Piezoelektriska Material – Den Mest Vanliga Okända Källan Till Energi

Med nya praktiska tillämpningar som utvecklas varje dag, förväntas den piezoelektriska industrin nå ungefär 41 miljarder dollar inom de kommande tre åren, med en årlig tillväxttakt på nästan 6%. Denna boom kommer att möjliggöra ytterligare utveckling och implementering av högteknologiska amorfiska och film-baserade piezoelektriska polymerer i den moderna världen.

Vad Är Piezoelektriska Material?

Piezoelektriska material möjliggör för oss att utnyttja kinetisk energi genom att omvandla kraft till en elektrisk laddning. Först definierad av Curie-bröderna 1880, har piezoelektricitet blivit en grundläggande princip som utnyttjas i modern teknik.

Piezoelektricitet refererar till en substans förmåga att producera en elektrisk laddning när mekanisk stress appliceras. Denna elektriska laddning produceras genom tvingad asymmetri. I piezoelektriska material är positiva och negativa laddningar separerade från varandra, medan de förblir i en symmetrisk mönster. När mekanisk stress appliceras på substansen, förloras denna symmetri, vilket resulterar i produktionen av en elektrisk laddning.

PVDF beta-fas.

En annan unik egenskap hos materialet är den slumpmässiga naturen och förekomsten av Weiss-domäner (magnetiskt orienterade utan yttre magnetisk påverkan).

Det upptäcktes senare att dessa material också visade en direkt omvänd egenskap till den elektriska effekten. Det upptäcktes att om en elektrisk laddning applicerades på materialet, skulle en upprepad mekanisk deformation uppstå inom materialet. Denna upptäckt gav stor nytta till sådana material, eftersom det i princip dubblade deras potentiella användningsfall.

Tillverkare Och Innovatörer

Innan vi dyker in i exempel på verkliga användningsfall, är följande ett trio av ledande företag som utnyttjar piezoelektriska material i en mängd olika produkter som är integrerade i moderna elektronik.

Noterbart är att analytiker för Barron’s för närvarande listar var och en av följande aktier som antingen “över” eller “köp”.

Stoneridge (SRI)

Listad på NYSE, har Stoneridge (SRI) sett sin aktie öka i värde med över 30% under det senaste året vid tidpunkten för skrivningen. Medan intäkterna för Stoneridge tog en smäll under COVID-19-pandemins höjdpunkt, såg 2021 en nästan 20% återhämtning till 770 miljoner dollar.

Stoneridge sysselsätter över 5 000 personer och har sitt huvudkontor i delstaten Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Listad på NYSE, har Methode Electronics Inc. sett sin aktie öka i värde med nästan 15% under det senaste året vid tidpunkten för skrivningen. Under de senaste fyra åren har Methode Electronics lyckats fortsätta växa sin omsättning med mellan 2,36% och 10,13% varje år. För 2022 nådde omsättningen 1,16 miljarder dollar.

Methode Electronics sysselsätter över 7 000 personer och har sitt huvudkontor i delstaten Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Listad på Nasdaq, har Kimball Electronics Inc. sett sin aktie öka i värde med över 32% under det senaste året vid tidpunkten för skrivningen. Medan de företag som nämns ovan kämpade mellan 2019 och 2020, lyckades Kimball Electronics fortsätta visa ökande intäkter. Totalt 1,35 miljarder dollar för 2022, vilket innebär en ökning med 4,47% jämfört med 2021.

Kimball Electronics sysselsätter över 7 000 personer och har sitt huvudkontor i delstaten Indiana.

Modern Utveckling

Traditionellt har naturligt förekommande piezoelektriska ämnen använts för att demonstrera effekten. Det vanligaste materialet var kvarts. När gränserna för naturligt förekommande ämnen nåddes, blev konstgjorda keramiska material det populära valet. Utvecklat 1952 och fortfarande ett av de mest populära piezoelektriska keramiska materialen idag är PZT (blyzirkonat-titanat). Men med nackdelar som begränsad deformation, skörhet och hög massdensitet, är PZT inte idealiskt för alla tillämpningar.

1964 utvecklades PVDF (polyvinylidenfluorid). PVDF har en semi-kristallin struktur och skapar laddningar flera gånger större än kvarts. Även om detta konstgjorda polymerämne åtgärdade många av PZT:s nackdelar, hade det också flera av sina egna – piezoelektriska genomslag vid höga temperaturer och nedbrytning. Med senaste tekniska framsteg och ökande krav, kan PZT och PVDF ha nått sina gränser.

I början av 2000-talet började institut som GAIKER-IK4 utveckla vad som kallas amorfiska piezoelektriska polymerer. Genom att använda en amorf struktur kan mycket högre temperaturer tålas av substansen. Eftersom piezoelektriska effekter inte förlitar sig på den kristallina strukturen som bryts ned vid högre temperaturer, gör de amorfiska strukturerna det till ett mycket mer robust polymer.

Användningsfall

Tidigare och nuvarande tillämpningar av piezoelektriska material inkluderar många oansenliga föremål som tändare, kvartsklockor och till och med motorstyrningssystem. Den vanligaste användningen för dem idag skulle vara i sensorer och aktuatorer. Medan lämpliga piezoelektriska material har använts för dessa tillämpningar, kräver framtida tillämpningar ett mer mångsidigt material. Tack och lov är de utvecklade piezoelektriska polymererna just det – mångsidiga. Med konstanta framsteg i vår förståelse av materialvetenskap och deras förmåga att visa direkt omvända effekter, ökar antalet tillämpningar där de kan användas.

Mobil Och Bärbar Elektronik

Tala om batteridrivna mobiltelefoner och bärbara enheter. Genom att utnyttja trycket som skapas inom mikrofonen på grund av ljudvågor, kan piezoelektriska polymerer hoppas kunna skapa tillräckligt med kraft för att använda telefonen. Även om det är osannolikt att denna koncept kommer att ta bort behovet av en batteri helt, skapar det möjligheten att förlänga batteritiden i lågdränerande bärbara smarta enheter.

Det bör noteras att piezoelektriska material har använts i mikrofoner i nästan 100 år vid det här laget. Snarare än att det slutliga målet är att ladda en enhet, tillåter dessa tillämpningar omvandlingen av ljudvågor till elektricitet för inspelning och uppspelning på ett kostnadseffektivt sätt.

Dämpningssystem

En annan tillämpning är användningen av piezoelektriska material i dämpningssystem. Företag som HEAD har införlivat denna idé i sina tennissracketar och skidor i ett försök att absorbera/dämpa vibrationer. När en påverkan sker på racketen eller skidorna, utnyttjas den reciproka effekten genom att skicka den elektriska signalen som skapats till ett omvänt material som tillhandahåller en motsatt kraft. Detta resulterar i ett effektivt dämpningssystem.

Denna samma koncept tillämpas på buller- och vibrationsreducering i bilar, hem och i farliga arbetsmiljöer. Ett exempel på en sådan miljö vore Bitcoin-gruvfält. Inte bara är vibrationer skadliga för elektronisk utrustning på lång sikt, har det funnits flera fall där omgivande samhällen där dessa verksamheter bedrivs klagat över det resulterande bullret och vibrationerna som orsakas av användningen av ASIC-enheter. I många liknande scenarier används piezo-baserade aktuatorer som en lösning för att dämpa dessa effekter. Med ljudvågor som skapas i bilar, hem och maskiner genom material som resoneras, kan detta buller också elimineras eller åtminstone minskas, med traditionella metoder som en lim-dämpande material. Dessa material fungerar passivt, men är mycket tunga och dyra. De fungerar vanligtvis genom att sänka ett materials resonansfrekvens. Utnyttjandet av egenskaperna hos piezoelektriska polymerer löser detta problem genom att ta den mer aktiva och dynamiska tillvägagångssättet som beskrivs ovan.

Rengöringslösningar

För att demonstrera hur mångsidiga användningsfallen för piezoelektriska material är, överväg arbetet som utförs av företag som Solar PiezoClean. I detta fall belägger företaget solpaneler med en piezoelektrisk film. Syftet är att erbjuda ett lågt underhållssätt att hålla solpaneler rena – en nyckel till att säkerställa optimal effektivitet.

Denna process innebär att en elektrisk laddning appliceras på filmen, som sedan vibrerar med en specifik frekvens och tonhöjd som tillåter damm och smuts att enkelt falla av med hjälp av gravitationen. Vad allt detta innebär är besparingar i vatten och manuell arbetskraft, samtidigt som det ökar livslängden och effektiviteten hos belagda paneler. En enkel, men genial lösning på ett problem som bara växer när solinstallationer blir allt vanligare.

Mer vanliga implementationer av piezoelektriska material på detta sätt inkluderar ultraljudsrengöringsenheter som smyckesrengörare.

Rymd

Tidigare nämnde vi användningen av piezoelektriska material inom rymdsektorn. Här kan flygplan utnyttja sådana material för att övervaka strukturell integritet och påfrestningar genom mätning av de elektriska laddningar som produceras – ett användningsfall som inte bara kan öka säkerheten, utan också effektiviteten genom att tillåta ingenjörer att samtidigt minska vikt och förstärka strukturer där det behövs.

Gå utöver atmosfären, och piezoelektriska aktuatorer används i många satelliter. Förmågan att fungera med extrem precision tillåter sådana aktuatorer att skapa mikrodrivare som kan korrigera satellitens position.

Hälsovårdsdiagnostiska Verktyg

Allteftersom vår förmåga att skapa allt mindre enheter förbättras, använder vi nu piezoelektriska material i olika diagnostiska verktyg inom hälsovården. Ett exempel på detta är intravaskulär ultraljud (IVUS). IVUS är en process som tillåter små sondar att generera bilder från inom blodkärl. Detta görs genom användning av ultraljudstransducera byggda med piezoelektriska enkristaller.

Piezoelektriska material används också i viss tandvårdsequipment. Liknande rengöringslösningen som används av SolarClean som beskrivits ovan, förlitar sig denna utrustning på ultraljudsvågor, producerade genom att applicera en elektrisk ström till de piezoelektriska materialen, för att rengöra/bortta plack från tänder.

Sonar

Sonar-system (Ljudnavigering och Avståndsmätning) kan användas för att tillhandahålla bilder eller för kommunikation. Exempel på bildgivning inkluderar topografisk kartläggning av havsbottnar eller vardagliga fiskespel. Medan kommunikation kan uppnås genom skapandet av ljudvågor. Båda dessa processer möjliggörs genom användning av piezoelektriska transducera.

Trots att de utvecklades för över 100 år sedan, fortsätter sonar att spela en viktig roll idag. Det senaste omfattande exemplet på detta vore dess implementering i självkörande bilar, som vanligtvis använder en kombination av sonar, LIDAR och radar för att spåra och tolka omgivningen.

Energitillförsel

Slutligen, en mycket intressant tillämpning vore storskalig energiproduktion. Piezoelektriska polymerer utvecklas för att placeras i högtrafikerade områden, inklusive olika fabriker, idrottsarenor, järnvägsstationer och mer runt om i världen. En 1 cm³ stor bit kvarts kan producera upp till 4 500 V elektricitet när 175 pounds kraft appliceras. Med varje steg som träffar marken i sådana stationer som skapar denna elektricitet, finns det potentialen att utnyttja enorma mängder eftersom det skapas dagligen – vilket avsevärt ökar effektiviteten och elkostnaderna för byggnaden.

Utöver fottrafik, har många föreställt sig en framtid där vägar är inbäddade med sådana material, som skapar elektricitet för att driva gatuarmaturer och skyltar när bilar utövar fysisk kraft på dem.

När de kombineras, kommer framtida teknologier som trådlös bil-laddning som utvecklas av Electreon, och kraft-ytor som utvecklas av företag som Pavegen, förhoppningsvis en dag att tillåta minskade batteristorlekar i fordon och ett mycket mer effektivt och rent sätt att hålla elbilar laddade.

Slutord

Sammanfattningsvis börjar potentialen för piezoelektriska material bara att förstås. Fotovoltaiska effekter som gör solenergi möjlig upptäcktes i mitten av 1800-talet och är först nu på väg att bli praktiska för omfattande användning. Piezoelektriska material är inga undantag, och allteftersom forskning och utveckling inom dessa material fortskrider, följer ökningar i effektivitet och hållbarhet. Moderna vetenskapliga framsteg tillåter oss att förstå, eller åtminstone inse, den fulla potentialen för denna energikälla, med de användningsfall som nämns här (elgenerering, ljud-dämpning, sonar, sensorer, aktuatorer etc.) som bara är ett urval av de otaliga möjligheterna.