Novinka: piezoelektrický polymer odolávající teplotě nad 200 °C
Japonská společnost Toray Industries vyvinula piezoelektrický polymer s tepelnou odolností přesahující 200 °C. Podle průzkumů firmy komerčně dostupných produktů by mělo jít o první takovýto materiál svého druhu na světě.
Tento piezoelektrický materiál je velmi flexibilní a vhodný v senzorických aplikacích s umístěním na velké plochy k posílení technologie detekce a monitorování vibrací, zejména v oblasti mobility, robotiky, letectví a dalších oborů.
Ideální pro monitoring vibrací
Piezoelektrické materiály generují napětí v reakci na namáhání, vibrace a další vnější zdroje. Mezi vhodné aplikace patří mikrofony a senzory napětí, které monitorují roztahování nebo smršťování objektu využitím generování elektrického náboje piezoelektrického materiálu při deformaci a nacházejí uplatněné např. při monitorování mostních konstrukcí, budov nebo srdečního tepu, svalových kontrakcí apod.
Dva hlavní dosud používané piezoelektrické materiály mají určité nevýhody. Prvním je polyvinylidenfluorid (PVDF), který však při 120 °C ztrácí svou polarizační strukturu, jež je nezbytná pro piezoelektřinu. Při této teplotě se polarizační domény srovnají ve stejném směru, takže jeho maximální provozní teplota je asi 80 °C. Druhým je zirkoničitan titaničitý olovnatý (PZT), který, přestože je vysoce piezoelektrický, je tvrdý a křehký, takže je obtížné jej montovat na složité tvary nebo velké plochy.
Novinka hraje podle výrobce významnou roli zejména v oblasti technologie monitorování vibrací, umožňující nepřetržitě monitorovat mechanické i strukturální vibrace, aby bylo možné rychle detekovat abnormality nebo známky poškození, např. k preventivní údržbě, bezobslužnému provozu budov a dalších konstrukcí a infrastruktury, jako jsou větrné turbíny apod.
Poptávka po senzorech pro detekci a monitorování vibrací se v posledních letech rozšířila do oblastí, jako je mobilita, průmyslové stroje, robotika a letectví. Automobilky např. zkoumají aktivní potlačení hluku z vozovky (generováním vibrací s inverzními fázovými průběhy, které tyto zdroje hluku ruší, což však vyžaduje okamžitě a komplexně detekovat a analyzovat vibrace, aby bylo možné přesně generovat inverzní fázové vlny). Výrobci robotiky zase zvažují detekci vibrací pro haptickou zpětnou vazbu. Výrobci průmyslových strojů se zabývají nepřetržitým monitorováním vibrací, aby mohli díky tomu včas detekovat anomálie. To platí i pro oblast letectví.
Tyto vyjmenované oblasti vyžadují senzory umístěné na velkých plochách, aby dokázaly přesně zachytit vibrace v rozsáhlých oblastech. Aplikace v blízkosti motorů, ve vesmírném prostředí a na potrubních systémech pro přenos tepla vyžadují, aby piezoelektrické materiály fungovaly při teplotách nad 100 °C v horkém okolním prostředí.
Stabilní i při extrémních teplotách
Společnost Toray inovovala svůj piezoelektrický polymer s využitím jeho molekulárního designu a technologie strukturální kontroly vyššího řádu, což je uspořádání polymerních řetězců, které i v rámci stejného polymerního materiálu ovlivňuje celkové vlastnosti materiálu. U piezoelektrických polymerních materiálů jde o uspořádání polymerních řetězců tak, aby jejich polarizace směřovala ve stejném směru, čímž zlepšuje jejich piezoelektrické vlastnosti. Nový materiál si zachovává svou polarizační strukturu i při teplotě nad 200 °C, což zajišťuje stabilní detekci v horkém prostředí, kde je např. použití polyvinylidenfluoridu nemožné.
Nově vyvinutý polymer je k dispozici jako lak, fólie nebo netkaná textilie pro použití se senzory složitých tvarů nebo velkých ploch. Jeho další významnou výhodou je, že neobsahuje olovo ani fluor a splňuje směrnici o omezení nebezpečných látek a předpisy pro perfluoralkylové a polyfluoralkylové látky.
Toray se zaměřuje na praktické aplikace tohoto materiálu, které by bylo možné využít už v nadcházejících letech (firma zmiňuje horizont od roku 2028). Aby mohla rozvíjet a rozšiřovat potenciální aplikace, vyhodnocuje vzorky zákazníků a poskytuje jim svá data.
Tomáš Machoň
Foto: Toray Industries
27
