd door resonantie van materialen, kunnen ook worden geëlimineerd, of ten minste verminderd, met traditionele methoden zoals een kleefstof dempingsmateriaal. Deze materialen werken echter passief en zijn zeer zwaar en duur. Ze werken meestal door de resonantiefrequentie van een materiaal te verlagen. Exploiteren van de eigenschappen van piezo-elektrische polymeren lost dit probleem op door de meer actieve en dynamische aanpak te nemen die hierboven is beschreven.

Reinigingsoplossingen

Om te laten zien hoe veelzijdig de toepassingsmogelijkheden van piezo-elektrische materialen zijn, overweeg het werk van bedrijven zoals Solar PiezoClean. In dit geval coat het bedrijf zonnepanelen met een piezo-elektrische film. Het doel is een onderhoudsarme manier te bieden om zonnepanelen schoon te houden – een cruciale factor voor optimale efficiëntie.

Dit proces omvat het aanbrengen van een elektrische lading op de film, die vervolgens trilt op een specifieke frequentie en toonhoogte waardoor stof en vuil eenvoudig met behulp van de zwaartekracht van de film vallen. Dit betekent besparingen op water en arbeidskrachten, terwijl de levensduur en efficiëntie van de gecoate panelen toenemen. Een eenvoudige, maar geniale oplossing voor een probleem dat alleen maar toeneemt naarmate zonne‑installaties vaker voorkomen.

Meer gangbare implementaties van piezo-elektrische materialen op deze manier omvatten ultrasone reinigingsapparaten zoals sieradenreinigers.

Lucht- en Ruimtevaart

Eerder hebben we het gebruik van piezo-elektrische materialen binnen de lucht- en ruimtevaartsector genoemd. Hier kunnen vliegtuigen dergelijke materialen gebruiken om de structurele integriteit en belastingen te monitoren door de geproduceerde elektrische ladingen te meten – een toepassingsgebied dat niet alleen de veiligheid verhoogt, maar ook meer efficiëntie mogelijk maakt doordat ingenieurs tegelijkertijd gewicht kunnen besparen en structuren waar nodig kunnen versterken.

Buiten onze atmosfeer worden piezo-elektrische actuatoren in veel satellieten gebruikt. Het vermogen om met extreme precisie te opereren stelt deze actuatoren in staat micro‑thrusters te maken die zorgen voor een correcte positionering van de satelliet.

Diagnostische Hulpmiddelen in de Gezondheidszorg

Naarmate ons vermogen om steeds kleinere apparaten te maken verbetert, gebruiken we nu piezo-elektrische materialen in diverse diagnostische hulpmiddelen binnen de gezondheidszorg. Een voorbeeld hiervan is Intravascular Ultrasound (IVUS). IVUS is een proces dat het mogelijk maakt dat kleine sondes beelden genereren vanuit de bloedvaten. Dit gebeurt door het gebruik van ultrasone transducers die zijn opgebouwd uit piezo-elektrische enkelkristallen.

Piezo-elektrische materialen worden ook gebruikt in bepaalde tandheelkundige apparatuur. Net als de reinigingsoplossing die door SolarClean hierboven wordt beschreven, maakt deze apparatuur gebruik van ultrasone golven, geproduceerd door een elektrische stroom op de piezo-elektrische materialen aan te leggen, om tandplak te reinigen/verwijderen.

Sonar

Sonar (Sound Navigation and Ranging) systemen kunnen worden gebruikt voor beeldvorming of voor communicatie. Voorbeelden van beeldvorming zijn topografische kaarten van de oceaanbodems of alledaagse visvinders. Communicatie kan worden gerealiseerd door het creëren van geluidsgolven. Elk van deze processen wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van piezo-elektrische transducers.

Hoewel Sonar meer dan 100 jaar geleden is ontwikkeld, blijft het vandaag een belangrijke rol spelen. Het meest recente wijdverspreide voorbeeld hiervan is de implementatie in zelfrijdende auto’s, die doorgaans een combinatie van Sonar, LIDAR en radar gebruiken om de omgeving te volgen en te interpreteren.

Energieopwekking

Tot slot is een zeer intrigerende toepassing grootschalige energieproductie. Piezo-elektrische polymeren worden ontwikkeld om te worden geplaatst in drukke gebieden, waaronder diverse fabrieken, sportvelden, treinstations en meer wereldwijd. Een stuk kwarts van 1 cm³ kan tot 4.500 V elektriciteit produceren wanneer er 175 lb (ongeveer 79 kg) kracht op wordt uitgeoefend. Met elke stap die in dergelijke stations op de grond wordt gezet, ontstaat deze elektriciteit, waardoor er potentieel enorme hoeveelheden kunnen worden benut die dagelijks worden gegenereerd – wat de efficiëntie en elektriciteitskosten voor het gebouw sterk verhoogt.

Naast voetverkeer hebben velen een toekomst voorgesteld waarin wegen zijn doordrenkt met dergelijke materialen, waardoor elektriciteit wordt opgewekt om straatverlichting en borden van stroom te voorzien terwijl auto’s er fysieke kracht op uitoefenen.

Wanneer deze worden gecombineerd, zullen toekomstige technologieën zoals draadloos autoladen ontwikkeld door Electreon, en aangedreven oppervlakken van bedrijven zoals Pavegen, hopelijk op een dag zorgen voor kleinere batterijen in voertuigen, en een veel efficiëntere en schonere manier om elektrische voertuigen opgeladen te houden.

Slotwoord

Over het geheel genomen begint het potentieel van piezo-elektrische materialen zich pas echt te realiseren. Fotovoltaïsche effecten die zonne‑energie mogelijk maken, werden in het midden van de 19e eeuw ontdekt en worden nu pas praktisch voor grootschalig gebruik. Piezo-elektrische materialen zijn niet anders, en naarmate onderzoek en ontwikkeling op dit gebied doorgaan, nemen efficiëntie en duurzaamheid toe. Moderne wetenschappelijke vooruitgangen maken ons nu pas in staat het volledige potentieel van deze energiebron te realiseren, of tenminste te begrijpen, waarbij de hier genoemde use‑cases (elektriciteitsopwekking, geluidsdemping, sonar, sensoren, actuatoren, enz.) slechts een klein deel van de ontelbare mogelijkheden vormen.