Piezoelektriske materialer – Den mest vanlige ukjente energikilden

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

Hva er piezoelektriske materialer?

Piezoelektriske materialer gjør det mulig for oss å utnytte kinetisk energi ved å omdanne kraft til en elektrisk ladning. Først definert av Curie‑brødrene i 1880, har piezoelektrisitet blitt et grunnleggende prinsipp som utnyttes i moderne teknologi.

Piezoelektrisitet refererer til et stoff sin evne til å produsere en elektrisk ladning når mekanisk stress påføres. Denne elektriske ladningen produseres av påtvunget asymmetri. I piezoelektriske materialer blir positive og negative ladninger separert fra hverandre, mens de forblir justert i et symmetrisk mønster. Når mekanisk stress påføres stoffet, går denne symmetrien tapt, noe som resulterer i produksjon av en elektrisk ladning.

PVDF beta-fase.

En annen unik egenskap ved materialene er den tilfeldige naturen og tilstedeværelsen av Weiss-domener (magnetisk orientert uten ekstern magnetisk påvirkning).

Senere ble det oppdaget at de samme materialene viste en direkte invers egenskap til den elektriske effekten. Det ble funnet at hvis en elektrisk ladning ble påført materialet, ville gjentakbar mekanisk deformasjon oppstå i materialet. Denne oppdagelsen ga stor nytte for slike materialer, da den i praksis doblet deres potensielle bruksområder.

Produsenter og innovatører

Før vi dykker ned i eksempler på virkelige bruksområder, er følgende en trio av ledende selskaper som utnytter piezoelektriske materialer i en rekke produkter som er integrerte i moderne elektronikk.
Merkbart lister analytikere for Barron’s for tiden hver av de følgende aksjene som enten ‘over’ eller ‘kjøp’.

Stoneridge (SRI)

Oppført på NYSE har Stoneridge (SRI) sett sine aksjer øke i verdi med mer enn 30 % det siste året på tidspunktet for skrivingen. Mens inntektene hos Stoneridge ble påvirket under COVIDs høydepunkt, så 2021 en nesten 20 % oppgang til $770M.
Stoneridge sysselsetter over 5 000 personer, og opererer fra delstaten Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Oppført på NYSE har Methode Electronics Inc. (MEI ) sett sine aksjer øke i verdi med nesten 15 % på tidspunktet for skrivingen. I løpet av de siste 4 årene har Methode Electronics klart å fortsette å øke inntektene med mellom 2,36 % og 10,13 % hvert år. For 2022 nådde inntektene over $1,16 milliard.
Methode Electronics sysselsetter over 7 000 personer, og opererer fra delstaten Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Oppført på Nasdaq har Kimball Electronics Inc. (KE ) sett sine aksjer øke i verdi med mer enn 32 % på tidspunktet for skrivingen. Hvor selskapene nevnt ovenfor slet fra 2019–2020, har Kimball Electronics kontinuerlig kunnet vise økende inntekter. Med en total på $1,35 milliard for 2022, betyr dette en økning på 4,47 % over 2021.
Kimball Electronics sysselsetter over 7 000 personer, og opererer fra delstaten Indiana.

Moderne fremskritt

Tradisjonelt ble naturlig forekommende piezoelektriske stoffer brukt for å demonstrere effekten. Mest vanlig var kvart som foretrukket materiale. Da grensene for naturlige stoffer ble nådd, ble kunstige keramikkmaterialer det populære valget. Designet i 1952, og fortsatt en av de mest populære piezoelektriske keramikkene i dag, er PZT (blyzirkonat titanat). Imidlertid, med ulemper som begrenset deformasjon, skjørhet og høy massetetthet, er PZT ikke ideell for alle anvendelser.

I 1964 ble PVDF (polyvinylidenfluorid) utviklet. PVDF har en halvkristallinsk struktur og skaper ladninger flere ganger større enn kvart. Selv om denne kunstige polymeren løste mange av PZTs ulemper, hadde den sine egne – piezoelektrisk nedbrytning ved høye temperaturer og degradering. Med nylige teknologiske fremskritt og økende etterspørsel kan PZT og PVDF ha nådd sine grenser.

Tidlig på 2000‑tallet begynte institusjoner som GAIKER‑IK4 å utvikle det som kalles amorfe piezoelektriske polymerer. Ved å bruke en amorf struktur kan stoffet tåle mye høyere temperaturer. Siden piezoelektriske effekter ikke er avhengige av den krystallinske strukturen som brytes ned ved høyere temperaturer, gir de amorfe strukturene en mye mer robust polymer.

Disse amorfe polymerene blir utviklet fordi de tilbyr høyere nivåer av deformasjon, stor vektreduksjon og større robusthet. Ved å oppnå dette gjør applikasjonsfeltet for materialene det nå mulig å integrere dem i luftfarts‑ og elektroniske enheter. Med de nye amorfe piezoelektriske polymerene og filmene som utvikles, vil svikt under bruk oppstå ved temperaturer på omtrent 150 °C og høyere. Nedbrytning av stoffet vil skje ved omtrent 400 °C. Selv om dette kan begrense bruken i ekstreme forhold, faller langt de fleste anvendelser innenfor et passende område.

Som mange nye stoffer blir disse polymerene utviklet ved å bruke PVDF og PVT som grunnlag. Målet er å beholde de positive egenskapene fra hvert materiale samtidig som så mange ulemper som mulig elimineres. Selv om slike produkter er nyere polymerer, er de modellert etter de nåværende fungerende modellene.

Ved å bruke en amorf struktur må omfattende testing utføres på optimale glasovergangstemperaturer. Denne verdien er direkte knyttet til styrken på de piezoelektriske egenskapene materialet vil ha. Den amorfe strukturen demonstrerer og er avhengig av kortdistanseorden for å produsere en piezoelektrisk effekt, i stedet for langdistanseorden som ses i krystallinske strukturer. I tillegg velger mange å innlemme polyimid i materialenes struktur på grunn av deres mekaniske, dielektriske og termiske egenskaper, med polyimid som sikrer polarisering av molekyler uavhengig av deres posisjon.

Bruksområder

Tidligere og nåværende anvendelser av piezoelektriske materialer inkluderer mange usynlige gjenstander som lightere, kvartklokker og til og med motorstyringssystemer. Den mest vanlige bruken for dem i dag er i sensorer og aktuatorer. Mens egnede piezoelektriske materialer har blitt brukt for disse bruksområdene, krever fremtidige anvendelser et mer allsidig materiale. Heldigvis er utviklende piezoelektriske polymerer nettopp det – allsidige. Med kontinuerlige fremskritt i vår forståelse av materialvitenskap, og deres evne til å vise direkte inverse effekter, øker antallet anvendelser de kan brukes i stadig. Noen interessante nåværende og potensielle fremtidige anvendelser inkluderer,

Mobil- og bærbar elektronikk

Talebaserte mobiltelefoner og bærbare enheter. Ved å utnytte trykket som skapes i mikrofonen på grunn av lydbølger, kan piezoelektriske polymerer forhåpentligvis en dag generere nok strøm til å drive telefonen. Selv om det er lite sannsynlig at dette konseptet vil fjerne behovet for et batteri helt i nær fremtid, skaper det muligheten for å forlenge batterilevetiden i lavforbrukende bærbare smarte enheter.

Det bør bemerkes at piezoelektriske materialer har blitt brukt i mikrofoner i nesten 100 år nå. I stedet for at sluttmålet er å lade en enhet, gjør disse anvendelsene det mulig å konvertere lydbølger til elektrisitet for opptak og avspilling på en kostnadseffektiv måte.

Dempingssystemer

En annen anvendelse er bruk av piezoelektriske materialer i dempingssystemer. Selskaper som HEAD har innarbeidet dette konseptet i sine tennisracketer og ski for å absorbere/dempes vibrasjoner. Når en påvirkning oppstår på racketen eller skien, utnyttes den gjensidige effekten ved å sende det elektriske signalet til et invers materiale som gir en motsatt kraft. Dette resulterer i et effektivt dempingssystem.

Det samme konseptet blir anvendt for å redusere støy og vibrasjoner i biler, hjem og i farlige arbeidsmiljøer. Et eksempel på et slikt miljø er Bitcoin‑gruveanlegg. Ikke bare er vibrasjoner skadelige for elektronisk utstyr over tid, men det har også vært flere tilfeller av omkringliggende lokalsamfunn som klager over den resulterende støyen og vibrasjonene fra bruk av ASIC‑enheter. I mange lignende scenarier brukes piezo‑baserte aktuatorer som en løsning for å dempe disse effektene. Når lydbølger skapes i biler, hjem og maskiner av materialer som resonnerer, kan denne støyen også elimineres, eller i det minste reduseres, med tradisjonelle metoder som et klebrig dempemateriale. Disse materialene fungerer passivt, og er svært tunge og dyre. De virker vanligvis ved å senke materialets resonansfrekvens. Utnyttelse av egenskapene til piezoelektriske polymerer løser dette problemet ved å ta den mer aktive og dynamiske tilnærmingen beskrevet ovenfor.

Rengjøringsløsninger

For å demonstrere hvor allsidige bruksområdene for piezoelektriske materialer er, kan man se på arbeidet som utføres av selskaper som Solar PiezoClean. I dette tilfellet påfører selskapet et piezoelektrisk film på solcellepaneler. Formålet er å tilby en lavvedlikeholdsløsning for å holde solpanelene rene – en nøkkel for å sikre optimal effektivitet.

Denne prosessen innebærer å påføre en elektrisk ladning på filmen, som deretter vibrerer med en spesifikk frekvens og tone som gjør at støv og smuss enkelt faller av med hjelp fra tyngdekraften. Dette betyr besparelser i vann og arbeidskraft, samtidig som levetiden og effektiviteten til de belagte panelene økes. En enkel, men genial løsning på et problem som bare vokser etter hvert som solinstallasjoner blir mer vanlige.

Mer vanlige implementeringer av piezoelektriske materialer på denne måten inkluderer ultrasoniske rengjøringsenheter som smykkerenser.

Luftfart

Tidligere nevnte vi bruken av piezoelektriske materialer innen luftfartssektoren. Her kan fly bruke slike materialer til å overvåke strukturell integritet og belastninger gjennom måling av produserte elektriske ladninger – et bruksområde som kan gi både økt sikkerhet og større effektivitet ved at ingeniører samtidig kan redusere vekt og styrke strukturer der det er nødvendig.

Gå utover vår atmosfære, og piezoelektriske aktuatorer brukes i mange satellitter. Evnen til å operere med ekstrem presisjon gjør at slike aktuatorer kan lage mikrokraftverk som er i stand til korrekt satellittposisjonering.

Diagnostiske verktøy innen helsevesenet

Etter hvert som vår evne til å lage stadig mindre enheter forbedres, bruker vi nå piezoelektriske materialer i ulike diagnostiske verktøy innen helsevesenet. Et eksempel på dette er intravaskulær ultralyd (IVUS). IVUS er en prosess som gjør det mulig for små sonder å generere bildedannelse fra innsiden av blodkar. Dette gjøres ved bruk av ultralydtransducere bygget med piezoelektriske enkeltkrystaller.

Piezoelektriske materialer brukes også i visse tannlegeutstyr. På samme måte som rengjøringsløsningen som brukes av SolarClean beskrevet ovenfor, er dette utstyret avhengig av ultrasoniske bølger, produsert ved å påføre en elektrisk strøm til de piezoelektriske materialene, for å rense/fjerne plakk fra tenner.

Sonar

Sonar (Sound Navigation and Ranging) systemer kan brukes til å gi bildedannelse eller for kommunikasjon. Eksempler på bildedannelse inkluderer topografisk kartlegging av havbunnen, eller hverdagslige fiskefinnere. Samtidig kan kommunikasjon oppnås gjennom skapelse av lydbølger. Hver av disse prosessene gjøres mulig ved bruk av piezoelektriske transducere.

Til tross for at den ble utviklet for over 100 år siden, fortsetter sonar å spille en viktig rolle i dag. Det mest nylige omfattende eksempelet på dette er implementeringen i selvkjørende biler, som vanligvis bruker en kombinasjon av sonar, LIDAR og radar for å spore og tolke omgivelsene.

Energiutvinning

Til slutt er en svært interessant anvendelse storskala energiproduksjon. Piezoelektriske polymerer utvikles for å plasseres i områder med høy trafikk, inkludert ulike fabrikker, idrettsanlegg, togstasjoner og mer rundt om i verden. Et 1 cm³ stykke kvarts kan produsere opptil 4 500 V elektrisitet når 175 lb (ca. 79 kg) kraft påføres. Med hvert skritt som treffer bakken i slike stasjoner og skaper denne elektrisiteten, er det potensialet til å utnytte enorme mengder som genereres daglig – noe som kraftig øker effektiviteten og reduserer strømregningen for bygningen.

Utover fottrafikk har mange forestilt seg en fremtid hvor veier er innebygd med slike materialer, og skaper elektrisitet til å drive gatelys og skilt når biler påfører fysisk kraft på dem.

Når de kombineres, vil fremtidige teknologier som trådløs bilopplading utviklet av Electreon, og kraftige overflater fra selskaper som Pavegen, forhåpentligvis en dag tillate mindre batteristørrelser i kjøretøy, og en mye mer effektiv og ren måte å holde elektriske kjøretøy ladet på.

Avsluttende ord

Alt i alt er potensialet til piezoelektriske materialer bare i ferd med å bli realisert. Fotovoltaiske effekter som gjør solenergi mulig ble oppdaget på midten av 1800‑tallet, og blir nå først praktisk for bred bruk. Piezoelektriske materialer er ikke annerledes, og etter hvert som forskning og utvikling av disse materialene fortsetter, følger økninger i effektivitet og holdbarhet. Moderne vitenskapelige fremskritt gjør nå først mulig for oss å realisere, eller i det minste forstå, det fulle potensialet til denne energikilden, med de her listede bruksområdene (elektrisitetsgenerering, lyddemping, sonar, sensorer, aktuatorer osv.) som kun er et utvalg av utallige muligheter.