Mga materyal na piezoelectric – isang laganap ngunit di-gaanong kilalang teknolohiya

Patuloy na nabubuo ang mga bagong praktikal na aplikasyon. Sa ulat ng MarketsandMarkets noong 2022, inaasahang aabot sa 41 bilyong dolyar ang merkado ng mga piezoelectric device pagsapit ng 2027, mula 30.8 bilyon noong 2022, o 5.9% na taunang pinagsama-samang paglago. Isa itong pagtataya, hindi tiyak na resulta sa loob ng tatlong taon mula 2023. Maaaring suportahan ng pangangailangan ang pananaliksik sa mga amorphous polymer at manipis na film.

Ano ang mga materyal na piezoelectric?

Kayang gawing elektrikal na tugon ng piezoelectric material ang bahagi ng mekanikal na enerhiya. Natuklasan ng magkapatid na Curie ang direktang piezoelectric effect noong 1880. Ginagamit ito ngayon sa maraming teknolohiya.

Kapag may mekanikal na diin sa angkop na materyal, nagbabago ang elektrikal na polarisasyon nito at lumilitaw ang karga sa mga ibabaw. Kaugnay ito ng istrukturang walang sentral na simetriya o ng nakahanay na polar na kaayusan. Hindi nagiging piezoelectric ang lahat ng simetrikong sangkap dahil lamang pinisil ang mga ito.

Beta phase ng PVDF.

May mga domain ng elektrikal na polarisasyon ang ilang ferroelectric na piezoelectric material. Iba ang mga ito sa magnetikong Weiss domain. Piezoelectric ang quartz kahit walang ferroelectricity o ganitong mga domain. Magkaiba ang elektrikal na polarisasyon at magnetikong oryentasyon.

Sa kabaligtarang piezoelectric effect, binabago ng electric field ang hugis ng materyal. Ginagamit ang direktang epekto sa mga sensor at pangangalap ng enerhiya, at ang kabaligtaran sa mga actuator at paglikha ng ultrasound. Lumalawak ang mga gamit nang hindi lumilikha ng enerhiya mula sa wala.

Mga tagagawa at tagapagpaunlad

Bago talakayin ang mga aplikasyon, narito ang tatlong kompanya ng elektronika na itinampok sa artikulo. Para sa buong kompanya ang mga datos sa pananalapi; hindi lamang sa piezoelectric na produkto ang kanilang kita mula sa benta.

Binanggit ng orihinal na artikulo ang mga rating ng analyst na inilathala sa Barron’s, gaya ng overweight at buy. Mga makasaysayang rekomendasyon ito na dagdagan ang timbang sa portfolio o bumili, hindi kasalukuyang rating o garantiya ng tubo.

Stoneridge (SRI)

Ayon sa makasaysayang paghahambing ng artikulo sa simula ng 2023, tumaas nang higit 30% sa isang taon ang presyo ng sapi ng Stoneridge (NYSE: SRI). Matapos ang pagbaba noong pandemya, umakyat ang kita mula sa benta mula 648 milyong dolyar noong 2020 sa 770.5 milyon noong 2021, o humigit-kumulang 18.9%.

May humigit-kumulang 5,000 empleyado sa katapusan ng 2021 at punong tanggapan sa Novi, Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Ang nakalista sa NYSE na Methode Electronics Inc. (MEI ) ay nagkaroon ng halos 15% pagtaas sa presyo ng sapi sa makasaysayang isang-taong paghahambing ng artikulo. Iniulat nito ang 2.36–10.13% taunang paglago ng benta sa naunang apat na taon. Umabot ang benta sa 1,163.6 milyong dolyar sa taong piskal 2022, mula 1,088 milyon noong 2021.

Binanggit ng artikulo ang mahigit 7,000 empleyado noon at punong tanggapan sa Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Ang nakalista sa Nasdaq na Kimball Electronics Inc. (KE ) ay nagkaroon ng higit 32% pagtaas sa presyo ng sapi sa makasaysayang paghahambing. Lumaki ang benta mula humigit-kumulang 1.20 bilyong dolyar sa taong piskal 2020 sa 1.292 bilyon noong 2021 at 1.350 bilyon noong 2022. Humigit-kumulang 4.47% ang pagtaas noong 2022. Hindi katumbas ng paglago ng tubo ang paglago ng benta.

Binanggit ng artikulo ang mahigit 7,000 empleyado noon at punong tanggapan sa Indiana.

Mga bagong pag-unlad

Kilalang likas na piezoelectric material ang quartz. Gumawa rin ng mga sintetikong ceramic para sa iba’t ibang pangangailangan. Nabuo noong dekada 1950 ang PZT, o lead zirconate titanate, na nagbibigay ng malakas na tugon. Gayunman, maaaring limitahan ng pagiging marupok, mataas na densidad, maliit na pagbabago ng hugis at nilalamang tingga ang ilang gamit nito.

Isang bahagyang kristalinong polymer ang PVDF, o polyvinylidene fluoride. Inilathala ni Heiji Kawai ang malakas nitong piezoelectric na tugon noong 1969, hindi 1964. Nakadepende ang tugon sa polar na phase, oryentasyon at poling. Maaaring lumampas sa quartz ang ilang coefficient, ngunit hindi ito totoo sa lahat ng panukat at kondisyon. Mas nababaluktot ang PVDF kaysa ceramic, ngunit maaaring humina ang polarisasyon sa init at paglipas ng panahon. Patuloy na pinauunlad ang PZT at PVDF; hindi pa nauubos ang lahat ng posibilidad.

Noong dekada 2000, sinaliksik ng GAIKER-IK4 ang mga amorphous polar polymer, gaya ng polyimide, para sa mas mataas na temperatura. Walang paulit-ulit na kaayusan sa malalayong distansya tulad ng kristal ang amorphous material. Hindi nito awtomatikong tinitiyak ang tibay sa init; mahalaga rin ang kemikal na istruktura at matatag na polarisasyon.

Ang magagaan, nababaluktot at matitibay na materyal ay pinauunlad para sa elektronika at teknolohiya ng paglipad at kalawakan. Gayunman, ang naka-link na pag-aaral sa Science ay tungkol sa malaking piezoelectric na tugong naidulot sa mga centrosymmetric oxide sa pamamagitan ng muling pag-aayos ng mga bakanteng puwesto ng oxygen, hindi sa amorphous polymer. Hindi pangkalahatang hangganan ng lahat ng polymer ang 150°C para sa pagkawala ng paggana at 400°C para sa pagkasira na binanggit sa orihinal. Kailangang suriin ang mga ito ayon sa tiyak na materyal at pagsubok.

Kabilang sa ibang direksiyon ng pananaliksik ang PVDF, mga copolymer at composite. Ibang pamilya ng materyal ang amorphous polyimide. Hindi pangkalahatang tuntunin na lahat ng bagong polymer ay nakabatay sa PVDF at “PVT”. Layunin ang pagsasama ng kapaki-pakinabang na katangian at pagbawas ng kahinaan.

Mahalaga sa amorphous polymer ang glass-transition temperature, paggalaw ng mga molekula at katatagan ng polarisasyon. Ang short-range order ay lokal na kaayusan sa espasyo. Pinag-aaralan ang polyimide para sa mekanikal, dielectric at thermal na mga katangian nito. Kailangan ng angkop na electric field, temperatura at oras para sa poling; hindi awtomatikong naihahanay ng polyimide ang lahat ng molekula.

Mga aplikasyon

Kabilang sa mga matagal nang gamit ang mga lighter, quartz na orasan at sensor sa pamamahala ng makina. Direktang epekto ang ginagamit ng mga sensor, at kabaligtarang epekto naman ng mga actuator. Maaaring magbigay ng gaan at pagkalambot ang polymer, at mas malakas na tugon naman ang ceramic. Lumalawak ang mga aplikasyon, ngunit walang iisang materyal na pinakamahusay sa lahat. Kasama sa sumusunod ang mga naitatag nang gamit at mga ideyang sinasaliksik pa.

Mga aparatong elektroniko na mobile at naisusuot

Pinag-aaralan ang pangangalap ng enerhiya mula sa tunog at galaw para sa elektronika. Napakaliit ng enerhiyang akustiko ng karaniwang pananalita; hindi nito pinatutunayan ang praktikal na pagpapagana ng telepono sa pagsasalita lamang. Mas makatotohanan ang mga sensor at naisusuot na aparatong napakababa ng konsumo, kung saan maaaring madagdagan ang enerhiya ng baterya.

Ilang dekada nang ginagamit sa mikropono ang piezoelectric element upang gawing elektrikal na signal para sa pagrekord ang presyon ng tunog. Hindi katumbas ng sapat na lakas para mag-charge ng telepono ang paggawa ng signal. Maaari namang gamitin ang kabaligtarang epekto sa paglikha ng tunog.

Mga sistema ng pagpapahina ng panginginig

Ginagamit din ang piezoelectric material sa pagpapahina ng panginginig. Ang mga kompanyang gaya ng HEAD ay nagpakita ng ganitong teknolohiya sa mga raketa ng tennis at ski. Ayon sa disenyo, maaaring ubusin ng sirkito ang elektrikal na enerhiyang galing sa panginginig o kontrolin ang actuator upang salungatin ang galaw. Hindi kailangan ng hiwalay na “inverse material”.

Sinasaliksik ang aktibong pagkontrol sa ingay at panginginig sa mga sasakyan, gusali at makinarya. Halimbawa ang mga pasilidad ng Bitcoin mining, na ang mga karatig na komunidad ay nagreklamo tungkol sa ingay ng mga bentilador at kagamitan. Hindi ito patunay na bawat pasilidad ay may piezoelectric actuator. Ginagawang init ng passive damping material ang mekanikal na enerhiya; hindi lahat ay nagpapababa lamang ng resonant frequency, at hindi lahat ay mabigat o mahal. Ang paggamit ng piezoelectric na katangian ay maaaring magbigay ng aktibo at bahagyang aktibong solusyon. Nakadepende ang bisa sa disenyo at saklaw ng dalas.

Mga Solusyon sa Paglilinis

Isang halimbawa ng teknolohiyang nililinang para sa paglilinis ang ginagawa ng Solar PiezoClean: isang malinaw na piezoelectric film upang alisin ang alikabok sa solar panel at mabawasan ang tubig at pagpapanatili. Hindi ito patunay ng malawakang komersiyal na paggamit noong 2023.

Pinapanginginig ng pabago-bagong electric field ang film upang kumalas ang alikabok at mahulog sa tulong ng grabidad. Layunin nitong makatipid sa tubig at paggawa at mapanatili ang produksiyon ng panel. Nakadepende ang bisa sa alikabok, pagkakadikit at kondisyon; hindi awtomatikong natatanggal ang lahat ng dumi.

Mas matagal nang ginagamit ang mga ultrasonic cleaner, halimbawa sa paglilinis ng alahas.

Paglipad at kalawakan

Maaaring subaybayan ng piezoelectric sensor ang kondisyon at mekanikal na diin sa istruktura ng eroplano sa pamamagitan ng elektrikal na signal. Makatutulong ito sa kaligtasan, pagpapatibay sa angkop na bahagi at pagbawas ng di-kailangang timbang.

Sa teknolohiya ng kalawakan, kayang kontrolin ng piezoelectric actuator ang napakaliliit at tumpak na paggalaw. Halimbawa, kinokontrol nito ang mga microvalve na nagreregula ng daloy ng propellant sa microthruster para sa pag-aayos ng posisyon ng satelayt. Hindi kusang lumilikha ng reactionless propulsion ang materyal.

Mga kagamitang medikal

Gumagamit ang intravascular ultrasound (IVUS) ng maliit na ultrasound transducer sa catheter upang gumawa ng larawan ng loob at dingding ng mga daluyan ng dugo, gaya ng coronary at peripheral artery. Ayon sa disenyo, maaaring gumamit ng piezoelectric ceramic o single crystal sa pagpapadala at pagtanggap ng ultrasound; hindi lahat ng aparato ay nangangailangan lamang ng single crystal.

Gumagamit ang piezoelectric ultrasonic na kagamitan sa ngipin ng elektrikal na nalilikhang panginginig upang alisin ang tartar at iba pang namuong deposito. Iba itong aplikasyon sa paglilinis ng solar panel, bagaman pareho silang gumagamit ng elektromekanikal na pagbabago.

Sonar

Ginagamit ang sonar para sa pagbuo ng larawan at komunikasyon sa ilalim ng tubig. Mga halimbawa ang pagmamapa ng sahig-dagat at paghahanap ng isda. Maaaring magpadala ng tunog at tumanggap ng alingawngaw o signal ang piezoelectric transducer.

Mahigit isang siglo na ang kasaysayan ng sonar. Kaugnay na gamit ang mga ultrasonic sensor na maikli ang abot para sa pagparada at tulong sa pagmamaneho. Depende sa sasakyan, maaari silang samahan ng kamera, radar o lidar; hindi pare-pareho ang sensor ng lahat ng awtomatikong sasakyan.

Pangangalap ng mekanikal na enerhiya

Sinasaliksik ang pagkuha ng enerhiya mula sa hakbang at panginginig sa pabrika, palaruan, istasyon at iba pang mataong lugar. Binanggit ng orihinal na artikulo ang isang quartz sample na may bolyum na 1 cm³ na maaaring magbigay ng hanggang 4,500 V sa puwersang 175 libra, o mga 780 newton. Hindi ito pangkalahatang pangako ng produksiyon: nakadepende ang boltahe sa hugis, direksiyon, pagkarga at sirkito. Hindi sumusukat ng enerhiya o kapangyarihan ang volt. Maaaring may napakaliit na karga sa kabila ng mataas na open-circuit voltage; hindi nito pinatutunayang masasapatan ang malaking bahagi ng konsumo ng gusali.

Iminungkahi rin ang pangangalap ng enerhiya sa kalsada para sa maliliit na konsumo gaya ng ilaw at sensor. Galing sa galaw at pagbabago ng hugis ang enerhiya; maaaring tumaas ang konsumo ng sasakyan dahil sa dagdag na resistansiya. Hindi ito libreng enerhiya.

Ang wireless na pag-charge ng sasakyan na nililinang ng Electreon ay gumagamit ng suplay ng kuryente at induktibong paglilipat ng enerhiya, hindi libreng kuryente mula sa diin sa kalsada. Ang Pavegen naman ay gumagamit ng elektromagnetikong generator sa sahig, hindi piezoelectric material, at nagsasabing nakakakuha ito ng mga 2–4 joule bawat hakbang. Angkop iyon sa maliliit na konsumo at interaktibong aplikasyon, hindi patunay na mapapalitan ang pangunahing enerhiya sa pag-charge ng de-kuryenteng sasakyan. Maaaring magpahintulot ng mas maliit na baterya ang dynamic wireless charging sa angkop na ruta, ngunit ibang teknolohiya iyon.

Pangwakas

Matagal nang ginagamit ang piezoelectric material sa sensor, actuator, ultrasound at pagpapahina ng panginginig. Pinalalawak ng bagong komposisyon ang mga posibilidad. Natuklasan ang photovoltaic effect noong 1839 at ilang dekada nang umuunlad ang praktikal na gamit nito; hindi ngayon lamang ito naging kapaki-pakinabang. Gayundin, napapabuti ng pananaliksik ang tibay at pagganap ng piezoelectric material. Sa pangangalap ng enerhiya, galing sa magagamit na mekanikal na enerhiya ang kuryente. Bahagi lamang ng malawak na larangan ang mga halimbawa rito, na magkakaiba ang antas ng pag-unlad at laki.