Piezoelektrik Malzemeler – En Yaygın Bilinmeyen Güç Kaynağı

Her gün geliştirilen yeni pratik uygulamalarla piezoelektrik endüstrisi beklenen önümüzdeki üç yıl içinde yaklaşık %41'lık bileşik yıllık büyüme oranıyla yaklaşık 6 milyar dolara ulaşacak. Bu patlama, modern dünyada yüksek teknolojili amorf ve film bazlı piezoelektrik polimerlerin daha da geliştirilmesine ve uygulanmasına olanak tanıyacak.

Piezoelektrik Malzemeler Nelerdir?

Piezoelektrik malzemeler, kuvveti elektrik yüküne dönüştürerek kinetik enerjiden yararlanmamızı sağlar. İlk olarak 1880 yılında Curie kardeşler tarafından tanımlanan Piezoelektriklik, modern teknolojide kullanılan temel bir prensip haline gelmiştir.

Piezoelektriklik, bir maddenin mekanik stres uygulandığında elektrik yükü üretme yeteneğini ifade eder. Bu elektrik yükü zorlanmış asimetri ile üretilir. Piezoelektrik malzemelerde pozitif ve negatif yükler birbirlerinden ayrılırken simetrik bir düzende hizalanmış halde kalırlar. Maddeye mekanik stres uygulandığında bu simetri kaybolur ve bu da bir elektrik yükünün oluşmasına neden olur.

PVDF beta aşaması.

Malzemelerin bir başka benzersiz özelliği de rastgele doğası ve Weiss alanlarının (manyetik olarak yönlendirilmiş) varlığıdır. olmadan harici manyetik etki).

Daha sonra aynı malzemelerin elektrik etkisine doğrudan ters bir özellik gösterdiği keşfedildi. Malzemeye elektrik yükü uygulandığında malzeme içinde tekrarlanabilir mekanik deformasyonun meydana geleceği bulunmuştur. Bu keşif, bu tür malzemelerin olası kullanım durumlarını esasen iki katına çıkarması nedeniyle onlara büyük fayda sağladı.

Üreticiler ve Yenilikçiler

Gerçek dünyadaki kullanım örneklerine dalmadan önce, modern elektroniğin ayrılmaz bir parçası olan çeşitli ürünlerde piezoelektrik malzemelerden yararlanan üç lider şirket aşağıda yer almaktadır.

Dikkat çekici olan, Barron's analistlerinin şu anda aşağıdaki hisse senetlerinin her birini 'üstte' veya 'satın al' olarak listelemesidir.

Stoneridge (SRI)

NYSE'de listelenen Stoneridge (SRI), bu yazının yazıldığı sırada hisselerinin geçtiğimiz yıl içinde %30'dan fazla değer kazandığını gördü. Stoneridge'in geliri, COVID'in en yüksek olduğu dönemde darbe alırken, 2021'de neredeyse %20'lik bir toparlanmayla 770 milyon dolara yükseldi

Stoneridge'in 5,000'den fazla çalışanı bulunmaktadır ve Michigan Eyaleti dışında faaliyet göstermektedir.

Methode Elektronik (MEI)

NYSE'de listelenen Methode Electronics Inc.'in hisseleri, bu yazının yazıldığı sırada geçen yıl yaklaşık %15 oranında değer kazandı. Geçtiğimiz 4 yılda Methode Electronics, gelirini her yıl %2.36 ile %10.13 arasında artırmayı başardı. 2022 yılında gelir 1.16 milyar doları aştı.

Methode Electronics'in 7,000'den fazla çalışanı bulunmaktadır ve Illinois Eyaleti dışında faaliyet göstermektedir.

Kimball Elektronik A.Ş.. (KE)

Nasdaq'ta işlem gören Kimball Electronics Inc.'in hisseleri, bu yazının yazıldığı sırada geçtiğimiz yıl içerisinde %32'den fazla değer artışı kaydetti. Yukarıda listelenen şirketlerin 2019-2020 yılları arasında zorlandığı dönemde Kimball Electronics sürekli olarak artan gelirlerle övünmeyi başardı. 1.35 için toplam 2022 milyar dolar olan bu rakam, 4.47'e göre %2021'lik bir artışa işaret ediyor.

Kimball Electronics'in 7,000'den fazla çalışanı bulunmaktadır ve Indiana Eyaleti dışında faaliyet göstermektedir.

Modern Gelişmeler

Geleneksel olarak, etkiyi göstermek için doğal olarak oluşan piezoelektrik maddeler kullanıldı. En yaygın olarak tercih edilen malzeme kuvarstı. Doğal olarak oluşan maddelerin sınırlarına ulaşıldığında insan yapımı seramikler popüler tercih haline geldi. 1952 yılında tasarlanan ve bugün hala en popüler piezoelektrik seramiklerden biri PZT'dir (kurşun zirkonat titanat). Ancak sınırlı deformasyon, kırılganlık ve yüksek kütle yoğunluğu gibi dezavantajları nedeniyle PZT her uygulama için ideal değildir.

1964 yılında PVDF (poli viniliden florür) geliştirildi. PVDF yarı kristal bir yapıya sahiptir ve kuvarstan birkaç kat daha fazla yük oluşturur. Bu insan yapımı polimer, PZT'nin pek çok dezavantajını ortadan kaldırsa da, yüksek sıcaklıklarda piezoelektrik bozulmalar ve bozulma gibi kendine has çeşitli sorunları vardı. Son teknolojik gelişmeler ve artan taleplerle birlikte PZT ve PVDF sınırlarına ulaşmış olabilir.

2000'li yılların başında GAIKER-IK4 gibi enstitüler amorf piezoelektrik polimerler olarak bilinenleri geliştirmeye başladı. Amorf bir yapı kullanılarak madde çok daha yüksek sıcaklıklara dayanabilir. Piezoelektrik etkiler daha yüksek sıcaklıklarda parçalanan kristal yapıya dayanmadığı için amorf yapılar çok daha sağlam bir polimer oluşturur.

Bu amorf polimerler gelişmiş çünkü daha yüksek düzeyde deformasyon, daha fazla ağırlık azaltma ve daha fazla sağlamlık sunarlar. Bunu başararak, malzemelerin uygulama alanı artık havacılık ve elektronik cihazların dahil edilmesine olanak sağlıyor. Yeni amorf piezoelektrik polimerler ve filmlerin geliştirilmesiyle birlikte, yaklaşık 150°C ve daha yüksek sıcaklıklarda kullanım sırasında arıza meydana gelecektir. Maddenin bozunması yaklaşık 400°C'de meydana gelecektir. Bu, aşırı koşullarda kullanımlarını sınırlasa da uygulamaların büyük çoğunluğu uygun aralıkta yer almaktadır.

Birçok yeni madde gibi bu polimerler de temel olarak PVDF ve PVT kullanılarak geliştirilmektedir. Mümkün olduğunca çok sayıda dezavantajı ortadan kaldırırken her malzemenin olumlu özelliklerini korumaya çalışmak. Bu tür ürünler daha yeni polimerler olmasına rağmen mevcut çalışma modellerine göre modellenmiştir.

Amorf bir yapı kullanılarak optimum camsı geçiş sıcaklıkları üzerinde kapsamlı testler yapılmalıdır. Bu değer doğrudan malzemenin sahip olacağı piezoelektrik özelliklerin gücüyle bağlantılıdır. Amorf yapı, kristal yapılarda görüldüğü gibi uzun menzilli düzen yerine piezoelektrik etki üretmek için kısa menzilli düzeni gösterir ve buna dayanır. Buna ek olarak birçok kişi, mekanik, dielektrik ve termal özellikleri nedeniyle poliimidleri malzemelerin yapısına dahil etmeyi tercih ediyor ve poliimidler, konumlarına bakılmaksızın moleküllerin kutuplanmasını sağlıyor.

Kullanımı-Cases

Piezoelektrik malzemelerin geçmiş ve mevcut uygulamaları arasında çakmaklar, kuvars saatler ve hatta motor yönetim sistemleri gibi pek çok göze çarpmayan öğe bulunmaktadır. Şu anda bunların en yaygın kullanımı sensörler ve aktüatörlerde olacaktır. Bu kullanım durumları için uygun piezoelektrik malzemeler uygulanmış olsa da gelecekteki uygulamalar daha çok yönlü bir malzeme talep etmektedir. Neyse ki gelişen piezoelektrik polimerler tam da bu kadar çok yönlüdür. Malzeme bilimi anlayışımızın sürekli gelişmesi ve doğrudan ters etki gösterme yetenekleriyle birlikte kullanılabileceği uygulama sayısı da artmaya devam ediyor. Bazı ilgi çekici mevcut ve potansiyel gelecekteki uygulamalar şunları içerir:

Mobil ve Giyilebilir Elektronikler

Güç sağlayan cep telefonları ve giyilebilir cihazlar hakkında konuşun. Piezoelektrik polimerlerin, ses dalgaları nedeniyle mikrofonda oluşan basınçtan yararlanarak bir gün telefonu kullanmak için yeterli gücü üretebileceği umuluyor. Bu konseptin yakın gelecekte pil ihtiyacını tamamen ortadan kaldırması pek mümkün olmasa da, düşük enerji tüketen giyilebilir akıllı cihazlarda pil ömrünün uzatılması olasılığını yaratıyor.

Bu noktada mikrofonlarda yaklaşık 100 yıldır piezoelektrik malzemelerin kullanıldığını da belirtelim. Nihai amaç bir cihazı şarj etmek yerine, bu uygulamalar uygun maliyetli bir şekilde kayıt ve oynatma amacıyla ses dalgalarının elektriğe dönüştürülmesine olanak tanır.

Tavlama Sistemleri

Diğer bir uygulama ise sönümleme sistemlerinde piezoelektrik malzemelerin kullanılmasıdır. Gibi şirketler KAFA titreşimleri absorbe etmek/azaltmak amacıyla bu fikri tenis raketlerine ve kayaklarına dahil etti. Raket veya kayak üzerinde bir darbe meydana geldiğinde, oluşturulan elektrik sinyali karşıt bir kuvvet sağlayan ters bir malzemeye gönderilerek karşılıklı etkiden yararlanılır. Bunun sonucunda etkili bir sönümleme sistemi elde edilir.

Aynı konsept, arabalarda, evlerde ve tehlikeli iş yeri ortamlarında gürültü ve titreşimin azaltılması için de kullanılıyor. Böyle bir ortama örnek olarak Bitcoin madencilik çiftlikleri verilebilir. Titreşimler yalnızca uzun vadede elektronik ekipmanlara zarar vermekle kalmaz, aynı zamanda bu işlemlerin gerçekleştiği çevredeki topluluklarda da çeşitli örnekler vardır. şikayet ASIC cihazlarının kullanımından kaynaklanan gürültü ve titreşimler hakkında. Pek çok benzer senaryoda, bu etkilerin her birini azaltmak için bir çözüm olarak piezo bazlı aktüatörler kullanılıyor. Arabalarda, evlerde ve makinelerde yankılanan malzemeler tarafından oluşturulan ses dalgaları nedeniyle bu gürültü, yapışkan sönümleme malzemesi gibi geleneksel yöntemlerle de ortadan kaldırılabilir veya en azından azaltılabilir. Bu malzemeler pasif olarak çalışırlar ve çok ağır ve pahalıdırlar. Tipik olarak bir malzemenin rezonans frekansını düşürerek çalışırlar.  sömürme Piezoelektrik polimerlerin özellikleri, yukarıda açıklanan daha aktif ve dinamik yaklaşımı benimseyerek bu sorunu çözmektedir.

Temizleme Çözümleri

Piezoelektrik malzemelerin kullanım durumlarının ne kadar çok yönlü olduğunu göstermek için aşağıdaki gibi şirketler tarafından yapılan çalışmaları düşünün: Solar PiezoClean. Bu örnekte şirket, güneş panellerini piezoelektrik filmle kaplıyor. Amaç, güneş panellerini temiz tutmak için az bakım gerektiren bir yöntem sunmaktır; bu, optimum verimliliği sağlamanın anahtarıdır.

Bu işlem, filme bir elektrik yükü uygulanmasını içerir; bu yük, daha sonra belirli bir frekansta ve perdede titreyerek toz ve kirin yer çekiminin yardımıyla kolayca düşmesine olanak tanır. Tüm bunların anlamı, kaplamalı panellerin ömrünü ve verimliliğini arttırırken su ve insan gücünden tasarruf etmektir. Güneş enerjisi tesisleri yaygınlaştıkça büyüyen bir soruna basit ama ustaca bir çözüm.

Piezoelektrik malzemelerin bu şekilde daha yaygın uygulamaları arasında mücevher temizleyicileri gibi ultrasonik temizleme cihazları yer alır.

Uzay

Daha önce havacılık ve uzay sektöründe piezoelektrik malzemelerin kullanımından bahsetmiştik. Burada, uçaklar, üretilen elektrik yüklerinin ölçümü yoluyla yapısal bütünlüğü ve stres etkenlerini izlemek için bu tür malzemelerden yararlanabilir; bu, yalnızca artan güvenlik sağlamakla kalmaz, aynı zamanda mühendislerin eş zamanlı olarak ağırlığı azaltmasına ve yapıları güçlendirmesine olanak tanıyarak daha fazla verimliliğe olanak tanıyan bir kullanım durumudur. ihtiyaç vardı.

Atmosferimizin ötesine geçin ve birçok uyduda piezoelektrik aktüatörler kullanılıyor. Aşırı hassasiyetle çalışabilme yeteneği, bu tür aktüatörlerin, mikro iticilerin uygun uydu konumlandırma yeteneğine sahip olmasını sağlar.

HealthCare Teşhis Araçları

Giderek daha küçük cihazlar yaratma yeteneğimiz geliştikçe, artık sağlık hizmetlerinde çeşitli teşhis araçlarında piezoelektrik malzemeleri kullanıyoruz. Bunun bir örneği İntravasküler Ultrasondur (IVUS). IVUS, küçük probların kan damarlarının içinden görüntüleme oluşturmasına olanak tanıyan bir işlemdir. Bu, piezoelektrik tek kristallerle yapılmış ultrason dönüştürücülerinin kullanılmasıyla yapılır.

Piezoelektrik malzemeler ayrıca bazı diş hekimliği ekipmanlarında da kullanılmaktadır. Yukarıda açıklanan SolarClean tarafından kullanılan temizleme solüsyonuna benzer şekilde, bu ekipman dişlerdeki plağı temizlemek/çıkarmak için piezoelektrik malzemelere elektrik akımı uygulanarak üretilen ultrasonik dalgalara dayanır.

Sonar

Sonar (Sesli Navigasyon ve Mesafe Belirleme) sistemleri görüntüleme sağlamak veya iletişim amacıyla kullanılabilir. Görüntüleme örnekleri arasında okyanus tabanlarının topografik haritalaması veya günlük balık bulucular yer alır. Bu arada ses dalgalarının yaratılmasıyla da iletişim sağlanabilir. Bu işlemlerin her biri piezoelektrik dönüştürücülerin kullanımıyla mümkün olmaktadır.

100 yılı aşkın bir süre önce geliştirilmiş olmasına rağmen Sonar bugün önemli bir rol oynamaya devam ediyor. Bunun en güncel yaygın örneği, çevreyi izlemek ve yorumlamak için genellikle Sonar, LIDAR ve radarın bir kombinasyonunu kullanan sürücüsüz araçlarda uygulanması olacaktır.

Enerji toplanması

Son olarak, çok ilgi çekici bir uygulama büyük ölçekli enerji üretimi olacaktır. Piezoelektrik polimerler dünya çapında çeşitli fabrikalar, spor sahaları, tren istasyonları ve daha fazlası dahil olmak üzere trafiğin yoğun olduğu alanlara yerleştirilmek üzere geliştirilmektedir. 1cm³ Kuvars parçası, 4,500 lbs kuvvet uygulandığında 175 V'a kadar elektrik üretebilmektedir. Bu elektriği üreten bu tür istasyonlarda yere çarpan her adım, her gün üretildiği için büyük miktardaki enerjiden yararlanma potansiyeli taşıyor; bu da binanın verimliliğini ve elektrik maliyetlerini büyük ölçüde artırıyor.

Pek çok kişi, yaya trafiğinin ötesinde, karayollarının bu tür malzemelerle kaplandığı, arabalar onlara fiziksel güç uyguladığında sokak ışıklarına ve tabelalara güç sağlamak için elektrik üretildiği bir gelecek tasavvur etti.

Birleştirildiğinde, kablosuz araç şarjı gibi geleceğin teknolojileri geliştiriliyor. elektreonve gibi şirketler tarafından güçlendirilmiş yüzeyler pavegen, umarım bir gün araçlarda pil boyutlarının azaltılmasına ve elektrikli araçların şarj edilmesinin çok daha verimli ve temiz bir yoluna olanak tanıyacaktır.

Son Söz

Genel olarak piezoelektrik malzemelerin potansiyeli henüz yeni yeni ortaya çıkmaya başlıyor. Güneş enerjisini mümkün kılan fotovoltaik etkiler 1800'lü yılların ortalarında keşfedildi ve ancak şimdilerde yaygın kullanıma uygun hale geliyor. Piezoelektrik malzemeler de farklı değildir ve bu malzemelere yönelik araştırma ve geliştirmeler devam ettikçe verimlilik ve dayanıklılıktaki artışlar da bunu takip etmektedir. Modern bilimsel gelişmeler ancak şimdi bu enerji kaynağının tam potansiyelini anlamamıza veya en azından anlamamıza olanak tanıyor; burada listelenen kullanım durumları (elektrik üretimi, ses sönümleme, sonar, sensörler, aktüatörler vb.) yalnızca birer örnektir. sayısız olasılık arasından birkaçını seçin.