Materiais piezoelétricos – uma tecnologia difundida, mas pouco conhecida

Novas aplicações práticas continuam surgindo. No relatório de 2022 da MarketsandMarkets, esperava-se que o mercado de dispositivos piezoelétricos crescesse de cerca de US$ 30,8 bilhões em 2022 para US$ 41 bilhões em 2027, com crescimento anual composto de 5,9%. Era uma previsão, não um resultado garantido nos três anos seguintes a 2023. A demanda pode estimular pesquisas em polímeros amorfos e filmes finos.

O que são materiais piezoelétricos?

Os materiais piezoelétricos podem converter parte da energia mecânica em uma resposta elétrica. Os irmãos Curie descobriram o efeito piezoelétrico direto em 1880. Hoje ele é utilizado em várias tecnologias.

Quando um material adequado sofre tensão mecânica, sua polarização elétrica se modifica e surgem cargas nas superfícies. O efeito está associado a uma estrutura não centrossimétrica ou a uma organização polar orientada. Comprimir um material simétrico qualquer não o torna automaticamente piezoelétrico.

fase beta do PVDF.

Alguns materiais piezoelétricos ferroelétricos têm domínios de polarização elétrica. Eles não devem ser confundidos com os domínios magnéticos de Weiss. O quartzo é piezoelétrico sem ferroelectricidade ou esses domínios. Polarização elétrica e orientação magnética são propriedades distintas.

No efeito piezoelétrico inverso, um campo elétrico deforma o material. O efeito direto é usado em sensores e captação de energia; o inverso, em atuadores e na produção de ultrassom. Ambos ampliam as aplicações sem criar energia do nada.

Fabricantes e inovadores

Antes das aplicações, apresentamos três empresas de eletrônica mencionadas no artigo. Os dados financeiros dizem respeito às empresas inteiras, não apenas às vendas de produtos piezoelétricos.

O artigo original citou classificações de analistas publicadas na Barron’s, como overweight e buy. São recomendações históricas de aumentar o peso na carteira e comprar, não classificações atuais ou garantias de retorno.

Stoneridge (SRI)

Segundo a comparação histórica do artigo, no início de 2023 as ações da Stoneridge (NYSE: SRI) haviam subido mais de 30% em um ano. Após a queda durante a pandemia, a receita passou de US$ 648 milhões em 2020 para US$ 770,5 milhões em 2021, alta de aproximadamente 18,9%.

Ao final de 2021, havia cerca de 5.000 funcionários e a sede ficava em Novi, Michigan.

Methode Electronics (MEI)

A Methode Electronics Inc., listada na NYSE, (MEI ) teve uma alta de quase 15% nas ações na comparação histórica de um ano do artigo. O texto informou crescimento anual da receita entre 2,36% e 10,13% nos quatro anos anteriores. A receita do exercício de 2022 foi de US$ 1.163,6 milhões, ante US$ 1.088 milhões em 2021.

O artigo mencionou então mais de 7.000 funcionários e sede em Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

A Kimball Electronics Inc., listada na Nasdaq, (KE ) teve uma alta superior a 32% nas ações na comparação histórica. A receita passou de cerca de US$ 1,20 bilhão no exercício de 2020 para US$ 1,292 bilhão em 2021 e US$ 1,350 bilhão em 2022. A alta em 2022 foi de aproximadamente 4,47%. Crescimento da receita não equivale a igual crescimento do lucro.

O artigo mencionou então mais de 7.000 funcionários e sede em Indiana.

Avanços recentes

O quartzo é um material piezoelétrico natural bem conhecido. Cerâmicas sintéticas também foram desenvolvidas para diferentes necessidades. O PZT, zirconato-titanato de chumbo, surgiu na década de 1950 e oferece uma resposta intensa. Entretanto, deformação limitada, fragilidade, densidade elevada e presença de chumbo podem restringir certos usos.

O PVDF, poli(fluoreto de vinilideno), é um polímero semicristalino. Heiji Kawai publicou sua forte resposta piezoelétrica em 1969, não em 1964. A resposta depende da fase polar, da orientação e da polarização. Alguns coeficientes podem superar os do quartzo, mas isso não vale para todas as métricas e condições. O PVDF é mais flexível que a cerâmica, porém o calor e o envelhecimento podem enfraquecer sua polarização. PZT e PVDF continuam sendo aperfeiçoados; suas possibilidades não se esgotaram.

Nos anos 2000, o GAIKER-IK4 pesquisou polímeros polares amorfos, como poliimidas, para aplicações em temperaturas mais altas. Materiais amorfos não apresentam a ordem periódica de longo alcance dos cristais. Isso não garante automaticamente resistência térmica; a estrutura química e a estabilidade da polarização também importam.

Materiais leves, flexíveis e resistentes são desenvolvidos para eletrônica e aplicações aeroespaciais. Contudo, o estudo da Science no link trata de grande resposta piezoelétrica induzida em óxidos centrossimétricos pela reorganização de vacâncias de oxigênio, não de polímeros amorfos. As temperaturas de cerca de 150°C para perda de funcionamento e 400°C para degradação mencionadas originalmente não são limites universais de todos os polímeros. Devem ser avaliadas para o material e as condições de ensaio específicos.

Outras linhas de pesquisa incluem PVDF, copolímeros e compósitos. As poliimidas amorfas pertencem a outra família de materiais. Não há regra geral de que todos os novos polímeros sejam feitos a partir de PVDF e “PVT”. O objetivo é combinar qualidades úteis e reduzir limitações.

Em polímeros amorfos, importam a temperatura de transição vítrea, a mobilidade molecular e a estabilidade da polarização. A ordem de curto alcance descreve a organização espacial local. As poliimidas são estudadas por suas propriedades mecânicas, dielétricas e térmicas. A polarização por campo elétrico, ou poling, exige campo, temperatura e tempo adequados; não significa polimento, e a poliimida não garante por si só o alinhamento de todas as moléculas.

Aplicações

Entre os usos estabelecidos estão isqueiros, relógios de quartzo e sensores de controle do motor. Sensores usam o efeito direto; atuadores, o inverso. Polímeros podem oferecer leveza e flexibilidade, enquanto cerâmicas frequentemente apresentam resposta maior. Novos materiais ampliam as possibilidades, mas nenhum é ideal para tudo. Os exemplos seguintes incluem usos estabelecidos e ideias ainda em pesquisa.

Eletrônica móvel e vestível

Pesquisa-se a captação de energia do som e do movimento para eletrônica. A fala comum, porém, contém pouquíssima energia acústica e não demonstra uma forma prática de alimentar um telefone apenas conversando. Sensores e dispositivos vestíveis de consumo muito baixo são alvos mais realistas, nos quais a energia captada pode complementar a bateria.

Elementos piezoelétricos são usados há décadas em microfones para converter pressão sonora em sinais elétricos de gravação. Produzir um sinal não significa fornecer potência suficiente para carregar um telefone. O efeito inverso também pode produzir som.

Sistemas de amortecimento

Outra aplicação é o uso de materiais piezoelétricos em sistemas de amortecimento.  Empresas como HEAD apresentaram essas tecnologias em raquetes de tênis e esquis. Conforme o projeto, um circuito pode dissipar a energia elétrica gerada pela vibração ou controlar um atuador para se opor ao movimento. Não é necessário um “material inverso” separado.

Pesquisa-se o controle ativo de ruído e vibração em veículos, edifícios e equipamentos industriais. Instalações de mineração de Bitcoin são exemplos de locais cujos vizinhos vêm reclamando do ruído de ventiladores e máquinas. Isso não prova que todas utilizem atuadores piezoelétricos. Materiais passivos de amortecimento convertem energia mecânica em calor; nem todos atuam apenas reduzindo a frequência de ressonância, nem são necessariamente pesados ou caros. O aproveitamento das propriedades piezoelétricas permite soluções ativas e semiativas, cuja eficácia depende do projeto e da faixa de frequências.

Soluções de Limpeza

Um exemplo em desenvolvimento para limpeza é a película transparente da Solar PiezoClean, destinada a remover poeira de painéis solares e reduzir o consumo de água e a manutenção. Isso não demonstrava uso comercial generalizado em 2023.

Um campo elétrico alternado faz a película vibrar, permitindo que a poeira se solte e caia com a ajuda da gravidade. Busca-se economizar água e trabalho e preservar a produção dos painéis. A eficácia depende da poeira, da aderência e das condições; nem toda sujeira cai automaticamente.

Um uso mais estabelecido são os equipamentos de limpeza ultrassônica, por exemplo para joias.

Aeroespacial

Sensores piezoelétricos podem monitorar a condição estrutural e os esforços mecânicos em aviões por meio de sinais elétricos. Isso pode apoiar a segurança, reforços nos pontos necessários e redução de peso desnecessário.

Na tecnologia espacial, atuadores piezoelétricos permitem pequenos movimentos precisos. Por exemplo, podem controlar microválvulas que regulam o fluxo de propelente em micropropulsores para o ajuste de satélites. O material não produz sozinho propulsão sem reação.

Equipamentos médicos

O ultrassom intravascular (IVUS) usa um pequeno transdutor em um cateter para obter imagens do interior e das paredes dos vasos, como artérias coronárias e periféricas. Conforme o projeto, cerâmicas piezoelétricas ou monocristais podem enviar e receber ultrassom; nem todos os equipamentos exigem exclusivamente monocristais.

Instrumentos odontológicos piezoelétricos usam vibrações ultrassônicas produzidas eletricamente para remover tártaro e outros depósitos. É uma aplicação diferente da limpeza de painéis solares, embora ambas usem conversão eletromecânica.

Sonar

O sonar é usado para formar imagens e transmitir comunicações debaixo d’água. Exemplos são o mapeamento do fundo do mar e a localização de peixes. Transdutores piezoelétricos podem enviar ondas sonoras e receber ecos ou sinais de comunicação.

O sonar tem mais de um século de história. Sensores ultrassônicos de curto alcance para estacionamento e assistência ao motorista são uma aplicação relacionada. Dependendo do veículo, podem acompanhar câmeras, radar ou lidar; nem todo carro autônomo usa a mesma combinação.

Captação de energia mecânica

Pesquisa-se a captação de energia de passos e vibrações em fábricas, campos esportivos, estações e outros locais movimentados. O artigo original citou uma amostra de quartzo com volume de 1 cm³ que poderia gerar até 4.500 V sob uma força de 175 libras, cerca de 780 newtons. Não é uma promessa universal de produção: a tensão depende da geometria, da orientação, da carga e do circuito. Volts não medem energia nem potência. Uma alta tensão em circuito aberto pode acompanhar uma carga muito pequena; não demonstra grande produção elétrica nem cobertura de parte significativa do consumo de um edifício.

Também se propõe captação de energia em rodovias para pequenas cargas, como luzes e sensores. A energia vem do movimento e da deformação; a resistência adicional pode aumentar o consumo do veículo. Não é energia gratuita.

O carregamento sem fio de veículos desenvolvido pela Electreon usa alimentação elétrica e transferência indutiva de energia, não eletricidade gratuita da pressão sobre a estrada. Já a Pavegen utiliza geradores eletromagnéticos no piso, não materiais piezoelétricos, e informa cerca de 2–4 joules por passo. Isso atende a pequenas cargas e aplicações interativas, não demonstra substituição da energia principal de recarga dos veículos elétricos. Em rotas adequadas, a recarga dinâmica sem fio pode permitir baterias menores, mas é outra tecnologia.

Considerações finais

Materiais piezoelétricos estão estabelecidos em sensores, atuadores, ultrassom e amortecimento, e novas composições ampliam as possibilidades. O efeito fotovoltaico foi descoberto em 1839, e suas aplicações práticas evoluem há décadas; não se tornaram úteis somente agora. Da mesma forma, a pesquisa em materiais piezoelétricos melhora desempenho e durabilidade. Na captação de energia, a eletricidade vem da energia mecânica disponível. Os exemplos apresentados são parte de uma área ampla, com diferentes graus de maturidade e escala.