Piezoelektrični materiali so bili uporabljeni na številnih področjih
(kot so vžigalniki, ultrazvočne sonde, motorji mobilnih telefonov, brizgalni tiskalniki itd.),
toda v primerjavi z njihovim potencialom je njihova široka uporaba v širših industrijskih, energetskih in potrošniških scenarijih dejansko omejena s številnimi dejavniki.
Tu je pet glavnih razlogov:
1. Fizične omejitve materiala Je krhek in nagnjen k pokanju pod vplivom tresljajev, udarcev ali termičnih ciklov.
V aplikacijah z visoko{0}}zanesljivostjo, kot sta avtomobilska in vesoljska industrija, je potrebna dodatna zaščita z inkapsulacijo, kar povečuje stroške in velikost.
Visoko temperaturna občutljivost Nad Curiejevo temperaturo se piezoelektrične lastnosti trajno izgubijo.
Celo pri temperaturah daleč pod Curiejevo točko se zmogljivost spreminja s temperaturo, kar zahteva kompleksna kompenzacijska vezja.
Nizka gostota izhodne moči Čeprav je napetost visoka, je tok izjemno majhen, kar ima za posledico omejeno energijo.
Zaključek: Primerno za-aplikacije na nivoju signala (zaznavanje, mikro-aktuatorji), ni pa primerno za visoko-pretvorbo energije.
2. Omejitve okoljskih predpisov. Glavna -zmogljiva piezoelektrična keramika (PZT) vsebuje kar 60–70 % svinca.
Različne države strogo omejujejo uporabo svinca.
Čeprav so brezsvinčeni piezoelektrični materiali v razvoju, je njihova učinkovitost le 50–70 % učinkovitosti PZT. Nestabilni proizvodni procesi vodijo v nizke donose množične proizvodnje in višje stroške.
Rezultat: Proizvajalci zabavne elektronike so prisiljeni opustiti piezoelektrične rešitve in preiti na elektromagnetne ali elektrostatične pogone.
3. Kompleksna sistemska integracija
| Scenariji uporabe | Bolečine piezoelektričnih rešitev | Prednosti alternativnih rešitev |
| Vibracijski motorji mobilnih telefonov | Requires high-voltage drive circuits (>50V) | Elektromagnetni motorji potrebujejo samo 3,7 V in so 50 % nižji |
| Zbiranje energije (npr. pridobivanje energije za vložek čevlja) | Nestabilen izhod, zahteva pretvorbo AC-DC + shranjevanje energije | Neposredna uporaba majhnih litijevih baterij je bolj zanesljiva |
| Aktivno dušenje tresljajev | Zahteva algoritme za-zaznavanje v realnem času + povratne informacije | Pasivni gumijasti dušilci tresljajev so 10-krat cenejši |
Razen če je zmogljivost nenadomestljiva (npr. ultrazvočno slikanje), dajejo inženirji prednost enostavnejšim in cenejšim rešitvam.
4. Zaznavanje trga in inercija oblikovanja
Večina strojnih/elektronskih inženirjev ni seznanjena s piezoelektričnimi značilnostmi in jih med načrtovanjem ponavadi ignorirajo.
Pomanjkanje standardiziranih modulov: Za razliko od uporov in kondenzatorjev, ki jih je mogoče neposredno kupiti, piezoelektrične komponente pogosto zahtevajo razvoj po meri.
Tradicionalne rešitve že izpolnjujejo potrebe, tako da je le malo spodbude za zamenjavo.
Rezultat: Piezoelektrična tehnologija je omejena na tržno nišo in se bori za vstop v glavno dobavno verigo.
Ampak! Piezoelektrični materiali ostajajo nenadomestljivi na teh področjih:
| Polje |
Razlog |
| Medicinsko ultrazvočno slikanje | Visok{0}}frekvenčni odziv + občutljivost brez primere |
| Natančno pozicioniranje (nano merilo) |
Ločljivost premika do 0,1 nm |
|
High-Frequency Acoustic Devices (>1 MHz) |
Elektromagnetne rešitve ne morejo doseči te frekvence |
|
Vžigalne/detonacijske naprave |
Z lastnim-napajanjem, visoka zanesljivost,-brez baterije |
Prelomne smeri prihodnosti
Prilagodljivi piezoelektrični kompozitni materiali: vdelava mikrodelcev PZT v polimere, ki združujejo prožnost in piezoelektričnost (za nosljive naprave)
Piezoelektrične mikrostrukture MEMS: integracija-na osnovi silicija, zmanjšanje stroškov za senzorje IoT
Preboji v zmogljivosti-brez svinca: če se zmogljivost KNN približa zmogljivosti PZT, bo to odprlo vrata potrošniški elektroniki
AI-optimizirano upravljanje energije: izboljšanje učinkovitosti uporabe majhnih količin energije
Povzetek: Medtem ko je piezoelektrična keramika omejena z lastnostmi materiala, okoljskimi pritiski, stroški sistema in energetsko učinkovitostjo, kar ji preprečuje, da bi bila tako vseprisotna kot polprevodniki, ostaja nenadomestljiva v visoko-natančnih, visoko-frekvenčnih,-napajajočih se mikrosistemih. Yuchang Laser Processing ponuja visoko učinkovitost in zrele postopke opreme za piezoelektrično keramiko po razmeroma obvladljivih stroških.
