Piezoelektriska material – Den mest vanliga okända energikällan

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

Vad är piezoelektriska material?

Piezoelektriska material gör det möjligt för oss att utnyttja kinetisk energi genom att omvandla kraft till en elektrisk laddning. Först definierade av Curie‑bröderna år 1880 har piezoelektricitet blivit en grundläggande princip som utnyttjas i modern teknik.

Piezoelektricitet avser ett ämnes förmåga att producera en elektrisk laddning när mekanisk stress appliceras. Denna elektriska laddning skapas genom påtvingad asymmetri. I piezoelektriska material separeras positiva och negativa laddningar från varandra, samtidigt som de förblir inriktade i ett symmetriskt mönster. När mekanisk stress appliceras på ämnet förloras denna symmetri, vilket resulterar i produktionen av en elektrisk laddning.

PVDF beta-fas.

En annan unik egenskap hos materialen är den slumpmässiga naturen och förekomsten av Weiss‑domäner (magnetiskt orienterade utan extern magnetisk påverkan).

Det upptäcktes senare att dessa samma material uppvisade en direkt omvänd egenskap till den elektriska effekten. Det visade sig att om en elektrisk laddning applicerades på materialet, skulle en repeterbar mekanisk deformation inträffa i materialet. Denna upptäckt gav stor nytta för sådana material, eftersom den i praktiken fördubblade deras potentiella användningsområden.

Tillverkare och innovatörer

Innan vi dyker ner i exempel på verkliga användningsfall, är följande en trio av ledande företag som utnyttjar piezoelektriska material i en mängd produkter som är integrerade i modern elektronik.
Noterbart är att analytiker för Barron’s för närvarande listar var och en av följande aktier som antingen ‘over’ eller ‘buy’.

Stoneridge (SRI)

Noterat på NYSE har Stoneridge (SRI) sett sina aktier öka i värde med mer än 30 % under det senaste året vid tidpunkten för skrivandet. Medan intäkterna på Stoneridge drabbades under COVID:s högsta nivå, såg 2021 en nästan 20 % återhämtning till $770M.
Stoneridge sysselsätter över 5 000 personer och är verksamt i delstaten Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Noterat på NYSE har Methode Electronics Inc. (MEI ) sett sina aktier öka i värde med nästan 15 % under det senaste året vid tidpunkten för skrivandet. Under de senaste fyra åren har Methode Electronics lyckats fortsätta öka sina intäkter med mellan 2,36 % och 10,13 % varje år. För 2022 översteg intäkterna $1.16B.
Methode Electronics sysselsätter över 7 000 personer och är verksamt i delstaten Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Noterat på Nasdaq har Kimball Electronics Inc. (KE ) sett sina aktier öka i värde med mer än 32 % under det senaste året vid tidpunkten för skrivandet. Medan de ovan nämnda företagen hade svårigheter 2019‑2020, har Kimball Electronics kontinuerligt kunnat skryta med ökande intäkter. Totalt $1.35B för 2022, vilket innebär en ökning med 4,47 % jämfört med 2021.
Kimball Electronics sysselsätter över 7 000 personer och är verksamt i delstaten Indiana.

Moderna framsteg

Traditionellt användes naturligt förekommande piezoelektriska ämnen för att demonstrera effekten. Vanligast var kvarts materialet som valdes. När gränserna för naturligt förekommande ämnen nåddes blev konstgjorda keramer det populära valet. Designad 1952 och fortfarande en av de mest populära piezoelektriska keramerna idag är PZT (blyzirconattitanat). Dock är PZT med nackdelar som begränsad deformation, skörhet och hög massdensitet inte idealisk för alla tillämpningar.
1964 utvecklades PVDF (polyvinylidenfluorid). PVDF har en halvkristallin struktur och skapar laddningar flera gånger större än kvarts. Även om denna konstgjorda polymer åtgärdade många av PZT:s nackdelar, hade den egna – piezoelektriska nedbrytningar vid höga temperaturer och degradering. Med den senaste tekniska utvecklingen och ökande efterfrågan kan PZT och PVDF ha nått sina gränser.
I början av 2000‑talen började institut som GAIKER‑IK4 utveckla det som kallas amorfa piezoelektriska polymerer. Genom att utnyttja en amorf struktur kan ämnet tåla mycket högre temperaturer. Eftersom piezoelektriska effekter inte är beroende av den kristallina strukturen som bryts ner vid högre temperaturer, ger de amorfa strukturerna en mycket mer robust polymer.
Dessa amorfa polymerer utvecklas eftersom de erbjuder högre nivåer av deformation, stor viktminskning och större robusthet. Genom att uppnå detta möjliggör materialens tillämpningsområde nu integration i rymd- och elektroniska enheter. Med de nya amorfa piezoelektriska polymererna och filmerna som utvecklas, kommer fel under användning att inträffa vid temperaturer på ungefär 150 °C och högre. Nedbrytning av ämnet sker vid ungefär 400 °C. Även om detta kan begränsa deras användning i extrema förhållanden, ligger den stora majoriteten av tillämpningarna inom ett lämpligt intervall.
Precis som många nya ämnen utvecklas dessa polymerer med PVDF och PVT som grundläggande material. Man försöker behålla de positiva egenskaperna från varje material samtidigt som man eliminerar så många nackdelar som möjligt. Även om sådana produkter är nyare polymerer, är de modellerade efter de nuvarande fungerande modellerna.
Genom att utnyttja en amorf struktur måste omfattande tester utföras på optimala glasövergångstemperaturer. Detta värde är direkt kopplat till styrkan i de piezoelektriska egenskaper som materialet kommer att ha. Den amorfa strukturen demonstrerar och förlitar sig på kortdistansordning för att producera en piezoelektrisk effekt, i stället för långdistansordning som ses i kristallina strukturer. Dessutom väljer många att införliva polyimid i materialens struktur på grund av deras mekaniska, dielektriska och termiska egenskaper, där polyimiderna säkerställer polarisering av molekyler oavsett deras position.

Användningsområden

Tidigare och nuvarande tillämpningar av piezoelektriska material inkluderar många diskreta föremål såsom tändare, kvartsklockor och till och med motorstyrningssystem. Den vanligaste användningen för dem idag är i sensorer och aktuatorer. Även om lämpliga piezoelektriska material har tillämpats för dessa användningsområden, kräver framtida tillämpningar ett mer mångsidigt material. Lyckligtvis är de utvecklande piezoelektriska polymererna just det – mångsidiga. Med ständiga framsteg i vår förståelse av materialvetenskap och deras förmåga att visa direkta inversa effekter, ökar antalet tillämpningar där de kan användas kontinuerligt. Några fascinerande nuvarande och potentiella framtida tillämpningar inkluderar,

Mobila och bärbara elektronik

Talbaserade mobiltelefoner och bärbara enheter. Genom att utnyttja trycket som skapas i mikrofonen på grund av ljudvågor kan piezoelektriska polymerer förhoppningsvis en dag generera tillräckligt med kraft för att driva telefonen. Även om det är osannolikt att detta koncept helt kommer att eliminera behovet av ett batteri inom kort, skapar det möjligheten att förlänga batteritiden i lågförbrukande bärbara smarta enheter.

Det bör noteras att piezoelektriska material har använts i mikrofoner i nästan 100 år vid denna tidpunkt. Istället för att slutmålet är att ladda en enhet, möjliggör dessa tillämpningar omvandling 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 tennisracketar och skidor för att absorbera/dämpa vibrationer. När en påverkan sker på racketen eller skidan utnyttjas den reciproka effekten genom att skicka den skapade elektriska signalen till ett omvänt material som ger en motverkande kraft. Detta resulterar i ett effektivt dämpningssystem.

Samma koncept tillämpas för att minska ljud och vibrationer i bilar, hem och i farliga arbetsmiljöer. Ett exempel på en sådan miljö är Bitcoin-gruvor. Inte bara är vibrationer skadliga för elektronisk utrustning på lång sikt, utan det har även förekommit olika fall av omgivande samhällen där dessa verksamheter äger rum klagar över det resulterande ljudet och vibrationerna från användning 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 av material som resoneras, kan detta buller också elimineras, eller åtminstone minskas, med traditionella metoder såsom ett limmande dämpningsmaterial. Dessa material fungerar passivt, men är mycket tunga och dyra. De fungerar vanligtvis genom att sänka ett materials resonansfrekvens. Exploiting egenskaperna hos piezoelektriska polymerer löser detta problem genom att ta en mer aktiv och dynamisk metod som beskrivits ovan.

Rengöringslösningar

För att demonstrera hur mångsidiga användningsområdena 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 underhållsmedel för att hålla solpaneler rena – en nyckel för att säkerställa optimal effektivitet.

Denna process innebär att en elektrisk laddning appliceras på filmen, som sedan vibrerar med en specifik frekvens och tonhöjd som gör att damm och smuts enkelt faller av med hjälp av gravitationen. Detta innebär besparingar i vatten och arbetskraft, samtidigt som livslängden och effektiviteten hos de belagda panelerna ökas. En enkel, men genial lösning på ett problem som bara växer i takt med att solinstallationer blir allt vanligare.

Vanligare implementeringar av piezoelektriska material på detta sätt inkluderar ultraljudsrengöringsapparater som smyckesrengörare.

Rymdindustrin

Tidigare nämnde vi användningen av piezoelektriska material inom rymdsektorn. Här kan flygplan utnyttja sådana material för att övervaka strukturell integritet och påfrestningar genom att mäta de producerade elektriska laddningarna – ett användningsområde som kan möjliggöra både ökad säkerhet och större effektivitet genom att ingenjörer samtidigt kan minska vikt och stärka strukturer där det behövs.

När vi går bortom vår atmosfär används piezoelektriska aktuatorer i många satelliter. Förmågan att fungera med extrem precision gör att sådana aktuatorer kan skapa mikrathrusters som möjliggör korrekt satellitpositionering.

Diagnostiska verktyg inom sjukvården

När vår förmåga att skapa allt mindre enheter förbättras använder vi nu piezoelektriska material i olika diagnostiska verktyg inom sjukvården. Ett exempel på detta är intravaskulär ultraljud (IVUS). IVUS är en process som möjliggör att små sonder genererar bildning från insidan av blodkärl. Detta sker genom användning av ultraljudstransduktorer byggda med piezoelektriska enkristaller.

Piezoelektriska material används också i viss tandvårdsutrustning. På liknande sätt som rengöringslösningen som används av SolarClean ovan, förlitar sig denna utrustning på ultraljudsvågor, som produceras genom att applicera en elektrisk ström på de piezoelektriska materialen, för att rengöra/ta bort plack från tänder.

Sonar

Sonar (Sound Navigation and Ranging) system kan användas för att tillhandahålla bildning eller för kommunikation. Exempel på bildning inkluderar topografisk kartläggning av havsbottnar eller vardagliga fiskdetektorer. Samtidigt kan kommunikation uppnås genom skapandet av ljudvågor. Var och en av dessa processer möjliggörs genom användning av piezoelektriska transduktorer.

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

Energihämtning

Slutligen, en mycket fascinerande tillämpning skulle vara storskalig energiproduktion. Piezoelektriska polymerer utvecklas för att placeras i högtrafikerade områden, inklusive olika fabriker, sportfält, tågstationer och mer runt om i världen. En 1 cm³ bit av kvarts kan producera upp till 4 500 V elektricitet när 175 lb kraft appliceras. Med varje steg som slår mot marken i sådana stationer skapas denna elektricitet, vilket ger potential att samla in enorma mängder som genereras dagligen – vilket kraftigt ökar effektiviteten och minskar elkostnaderna för byggnaden.

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

När de kombineras kan framtida teknologier som trådlös biluppladdning som utvecklas av Electreon och drivna ytor av företag som Pavegen förhoppningsvis en dag möjliggöra minskade batteristorlekar i fordon och ett mycket mer effektivt och rent sätt att hålla elbilar laddade.

Slutord

Sammanfattningsvis är potentialen för piezoelektriska material bara i början av att realiseras. Fotovoltaiska effekter som möjliggör solenergi upptäcktes på mitten av 1800‑talen och blir nu praktiska för bred användning. Piezoelektriska material är inget undantag, och i takt med att forskning och utveckling av dessa material fortsätter, följer ökningar i effektivitet och hållbarhet. Moderna vetenskapliga framsteg gör det nu möjligt för oss att inse, eller åtminstone förstå, den fulla potentialen för denna energikälla, där de här listade användningsområdena (elektricitetsgenerering, ljuddämpning, sonar, sensorer, aktuatorer etc.) bara är ett urval av otaliga möjligheter.