Materiais Piezelétricos – A Fonte de Energia Mais Comum Desconhecida

Com novas aplicações práticas sendo desenvolvidas todos os dias, a indústria de materiais piezelétricos é esperada para atingir cerca de $41 bilhões nos próximos três anos, com uma taxa de crescimento anual composta de quase 6%. Esse boom permitirá o desenvolvimento e implementação adicionais de polímeros piezelétricos amorfos e baseados em filmes de alta tecnologia no mundo moderno.

O que são Materiais Piezelétricos?

Materiais piezelétricos permitem que aproveitemos a energia cinética, transformando força em carga elétrica. Primeiramente definidos pelos irmãos Curie em 1880, a piezoeletricidade se tornou um princípio fundamental explorado na tecnologia moderna.

A piezoeletricidade se refere à capacidade de uma substância produzir uma carga elétrica quando estresse mecânico é aplicado. Essa carga elétrica é produzida por assimetria forçada. Em materiais piezelétricos, cargas positivas e negativas são separadas umas das outras, enquanto permanecem alinhadas em um padrão simétrico. Quando estresse mecânico é aplicado à substância, essa simetria é perdida, resultando na produção de uma carga elétrica.

Fase beta do PVDF.

Outra propriedade única desses materiais é a natureza aleatória e a presença de domínios de Weiss (orientados magneticamente sem influência magnética externa).

Foi descoberto posteriormente que esses mesmos materiais demonstraram uma propriedade inversa direta ao efeito elétrico. Foi descoberto que, se uma carga elétrica fosse aplicada ao material, uma deformação mecânica repetível ocorreria dentro do material. Essa descoberta deu grande utilidade a tais materiais, pois essencialmente dobrou seus casos de uso prospectivos.

Fabricantes e Inovadores

Antes de mergulharmos em exemplos de casos de uso do mundo real, as seguintes são uma trio de empresas líderes que utilizam materiais piezelétricos em uma variedade de produtos integrais em eletrônicos modernos.

Notavelmente, analistas da Barron’s atualmente listam cada uma das seguintes ações como ‘sobre’ ou ‘compre’.

Stoneridge (SRI)

Listada na NYSE, a Stoneridge (SRI) viu suas ações aumentarem em valor nos últimos 12 meses em mais de 30% no momento da escrita. Enquanto a receita da Stoneridge sofreu um golpe durante o auge da COVID, 2021 viu um rebote de quase 20% para $770M

A Stoneridge emprega mais de 5.000 pessoas e opera no estado de Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Listada na NYSE, a Methode Electronics Inc. viu suas ações aumentarem em valor nos últimos 12 meses em quase 15% no momento da escrita. Nos últimos 4 anos, a Methode Electronics conseguiu continuar crescendo sua receita entre 2,36% e 10,13% a cada ano. Para 2022, a receita atingiu $1,16B.

A Methode Electronics emprega mais de 7.000 pessoas e opera no estado de Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Listada na Nasdaq, a Kimball Electronics Inc. viu suas ações aumentarem em valor nos últimos 12 meses em mais de 32% no momento da escrita. Enquanto as empresas listadas acima lutaram de 2019 a 2020, a Kimball Electronics conseguiu continuar a ter receitas em crescimento. Totalizando $1,35B em 2022, isso marca um aumento de 4,47% em relação a 2021.

A Kimball Electronics emprega mais de 7.000 pessoas e opera no estado de Indiana.

Avanços Modernos

Tradicionalmente, substâncias piezelétricas naturalmente ocorrentes eram usadas para demonstrar o efeito. Mais comumente, o material de escolha era o quartzo. Quando os limites das substâncias naturalmente ocorrentes foram alcançados, cerâmicas feitas pelo homem se tornaram a escolha popular. Projetada em 1952 e ainda uma das cerâmicas piezelétricas mais populares hoje, é o PZT (zirconato de chumbo titanato). No entanto, com desvantagens como deformação limitada, fragilidade e alta densidade de massa, o PZT não é ideal para todas as aplicações.

Em 1964, o PVDF (fluoreto de polivinilideno) foi desenvolvido. O PVDF tem uma estrutura semicristalina e cria cargas várias vezes maiores do que o quartzo. Embora esse polímero feito pelo homem tenha abordado muitas das desvantagens do PZT, ele tinha várias das suas próprias – quebras piezelétricas em altas temperaturas e degradação. Com avanços tecnológicos recentes e demandas crescentes, o PZT e o PVDF podem ter alcançado seus limites.

No início dos anos 2000, institutos como o GAIKER-IK4 começaram a desenvolver o que são conhecidos como polímeros piezelétricos amorfos. Ao utilizar uma estrutura amórfica, temperaturas muito mais altas podem ser suportadas pela substância. Como os efeitos piezelétricos não dependem da estrutura cristalina que se quebra em temperaturas mais altas, as estruturas amórficas fazem de um polímero muito mais robusto.

Esses polímeros amorfos estão sendo desenvolvidos porque oferecem níveis mais altos de deformação, redução de peso grande e maior robustez. Ao alcançar isso, o campo de aplicações para os materiais agora permite a incorporação de dispositivos aeroespaciais e eletrônicos. Com os novos polímeros piezelétricos amorfos e filmes sendo desenvolvidos, a falha durante o uso ocorrerá em temperaturas de cerca de 150°C ou mais. A degradação da substância ocorrerá em cerca de 400°C. Embora isso possa limitar seu uso em condições extremas, a grande maioria das aplicações cai dentro de uma faixa apropriada.

Como muitas novas substâncias, esses polímeros estão sendo desenvolvidos usando o PVDF e o PVT como fundamentos. Tentando manter os atributos positivos de cada material enquanto elimina as muitas desvantagens possível. Embora tais produtos sejam polímeros mais novos, eles são modelados após os modelos de trabalho atuais.

Ao utilizar uma estrutura amórfica, testes extensivos devem ser feitos em temperaturas de transição vítrea ótimas. Esse valor está diretamente ligado à força das propriedades piezelétricas que o material possuirá. A estrutura amórfica demonstra e depende de ordem de curto alcance para produzir um efeito piezelétrico, em vez de ordem de longo alcance, como visto em estruturas cristalinas. Além disso, muitos estão optando por incorporar polímeros de imida na estrutura dos materiais devido às suas propriedades mecânicas, dielétricas e térmicas, com os polímeros de imida garantindo a polarização de moléculas independentemente de sua posição.

Casos de Uso

Aplicações passadas e atuais de materiais piezelétricos incluem muitos itens inconspícuos, como isqueiros, relógios de quartzo e até sistemas de gerenciamento de motores. O uso mais comum para eles atualmente seria em sensores e atuadores. Embora materiais piezelétricos adequados tenham sido aplicados para esses casos de uso, aplicações futuras exigem um material mais versátil. Felizmente, os polímeros piezelétricos em desenvolvimento são justamente isso – versáteis. Com avanços constantes em nossa compreensão da ciência dos materiais e sua capacidade de exibir efeitos inversos diretos, o número de aplicações em que podem ser usados continua a aumentar. Algumas aplicações presentes e potenciais intrigantes incluem,

Eletrônicos Móveis e Vestíveis

Telefones celulares alimentados por fala e dispositivos vestíveis. Ao utilizar a pressão criada dentro do microfone devido a ondas sonoras, os polímeros piezelétricos podem, um dia, criar energia suficiente necessária para usar o telefone. Embora seja improvável que esse conceito remova a necessidade de uma bateria por completo em um futuro próximo, ele cria a possibilidade de estender a vida útil da bateria em dispositivos inteligentes de baixa drenagem.

Deve-se notar que os materiais piezelétricos têm sido usados em microfones por quase 100 anos agora. Em vez de o objetivo final ser carregar um dispositivo, essas aplicações permitem a conversão de ondas sonoras em eletricidade para o propósito de gravação e reprodução de forma rentável.

Sistemas de Amortecimento

Outra aplicação é o uso de materiais piezelétricos em sistemas de amortecimento. Empresas como HEAD incorporaram essa ideia em suas raquetes de tênis e esquis em um esforço para absorver/amortecer vibrações. Quando um impacto ocorre na raquete ou esqui, o efeito recíproco é aproveitado enviando o sinal elétrico criado para um material inverso que fornece uma força oponente. Isso resulta em um sistema de amortecimento eficaz.

Esse mesmo conceito está sendo aplicado à redução de ruído e vibração em carros, casas e ambientes de trabalho perigosos. Um exemplo de tal ambiente seria fazendas de mineração de Bitcoin. Não apenas as vibrações são prejudiciais ao equipamento eletrônico a longo prazo, mas houve várias instâncias de comunidades circundantes onde essas operações ocorrem se queixando sobre o ruído e vibrações resultantes do uso de dispositivos ASIC. Em muitos cenários semelhantes, atuadores piezo-base são usados como solução para amortecer cada um desses efeitos. Com ondas sonoras sendo criadas em carros, casas e máquinas por materiais reverberando, esse ruído também pode ser eliminado, ou pelo menos reduzido, com métodos tradicionais, como um material de amortecimento adesivo. Esses materiais trabalham passivamente, no entanto, e são muito pesados e caros. Eles normalmente funcionam reduzindo a frequência de ressonância de um material. Explorar as propriedades dos polímeros piezelétricos resolve esse problema, adotando a abordagem mais ativa e dinâmica descrita acima.

Soluções de Limpeza

Para demonstrar apenas o quão versáteis são os casos de uso para materiais piezelétricos, considere o trabalho sendo feito por empresas como Solar PiezoClean. Nesse caso, a empresa está revestindo painéis solares com um filme piezelétrico. O objetivo é oferecer um meio de baixa manutenção para manter os painéis solares limpos – uma chave para garantir eficiência óptima.

Esse processo envolve aplicar uma carga elétrica ao filme, que então vibra em uma frequência e tom específicos que permitem que poeira e sujeira simplesmente caiam com a ajuda da gravidade. O que isso tudo significa é economia de água e mão de obra, enquanto aumenta a longevidade e eficiência dos painéis revestidos. Uma solução simples, mas engenhosa, para um problema que está crescendo à medida que as instalações solares se tornam mais comuns.

Implementações mais comuns de materiais piezelétricos de tal maneira incluem dispositivos de limpeza ultrassônicos, como limpadores de joias.

Aeroespacial

Mencionamos anteriormente o uso de materiais piezelétricos no setor aeroespacial. Aqui, os aviões podem usar esses materiais para monitorar a integridade estrutural e os estressores por meio da medição de cargas elétricas produzidas – um caso de uso que pode permitir não apenas uma maior segurança, mas também maior eficiência, permitindo que os engenheiros cortem o peso e fortaleçam as estruturas onde necessário.

Vá além da nossa atmosfera e os atuadores piezelétricos são usados em muitos satélites. A capacidade de operar com precisão extrema permite que esses atuadores façam micro-impulsores capazes de posicionamento de satélite adequado.

Ferramentas de Diagnóstico de Saúde

À medida que nossa capacidade de criar dispositivos cada vez menores melhora, agora estamos usando materiais piezelétricos em várias ferramentas de diagnóstico em saúde. Um exemplo disso é o ultrassom intravascular (IVUS). O IVUS é um processo que permite que pequenas sondas gerem imagens de dentro dos vasos sanguíneos. Isso é feito por meio do uso de transdutores de ultrassom construídos com cristais piezelétricos únicos.

Materiais piezelétricos também são usados em certains equipamentos de odontologia. Semelhante à solução de limpeza sendo utilizada pela SolarClean descrita acima, esse equipamento depende de ondas ultrassônicas, produzidas aplicando uma corrente elétrica aos materiais piezelétricos, para limpar/remover placa dos dentes.

Sonar

Sistemas de sonar (Sistema de Navegação e Varredura por Som) podem ser usados para fornecer imagens ou para comunicação. Exemplos de imagem incluem mapeamento topográfico dos fundos do oceano ou localizadores de peixes do dia a dia. Enquanto a comunicação pode ser alcançada por meio da criação de ondas sonoras. Cada um desses processos é tornado possível por meio do uso de transdutores piezelétricos.

Embora tenha sido desenvolvido há mais de 100 anos, o sonar continua a desempenhar um papel importante hoje. O exemplo mais recente e amplamente divulgado disso seria sua implementação em carros autodirigíveis, que normalmente usam uma combinação de sonar, LIDAR e radar para rastrear e interpretar os arredores.

Colecção de Energia

Finalmente, uma aplicação muito intrigante seria a produção de energia em larga escala. Os polímeros piezelétricos estão sendo desenvolvidos para ser colocados em áreas de alto tráfego, incluindo várias fábricas, campos esportivos, estações de trem e mais ao redor do mundo. Um pedaço de 1cm³ de quartzo é capaz de produzir até 4.500V de eletricidade quando 175lbs de força são aplicados. Com cada passo que atinge o chão em tais estações criando essa eletricidade, há o potencial de aproveitar enormes quantidades à medida que são criadas diariamente – aumentando significativamente a eficiência e os custos de eletricidade para o prédio.

Além do tráfego de pedestres, muitos imaginaram um futuro em que as rodovias são embutidas com tais materiais, criando eletricidade para alimentar semáforos e placas à medida que os carros exercem força física sobre eles.

Quando combinados, tecnologias futuras, como carregamento de carros sem fio, desenvolvidas pela Electreon, e superfícies alimentadas por empresas como Pavegen, esperamos que um dia permitam reduzir o tamanho da bateria em veículos e uma maneira muito mais eficiente e limpa de manter os veículos elétricos carregados.

Palavra Final

No geral, o potencial dos materiais piezelétricos está apenas começando a ser realizado. Os efeitos fotovoltaicos que tornam a energia solar possível foram descobertos no início de 1800 e só agora estão se tornando práticos para uso generalizado. Os materiais piezelétricos não são diferentes, e à medida que a pesquisa e o desenvolvimento desses materiais continuam, aumentos de eficiência e durabilidade seguem. Os avanços científicos modernos estão apenas agora permitindo que realizemos, ou pelo menos entendamos, o potencial total dessa fonte de energia, com os casos de uso listados aqui (geração de eletricidade, amortecimento de som, sonar, sensores, atuadores, etc.) sendo apenas alguns dos inúmeros possibilidades.