Piezoelektriske materialer – en utbredt, men mindre kjent teknologi

Nye praktiske bruksområder utvikles stadig. I MarketsandMarkets’ rapport fra 2022 var markedet for piezoelektriske enheter forventet å vokse fra omtrent 30,8 milliarder dollar i 2022 til 41 milliarder i 2027, tilsvarende 5,9% årlig sammensatt vekst. Dette var en prognose, ikke et realisert resultat eller tre år fra 2023. Etterspørselen kan støtte forskning på amorfe polymerer og tynne filmer.

Hva er piezoelektriske materialer?

Piezoelektriske materialer kan omdanne en del av mekanisk energi til en elektrisk respons. Curie-brødrene oppdaget den direkte piezoelektriske effekten i 1880. Den brukes i dag i mange teknologier.

Når et egnet materiale utsettes for mekanisk spenning, endres den elektriske polariseringen og det oppstår ladning på overflatene. Effekten er knyttet til en ikke-sentrosymmetrisk struktur eller orientert polar orden. Ikke alle symmetriske stoffer blir piezoelektriske bare ved å presses sammen.

PVDF beta-fase.

Noen ferroelektriske piezomaterialer har domener med elektrisk polarisering. Disse må ikke forveksles med magnetiske Weiss-domener. Kvarts er piezoelektrisk uten ferroelektrisitet eller slike domener. Elektrisk polarisering er forskjellig fra magnetisk orientering.

Ved den inverse piezoelektriske effekten endrer et elektrisk felt materialets form. Den direkte effekten brukes i sensorer og energihøsting, den inverse i aktuatorer og til å produsere ultralyd. Begge utvider bruksområdene uten å skape energi fra ingenting.

Produsenter og innovatører

Før bruksområdene presenteres tre elektronikkselskaper omtalt i artikkelen. De økonomiske tallene gjelder hele selskapene og dokumenterer ikke omsetning fra piezoelektriske produkter alene.

Den opprinnelige artikkelen viste til analytikervurderinger publisert i Barron’s, som overweight og buy. Dette er historiske anbefalinger om overvekting og kjøp, ikke dagens vurderinger eller noen garanti for avkastning.

Stoneridge (SRI)

Stoneridge-aksjen (NYSE: SRI) hadde ifølge artikkelens historiske sammenligning fra tidlig i 2023 steget over 30% på ett år. Etter nedgangen under pandemien økte omsetningen fra 648 millioner dollar i 2020 til 770,5 millioner i 2021, omtrent 18,9%.

Ved utgangen av 2021 hadde selskapet rundt 5.000 ansatte og hovedkontor i Novi, Michigan.

Methode Electronics (MEI)

NYSE-noterte Methode Electronics Inc. (MEI ) hadde en aksjeoppgang på nesten 15% i artikkelens historiske sammenligning. Artikkelen oppga årlig omsetningsvekst på 2,36–10,13% i de foregående fire årene. Omsetningen i regnskapsåret 2022 var 1.163,6 millioner dollar, mot 1.088 millioner i 2021.

Artikkelen oppga den gang over 7.000 ansatte og hovedkontor i Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Nasdaq-noterte Kimball Electronics Inc. (KE ) hadde en aksjeoppgang på over 32% i den historiske sammenligningen. Omsetningen steg fra rundt 1,20 milliarder dollar i regnskapsåret 2020 til 1,292 milliarder i 2021 og 1,350 milliarder i 2022. Veksten i 2022 var omtrent 4,47%. Omsetningsvekst er ikke det samme som tilsvarende resultatvekst.

Artikkelen oppga den gang over 7.000 ansatte og hovedkontor i Indiana.

Moderne fremskritt

Kvarts er et velkjent naturlig piezoelektrisk materiale. Syntetisk keramikk er også utviklet for ulike behov. PZT, blyzirkonattitanat, ble utviklet på 1950-tallet og gir en kraftig respons. Begrenset deformasjon, skjørhet, høy tetthet og blyinnhold kan imidlertid begrense enkelte bruksområder.

PVDF, polyvinylidenfluorid, er en delkrystallinsk polymer. Heiji Kawai publiserte den kraftige piezoelektriske responsen i 1969, ikke 1964. Responsen avhenger av polar fase, orientering og polarisering. Noen koeffisienter kan overstige de tilsvarende verdiene for kvarts, men ikke alle målemetoder eller forhold gir samme sammenligning. PVDF er mer fleksibelt enn keramikk, men varme og aldring kan svekke polariseringen. PZT og PVDF videreutvikles fortsatt; alle muligheter er ikke uttømt.

På 2000-tallet undersøkte GAIKER-IK4 amorfe polare polymerer, som polyimider, for bruk ved høyere temperaturer. Amorfe materialer mangler krystallers periodiske orden over lange avstander. Dette garanterer ikke i seg selv varmebestandighet; kjemisk struktur og stabil polarisering har også betydning.

Lette, fleksible og robuste materialer blir utviklet for blant annet elektronikk og luft- og romfart. Den lenkede Science-studien handler imidlertid om stor piezoelektrisitet indusert i sentrosymmetriske oksider gjennom omfordeling av oksygenvakanser, ikke om amorfe polymerer. Artikkelens opprinnelige tall på rundt 150°C for funksjonssvikt og 400°C for nedbrytning er ikke universelle grenser for alle polymerer. De må vurderes for det konkrete materialet og forsøket.

Andre forskningsretninger omfatter PVDF, kopolymerer og kompositter. Amorfe polyimider er en annen materialfamilie. Det finnes ingen generell regel om at alle nye polymerer bygger på PVDF og “PVT”. Målet er å kombinere nyttige egenskaper og redusere ulemper.

For amorfe polymerer er glassovergangstemperatur, molekylær bevegelighet og polariseringens stabilitet viktige. Kortdistanseorden beskriver lokal romlig struktur. Polyimider undersøkes for mekaniske, dielektriske og termiske egenskaper. Polarisering krever et passende elektrisk felt, temperatur og tid; polyimid sikrer ikke automatisk orientering av alle molekyler.

Bruksområder

Etablerte bruksområder omfatter lightere, kvartsur og sensorer i motorstyring. Sensorer bruker den direkte effekten, aktuatorer den inverse. Polymerer kan gi lav vekt og fleksibilitet, keramikk ofte en sterkere respons. Materialutvikling utvider bruksområdene, men ett materiale er ikke best til alt. Eksemplene nedenfor omfatter både etablert bruk og forskningsideer.

Mobil og kroppsbåret elektronikk

Energihøsting fra lyd og bevegelse undersøkes for elektronikk. Vanlig tale inneholder imidlertid svært lite akustisk energi og dokumenterer ikke en praktisk måte å drive en telefon bare ved å snakke. Mer realistiske mål er sensorer og kroppsbårne enheter med svært lavt strømforbruk, der høstet energi kan supplere batteriet.

Piezoelektriske elementer har i flere tiår vært brukt i mikrofoner til å omdanne lydtrykk til elektriske opptakssignaler. Sensorfunksjonen betyr ikke at de leverer nok effekt til telefonlading. Den inverse effekten kan brukes til å produsere lyd.

Dempingssystemer

En annen anvendelse er bruk av piezoelektriske materialer i dempingssystemer. Selskaper som HEAD har presentert slike teknologier i tennisracketer og ski. Avhengig av konstruksjonen kan en krets forbruke elektrisk energi fra vibrasjonene eller styre en aktuator som motvirker bevegelsen. Et eget “inverst materiale” er ikke nødvendig.

Aktiv støy- og vibrasjonsdemping undersøkes for kjøretøy, bygninger og industriutstyr. Bitcoin-utvinning nevnes som eksempel på anlegg der naboer har klaget over støy fra vifter og maskiner. Dette dokumenterer ikke at hvert slikt anlegg bruker piezoaktuatorer. Passive dempematerialer omdanner mekanisk energi til varme; de virker ikke alle bare ved å senke resonansfrekvensen og er ikke nødvendigvis tunge eller dyre. Utnyttelse av piezoelektriske egenskaper muliggjør aktive og halvaktive løsninger, med effekt som avhenger av konstruksjon og frekvensområde.

Rengjøringsløsninger

Et utviklingseksempel innen rengjøring er Solar PiezoCleans gjennomsiktige piezoelektriske film for å løsne støv fra solcellepaneler og redusere behovet for vann og vedlikehold. Dette dokumenterte ikke utbredt kommersiell bruk i 2023.

Et vekslende elektrisk felt får filmen til å vibrere, slik at støv kan løsne og falle av ved hjelp av tyngdekraften. Målet er å spare vann og arbeid og bevare panelenes produksjon. Effekten avhenger av støv, vedheft og driftsforhold; ikke alt smuss faller automatisk av.

En mer etablert anvendelse er ultralydrensere, for eksempel til smykker.

Luft- og romfart

Piezoelektriske sensorer kan måle elektriske signaler for å overvåke tilstanden og den mekaniske belastningen i flykonstruksjoner. Dette kan støtte sikkerhet, målrettede forsterkninger og reduksjon av unødvendig vekt.

I romteknologi kan piezoaktuatorer styre svært presise små bevegelser. De kan eksempelvis betjene mikroventiler som regulerer drivmiddelstrømmen til mikrothrustere for finjustering av satellitter. Dette er ikke mikrokraftverk, og materialet skaper ikke i seg selv reaksjonsfri fremdrift.

Medisinsk utstyr

Intravaskulær ultralyd (IVUS) bruker en liten ultralydtransduser på et kateter til å lage bilder inne i blodkar og av karveggene, blant annet i kransarterier og perifere arterier. Piezoelektrisk keramikk eller enkeltkrystaller kan sende og motta ultralyd, avhengig av utformingen; alle apparater krever ikke bare enkeltkrystaller.

Piezoelektriske ultralydinstrumenter i tannpleien bruker elektrisk frembrakte vibrasjoner til å fjerne tannstein og andre belegg. Det er en annen anvendelse enn rengjøring av solcellepaneler, selv om begge bygger på elektromekanisk omdanning.

Sonar

Sonar brukes til avbildning og kommunikasjon under vann. Eksempler er kartlegging av havbunnen og lokalisering av fisk. Piezoelektriske transdusere kan sende lydbølger og motta ekkoer eller kommunikasjonssignaler.

Sonar har en historie på over hundre år. Beslektede bruksområder er ultralydsensorer med kort rekkevidde for parkering og kjøreassistanse. Avhengig av kjøretøyet kan de kombineres med kameraer, radar eller lidar; alle selvkjørende biler bruker ikke samme sensorblanding.

Høsting av mekanisk energi

Det forskes på å høste energi fra skritt og vibrasjoner i fabrikker, idrettsanlegg, stasjoner og andre travle områder. Den opprinnelige artikkelen nevnte en kvartsprøve med volum på 1 cm³, som kunne gi opptil 4.500 V ved en kraft på 175 pund, rundt 780 newton. Kilogram er en masseenhet, ikke kraftenhet. Dette er ikke et universelt produksjonsløfte: spenningen avhenger av geometri, orientering, belastning og krets. Volt måler ikke energi eller effekt. En høy tomgangsspenning kan følge med svært liten ladning og dokumenterer ikke stor strømproduksjon eller dekning av en vesentlig del av en bygnings forbruk.

Energihøsting i veier er også foreslått for små belastninger som lys og sensorer. Energien kommer fra bevegelse og deformasjon; ekstra motstand kan øke kjøretøyets energiforbruk. Dette er ikke gratis energi.

Trådløs billading utviklet av Electreon bruker strømtilførsel og induktiv energioverføring, ikke gratis strøm fra trykk på veien. Pavegen bruker på sin side elektromagnetiske generatorer i gulvene, ikke piezoelektriske materialer, og oppgir rundt 2–4 joule per skritt. Dette passer for små belastninger og interaktive anvendelser, ikke som dokumentasjon på å erstatte elbilers hovedlading. Dynamisk trådløs lading kan muliggjøre mindre batterier på egnede ruter, men er en annen teknologi.

Avsluttende ord

Piezoelektriske materialer er etablert i sensorer, aktuatorer, ultralyd og demping, og nye sammensetninger utvider mulighetene. Den fotovoltaiske effekten ble oppdaget i 1839, og praktiske anvendelser er utviklet gjennom flere tiår; de er ikke først blitt anvendelige nå. Forskning på piezomaterialer forbedrer på tilsvarende måte ytelse og holdbarhet. Ved energihøsting kommer elektrisiteten fra tilgjengelig mekanisk energi. Eksemplene her er en del av et bredt felt og varierer i modenhet og skala.