Materiales piezoeléctricos: la fuente de energía desconocida más común

Con nuevas aplicaciones prácticas que se desarrollan cada día, la industria piezoeléctrica está esperado alcanzar aproximadamente 41 millones de dólares en los próximos tres años, con una tasa de crecimiento anual compuesta de casi el 6%. Este auge permitirá un mayor desarrollo e implementación de polímeros piezoeléctricos amorfos y basados ​​en películas de alta tecnología en el mundo moderno.

¿Qué son los materiales piezoeléctricos?

Los materiales piezoeléctricos nos permiten aprovechar la energía cinética transformando la fuerza en una carga eléctrica. Definida por primera vez por los hermanos Curie en 1880, la piezoelectricidad se ha convertido en un principio fundamental explotado en la tecnología moderna.

La piezoelectricidad se refiere a la capacidad de una sustancia para producir una carga eléctrica cuando se aplica tensión mecánica. Esta carga eléctrica se produce por asimetría forzada. En los materiales piezoeléctricos, las cargas positivas y negativas están separadas entre sí, mientras permanecen alineadas en un patrón simétrico. Cuando se aplica tensión mecánica a la sustancia, esta simetría se pierde, lo que da como resultado la producción de una carga eléctrica.

Fase beta de PVDF.

Otra propiedad única de los materiales es la naturaleza aleatoria y la presencia de dominios de Weiss (orientados magnéticamente). sin influencia magnética externa).

Posteriormente se descubrió que estos mismos materiales presentaban una propiedad inversa directa al efecto eléctrico. Se descubrió que si se aplicaba una carga eléctrica al material, se produciría una deformación mecánica repetible dentro del material. Este descubrimiento dio gran utilidad a dichos materiales, ya que esencialmente duplicó sus posibles casos de uso.

Fabricantes e innovadores

Antes de sumergirnos en ejemplos de casos de uso del mundo real, a continuación presentamos un trío de empresas líderes que aprovechan los materiales piezoeléctricos en una variedad de productos integrales de la electrónica moderna.

Cabe destacar que los analistas de Barron's actualmente catalogan cada una de las siguientes acciones como "superior" o "comprar".

Stoneridge (SRI)

Stoneridge (SRI), que cotiza en la Bolsa de Nueva York, ha visto aumentar el valor de sus acciones durante el año pasado en más de un 30% al momento de escribir este artículo. Si bien los ingresos de Stoneridge se vieron afectados durante el apogeo de la COVID, en 2021 se produjo un repunte de casi el 20 % hasta los 770 millones de dólares.

Stoneridge emplea a más de 5,000 personas y opera desde el estado de Michigan.

Electrónica del método (MEI)

Methode Electronics Inc., que cotiza en la Bolsa de Nueva York, ha visto aumentar el valor de sus acciones durante el año pasado en casi un 15% al ​​momento de escribir este artículo. Durante los últimos 4 años, Methode Electronics ha logrado seguir aumentando sus ingresos entre un 2.36% y un 10.13% cada año. Para 2022, los ingresos superaron los 1.16 millones de dólares.

Methode Electronics emplea a más de 7,000 personas y opera desde el estado de Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Kimball Electronics Inc., que cotiza en Nasdaq, ha visto aumentar el valor de sus acciones durante el año pasado en más de un 32% al momento de escribir este artículo. Mientras que las empresas enumeradas anteriormente tuvieron dificultades entre 2019 y 2020, Kimball Electronics logró presumir de ingresos cada vez mayores. Con un total de 1.35 millones de dólares para 2022, esto supone un aumento del 4.47 % con respecto a 2021.

Kimball Electronics emplea a más de 7,000 personas y opera desde el estado de Indiana.

Avances modernos

Tradicionalmente, se utilizaban sustancias piezoeléctricas naturales para demostrar el efecto. Lo más habitual es que el material elegido fuera el cuarzo. Cuando se alcanzaron los límites de las sustancias naturales, la cerámica artificial se convirtió en la opción popular. Diseñado en 1952, y todavía una de las cerámicas piezoeléctricas más populares en la actualidad es el PZT (titanato de circonato de plomo). Sin embargo, con inconvenientes como una deformación limitada, fragilidad y una alta densidad de masa, el PZT no es ideal para todas las aplicaciones.

En 1964 se desarrolló el PVDF (fluoruro de polivinilideno). El PVDF tiene una estructura semicristalina y crea cargas varias veces mayores que el cuarzo. Aunque este polímero artificial solucionó muchos de los inconvenientes del PZT, tenía varios propios: averías piezoeléctricas a altas temperaturas y degradación. Con los recientes avances tecnológicos y las crecientes demandas, es posible que PZT y PVDF hayan alcanzado sus límites.

A principios de los años 2000, institutos como GAIKER-IK4 comenzaron a desarrollar lo que se conoce como polímeros piezoeléctricos amorfos. Al utilizar una estructura amorfa, la sustancia puede soportar temperaturas mucho más altas. Dado que los efectos piezoeléctricos no dependen de la estructura cristalina que se descompone a temperaturas más altas, las estructuras amorfas crean un polímero mucho más resistente.

Estos polímeros amorfos están siendo desarrollado porque ofrecen mayores niveles de deformación, gran reducción de peso y mayor robustez. Con ello, el campo de aplicaciones de los materiales permite ahora la incorporación de dispositivos aeroespaciales y electrónicos. Con las nuevas películas y polímeros piezoeléctricos amorfos que se están desarrollando, se producirán fallos durante el uso a temperaturas de aproximadamente 150 °C y superiores. La degradación de la sustancia se producirá aproximadamente a 400°C. Si bien esto puede limitar su uso en condiciones extremas, la gran mayoría de aplicaciones se encuentran dentro de un rango apropiado.

Como muchas sustancias nuevas, estos polímeros se están desarrollando utilizando PVDF y PVT como fundamentos. Intentar mantener los atributos positivos de cada material eliminando tantas desventajas como sea posible. Aunque estos productos son polímeros más nuevos, siguen el modelo de los modelos funcionales actuales.

Al utilizar una estructura amorfa, se deben realizar pruebas exhaustivas sobre las temperaturas óptimas de transición vítrea. Este valor está directamente relacionado con la fuerza de las propiedades piezoeléctricas que poseerá el material. La estructura amorfa demuestra y se basa en un orden de corto alcance para producir un efecto piezoeléctrico en lugar de un orden de largo alcance como se ve en las estructuras cristalinas. Además de esto, muchos están optando por incorporar poliimidas en la estructura de los materiales debido a sus propiedades mecánicas, dieléctricas y térmicas, asegurando las poliimidas la polarización de las moléculas independientemente de su posición.

Casos de uso

Las aplicaciones pasadas y actuales de los materiales piezoeléctricos incluyen muchos elementos discretos, como encendedores, relojes de cuarzo e incluso sistemas de gestión de motores. El uso más común para ellos actualmente sería en sensores y actuadores. Si bien se han aplicado materiales piezoeléctricos adecuados para estos casos de uso, las aplicaciones futuras exigen un material más versátil. Afortunadamente, los polímeros piezoeléctricos en desarrollo son precisamente eso: versátiles. Con avances constantes en nuestra comprensión de la ciencia de los materiales y su capacidad para mostrar efectos inversos directos, el número de aplicaciones en las que se pueden utilizar sigue aumentando. Algunas aplicaciones intrigantes presentes y potenciales futuras incluyen,

Electrónica móvil y portátil

Hable sobre teléfonos móviles y dispositivos portátiles. Al utilizar la presión creada dentro del micrófono debido a las ondas sonoras, se espera que algún día los polímeros piezoeléctricos puedan crear suficiente energía necesaria para usar el teléfono. Si bien es poco probable que este concepto elimine por completo la necesidad de una batería en el corto plazo, sí crea la posibilidad de extender la vida útil de la batería en dispositivos inteligentes portátiles de bajo consumo.

Cabe señalar que, hasta la fecha, los materiales piezoeléctricos se han utilizado en micrófonos durante casi 100 años. Sin embargo, en lugar de que el objetivo final sea cargar un dispositivo, estas aplicaciones permiten la conversión de ondas sonoras en electricidad con el fin de grabar y reproducir de manera rentable.

Sistemas de amortiguación

Otra aplicación es el uso de materiales piezoeléctricos en sistemas de amortiguación. Empresas como Director de escuela han incorporado esta idea en sus raquetas de tenis y esquís en un esfuerzo por absorber/amortiguar las vibraciones. Cuando se produce un impacto en la raqueta o el esquí, el efecto recíproco se aprovecha enviando la señal eléctrica creada a un material inverso que proporciona una fuerza opuesta. Esto da como resultado un sistema de amortiguación eficaz.

Este mismo concepto se está aplicando a la reducción del ruido y las vibraciones en automóviles, hogares y entornos laborales peligrosos. Un ejemplo de tal entorno serían las granjas mineras de Bitcoin. Las vibraciones no sólo son perjudiciales para los equipos electrónicos a largo plazo, sino que ha habido varios casos en las comunidades circundantes en las que se llevan a cabo estas operaciones. quejarse sobre el ruido y las vibraciones resultantes del uso de dispositivos ASIC. En muchos escenarios similares, los actuadores piezoeléctricos se utilizan como solución para amortiguar cada uno de estos efectos. Dado que los materiales que reverberan crean ondas sonoras en automóviles, hogares y maquinaria, este ruido también se puede eliminar, o al menos reducir, con métodos tradicionales, como un material amortiguador adhesivo. Sin embargo, estos materiales funcionan de forma pasiva y son muy pesados ​​y caros. Por lo general, funcionan reduciendo la frecuencia de resonancia de los materiales.  Explotando Las propiedades de los polímeros piezoeléctricos resuelven este problema adoptando el enfoque más activo y dinámico descrito anteriormente.

Soluciones de limpieza

Para demostrar cuán versátiles son los casos de uso de materiales piezoeléctricos, considere el trabajo realizado por empresas como Piezolimpio solar. En este caso, la empresa recubre los paneles solares con una película piezoeléctrica. El propósito es ofrecer un medio de bajo mantenimiento para mantener limpios los paneles solares, una clave para garantizar una eficiencia óptima.

Este proceso implica aplicar una carga eléctrica a la película, que luego vibra a una frecuencia y un tono específicos que permiten que el polvo y la suciedad simplemente caigan con la ayuda de la gravedad. Todo esto significa un ahorro de agua y mano de obra, al tiempo que aumenta la longevidad y la eficiencia de los paneles revestidos. Una solución simple pero ingeniosa a un problema que no hace más que crecer a medida que las instalaciones solares se vuelven más comunes.

Las implementaciones más comunes de materiales piezoeléctricos de esta manera incluyen dispositivos de limpieza ultrasónicos como limpiadores de joyas.

Aeroespacial

Anteriormente mencionamos el uso de materiales piezoeléctricos dentro del sector aeroespacial. Aquí, los aviones pueden hacer uso de dichos materiales para monitorear la integridad estructural y los factores estresantes mediante la medición de las cargas eléctricas producidas, un caso de uso que puede permitir no solo una mayor seguridad, sino también mayores eficiencias al permitir a los ingenieros reducir el peso y fortalecer las estructuras simultáneamente. necesario.

Vayamos más allá de nuestra atmósfera y en muchos satélites se utilizan actuadores piezoeléctricos. La capacidad de operar con extrema precisión permite que dichos actuadores produzcan micropropulsores capaces de realizar un posicionamiento satelital adecuado.

Herramientas de diagnóstico para el cuidado de la salud

A medida que mejora nuestra capacidad para crear dispositivos cada vez más pequeños, ahora utilizamos materiales piezoeléctricos en diversas herramientas de diagnóstico dentro de la atención médica. Un ejemplo de esto es la Ultrasonido Intravascular (IVUS). IVUS es un proceso que permite que pequeñas sondas generen imágenes desde el interior de los vasos sanguíneos. Esto se hace mediante el uso de transductores de ultrasonido construidos con monocristales piezoeléctricos.

Los materiales piezoeléctricos también se utilizan en determinados equipos de odontología. De manera similar a la solución de limpieza utilizada por SolarClean descrita anteriormente, este equipo se basa en ondas ultrasónicas, producidas al aplicar una corriente eléctrica a los materiales piezoeléctricos, para limpiar/eliminar la placa de los dientes.

Sonar

Los sistemas de sonda (navegación y alcance por sonido) se pueden utilizar para proporcionar imágenes o para comunicación. Ejemplos de imágenes incluyen mapas topográficos de los fondos oceánicos o sondas de pesca cotidianas. Mientras tanto, la comunicación se puede lograr mediante la creación de ondas sonoras. Cada uno de estos procesos es posible mediante el uso de transductores piezoeléctricos.

A pesar de haber sido desarrollado hace más de 100 años, Sonar sigue desempeñando un papel importante en la actualidad. El ejemplo más reciente y generalizado de esto sería su implementación en vehículos autónomos, que normalmente utilizan una combinación de sonar, LIDAR y radar para rastrear e interpretar el entorno.

Recolección de energía

Por último, una aplicación muy interesante sería la producción de energía a gran escala. Se están desarrollando polímeros piezoeléctricos para colocarlos en áreas de mucho tráfico, incluidas varias fábricas, campos deportivos, estaciones de tren y más en todo el mundo. Un 1cm³ Una pieza de cuarzo es capaz de producir hasta 4,500 V de electricidad cuando se aplican 175 libras de fuerza. Con cada paso que se da al suelo en dichas estaciones que crean esta electricidad, existe la posibilidad de aprovechar enormes cantidades a medida que se crea diariamente, lo que aumenta considerablemente la eficiencia y los costos de electricidad del edificio.

Más allá del tráfico peatonal, muchos han imaginado un futuro en el que las carreteras estén incrustadas con dichos materiales, generando electricidad para alimentar las luces de las calles y las señales a medida que los automóviles ejercen fuerza física sobre ellas.

Cuando se combinan, las tecnologías futuras como la carga inalámbrica de automóviles desarrollada por electróny superficies motorizadas de empresas como PavegenCon suerte, algún día permitirá reducir el tamaño de las baterías en los vehículos y crear una forma mucho más eficiente y limpia de mantener los vehículos eléctricos cargados.

Última Palabra

En general, el potencial de los materiales piezoeléctricos apenas comienza a materializarse. Los efectos fotovoltaicos que hacen posible la energía solar se descubrieron a mediados del siglo XIX y sólo ahora se están volviendo prácticos para su uso generalizado. Los materiales piezoeléctricos no son diferentes y, a medida que continúa la investigación y el desarrollo de estos materiales, los aumentos en eficiencia y durabilidad siguen su ejemplo. Los avances científicos modernos recién ahora nos permiten realizar, o al menos comprender, todo el potencial de esta fuente de energía, siendo los casos de uso enumerados aquí (generación de electricidad, amortiguación de sonido, sonar, sensores, accionadores, etc.) solo una seleccione algunas entre innumerables posibilidades.