Керамика-генератор: электричество из вибраций

Инновационная керамика улавливает энергию от вибраций

Потенциал энергии, скрытой в вибрациях от повседневных действий, огромен. Шаги на танцполе, работа тренажеров, движение автомобилей и самолетов – всё это источники потерянной энергии. Уже существуют технологии, использующие пьезоэлектрические керамические материалы для преобразования вибраций в электричество, питая освещение или заряжая батареи.

Новые горизонты в материаловедении

Исследователи из Пенсильванского университета совершили прорыв, улучшив структуру и химический состав пьезоэлектрического материала на основе ниобата калия-натрия (KNN). Полученные образцы керамики отличаются повышенной термической стабильностью, стойкостью к усталости и сниженной плотностью, при этом демонстрируя производительность, сравнимую с традиционными свинцовыми аналогами.

Замена токсичным материалам

Эти разработки могут способствовать отказу от использования токсичных свинцовых материалов в пьезоэлектронике. "Механические вибрации повсюду, их генерируют люди и техника", – отмечает Аман Нанда, ведущий автор исследования. "Мы можем размещать генераторы энергии под танцполами, в коридорах, под мостами и парковками. Благодаря лёгкости нашего KNN-материала, его можно интегрировать даже в конструкцию самолетов, где раньше это было невозможно из-за веса свинцовых аналогов, собирая энергию даже на больших высотах".

Принцип работы и оптимизация

Генераторы энергии обычно имеют консольную конструкцию. Поскольку керамика хрупка, её применение требует особого подхода и проектирования для защиты от механических нагрузок. При нажатии или вибрации такая конструкция генерирует электричество за счёт пьезоэлектрического эффекта, преобразующего механическую энергию в электрическую.

Для создания более лёгкой и безопасной альтернативы свинцовым материалам, учёные последовательно модифицировали структуру и химию KNN. В состав был добавлен марганец, а затем путём термической обработки удалось контролировать рост зерен (размер отдельных кристаллов в микроструктуре).

Контролируемый рост зерен для лучшей производительности

"Мы оптимизировали материал, добавляя специфические элементы для улучшения его свойств", – поясняет Майк Ланаган, один из руководителей проекта. "Химия этих материалов известна давно, но Аман проделал огромную работу по её усовершенствованию, изменяя состав и методы синтеза, экспериментируя с различными режимами термообработки и структурами".

Вместо случайного роста зерен во всех направлениях, исследователи добились униidirectional grain growth (однонаправленного роста зерен) с помощью температурного режима и специальных методов изготовления. "При оптимальной температуре синтеза мы достигли однонаправленного роста зерен", – говорит Нанда. "Это привело к улучшению функциональных характеристик, таких как механическая прочность и ударная вязкость, в направлении выравнивания зерен, а также к усилению пьезоэлектрического отклика".

Конкурентоспособность и перспективы

По словам исследователей, это первый бессвинцовый пьезоэлектрический материал, демонстрирующий производительность, сравнимую со свинцовыми аналогами. Лабораторные испытания показали, что улучшенный KNN-материал генерирует примерно столько же энергии, сколько и обычный свинцовый материал при механических вибрациях.

В дальнейшем команда планирует исследовать другие области применения нового материала. Помимо сбора энергии, он может быть использован в датчиках веса, звуковых волн, положения, давления воздуха и света.

"Поскольку бессвинцовые материалы биосовместимы, наш новый KNN-материал открывает возможности для интеграции устройств на его основе в биомедицинские приложения, например, в самопитающиеся кардиостимуляторы или нейростимуляторы", – добавляет Бед Пудел, соавтор исследования.