CoverLogo (44)

วัสดุเพียโซอิเล็กทริก-เซรามิกเก็บเกี่ยวพลังงานไร้สารตะกั่ว

พลังงานที่อยู่ตามธรรมชาติล้วนมีความสำคัญต่อการพัฒนาเทคโนโลยีด้านพลังงานเพื่อนำพลังงานธรรมชาติมาใช้ให้เกิดประโยชน์ ไม่ว่าจะเป็น พลังงานน้ำ พลังงานลม พลังงานแสงอาทิตย์ เป็นต้น ซึ่งการเก็บเกี่ยวพลังงานจากธรรมชาตินี้ ก็เปรียบเสมือนการเก็บเกี่ยวข้าว เพื่อที่ว่าหลังเก็บเกี่ยวข้าวเหล่านั้นจะก่อให้เกิดประโยชน์ต่อการดำเนินชีวิตของมนุษย์ให้มากที่สุด เช่นเดียวกัน งานวิจัยนี้ที่ได้พัฒนาวัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่เก็บเกี่ยวพลังงานจากการสั่น มาเป็นพลังงานไฟฟ้าให้เราได้ใช้กัน ร่วมค้นหาเกร็ดความรู้ กระบวนการพัฒนาตัวเก็บเกี่ยวพลังงานที่ทำได้ง่ายที่สุดกันจากบทความนี้

รู้จักวัสดุเพียโซอิเล็กทริก และประเด็นศึกษา

วัสดุเพียโซอิเล็กทริกถือว่าเป็นวัสดุที่สำคัญต่อวงการอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า และเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกลหรือการสั่นได้อีกด้วย วัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่นิยมใช้กันมากในปัจจุบัน คือ เซรามิกในกลุ่ม PZT หรือกลุ่ม PMN เนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์เพียโซอิเล็กทริกที่สูง วัสดุกลุ่มนี้มักก่อให้เกิดปัญหาต่างๆมากมาย ทั้งในกระบวนการผลิตและการใช้งาน เพราะมีออกไซด์ของสารตะกั่วเป็นองค์ประกอบ เป็นพิษต่อร่างกายมนุษย์และสิ่งแวดล้อม จึงต้องมีการวิจัยและพัฒนาในส่วนของเซรามิกเพียโซอิเล็กทริกให้ปลอดจากสารตะกั่ว ซึ่งเซรามิกที่กำลังเป็นที่จับตาและมีความเป็นไปได้ที่จะสามารถนำมาทดแทนการใช้เซรามิกที่มีตะกั่วเป็นองค์ประกอบหลัก คือ สารกลุ่มแบเรียมแคลเซียมเซอร์โคเนตไทเทเนต หรืออาจเรียกว่า สารกลุ่ม BCZT เนื่องจากโครงสร้างของเซรามิก BCZT มีลักษณะเป็นแบบเพอรอฟสไกด์ มีการเปลี่ยนแปลงระบบผลึกตามอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไป โดยระบบผลึกของ BCZT จะเป็นเฟสอยู่ระหว่างออร์โธรอมบิกและเตตระโกนอลที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งถือว่าเป็นโครงสร้างที่ไม่สมมาตรและก่อให้เกิดสมบัติทางเพียโซอิเล็กทริกที่ดีที่สุด นอกจากนี้ยังพบอีกว่าการเติมสารเจือบางชนิดลงไปในเซรามิก เช่น CuO MnO2 CeO2 หรือ SnO2 จะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางไฟฟ้าโดยเฉพาะสมบัติเพียโซอิเล็กทริกของเซรามิก BCZT ให้ดีขึ้นอีกด้วย

จากข้อมูลข้างต้น งานวิจัยนี้ได้เลือกเซรามิกไร้สารตะกั่วที่มีความเหมาะสมที่จะนำมาใช้เป็นวัสดุเพียโซอิเล็กทริกต้นแบบ ทดแทนวัสดุในกลุ่มที่มีตะกั่วเป็นองค์ประกอบ เพื่อการพัฒนาและนำไปประยุกต์ใช้ในการเก็บเกี่ยวพลังงานต่อไป คือ เซรามิกกลุ่ม BCZT ในระบบ Ba0.85Ca0.15Zr 0.1Ti0.9O3 และเซรามิกกลุ่ม BCTS ในระบบ Ba0.9Ca0.1Ti 0.94Sn0.06O3

การปรับเปลี่ยนประสิทธิภาพของเพียโซอิเล็กทริก

• ผลของอัตราส่วน โดยในงานวิจัยนี้ทำการเตรียมเซรามิกเพียโซอิเล็กทริกไร้สารตะกั่วในระบบทวิภาค BCZT-BCTS ด้วยวิธีการผสมแบบออกไซด์และปฏิกิริยาสถานะของแข็งแบบดั้งเดิม โดยได้ทำการศึกษา (1-x)BCZT–xBCTS ที่ อัตราส่วนต่าง ๆ ตั้งแต่ x = 0.00 ถึง x = 0.10 โมล พบว่า
o ชิ้นงานเซรามิกในทุกๆอัตราส่วน มีรูปแบบการเลี้ยวเบนของรังสีเอ็กซ์ ที่เหมือนกันคือ เป็นเฟสเดี่ยวที่มีโครงสร้างผลึกแบบเตตระโกนอล(Tetragonal Structure) แสดงให้เห็นถึงการเข้าไปอยู่รวมกันของเฟส BCZT และเฟส BCTS ได้อย่างสมบูรณ์ จากการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานเซรามิกในระบบทวิภาค BCZT–BCTS
o พบว่าอัตราส่วนของ BCTS ที่เจือเข้าไปมีผลต่อขนาดและรูปร่างของเกรนในชิ้นงานเซรามิก คือ รูปร่างของเกรนแบบเหลี่ยมมุมจะมีแนวโน้มเป็นเกรนที่กลมเพิ่มมากขึ้นส่งผลให้วัสดุมีความแข็งแรงขึ้น และจะมีขนาดเกรนที่ลดลงเล็กน้อยส่งผลให้วัสดุมีความยืดหยุ่นขึ้นเล็กน้อย ตามอัตราส่วนของ BCTS ที่เจือเข้าไปในปริมาณที่มากขึ้น


• ผลของอุณหภูมิ พบว่า การมี BCTS อยู่ในองค์ประกอบที่สูงขึ้น จะให้ผลดีต่อการลดอุณหภูมิเผาซินเตอร์ (เผาผนึก) ของเซรามิกลง ซึ่งเป็นข้อดีในการลดปริมาณพลังงานที่ใช้ในกระบวนการผลิตเซรามิกอีกทางหนึ่ง
• ผลของความถี่ในการวัดที่แตกต่างกัน ณ อุณหภูมิห้อง ดังแสดงในรูปที่2.1 จะพบว่าเมื่อใช้ความถี่ที่สูงขึ้นจะได้รับค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่สูงแต่จะได้รับค่าการสูญเสียไดอิเล็กทริกที่สูงเช่นกัน ซึ่งแสดงถึงคุณสมบัติไดอิเล็กทริกที่ยังไม่สูงมากนัก (การเพิ่มค่าคงที่ไดอิเล็กทริกช่วยในเรื่องการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าที่ดี แต่ค่าการสูญเสียไดอิเล็กทริก หมายถึงเกิดการสูญเสียพลังงานระหว่างกักเก็บสูงขึ้น)

ผลสรุปจากงานวิจัยนี้

งานวิจัยนี้ได้ค้นพบ อัตราส่วนของ BCZT–BCTS ที่เหมาะสมคือ 0.9BCZT–0.1BCTS ให้ข้อดีในเรื่องของการใช้พลังงานในการผลิตเซรามิกที่น้อยลง วัสดุมีความแข็งแรงและมีความยืดหยุ่นที่เหมาะสมต่อการนำไปใช้งาน แต่ยังคงมีข้อด้อยในเรื่องของสมบัติไดอิเล็กทริกและสมบัติเฟอร์โรอิเล็กทริกของชิ้นงาน ที่ยังไม่สูงมากนัก และเกิดการสูญเสียพลังงานในระหว่างการกักเก็บพลังงานภายในวัสดุเพียโซอิเล็กทริก
อย่างไรก็ตามด้วยนวัตกรรมใหม่ “วัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่ไร้สารตะกั่ว” ที่เป็นมิตรต่อร่างกายมนุษย์และสิ่งแวดล้อม หากได้รับการต่อยอดเพิ่มเติมในอนาคตให้สามารถกักเก็บพลังงานได้มากขึ้น ลดการสูญเสียพลังงานได้ดีขึ้น ซึ่งวัสดุชนิดนี้จะกลายเป็นแนวทางนำไปสู่การพัฒนาเซรามิกและประยุกต์ใช้สำหรับเป็นตัวเก็บเกี่ยวพลังงานทั้งขนาดเล็กและขนาดใหญ่ต่อไป ในอนาคตเราอาจจะได้เห็นวัสดุชนิดนี้ถูกนำมาใช้งานกับชีวิตประจำวันของเรา หรือในอุตสาหกรรมมากขึ้น เพื่อแปรเปลี่ยนพลังงานในการเคลื่อนไหว หรือพลังงานในการสั่นเป็นพลังงานไฟฟ้าที่จะช่วยเราและโลกในการประหยัดการใช้พลังงานลงได้อย่างแน่นอน

อ้างอิงข้อมูลจาก

โครงการวิจัย “การพัฒนาเซรามิกเพียโซอิเล็กทริกไร้สารตะกั่วชนิด BCZT ด้วยการเจือสาร BCTS สำหรับการประยุกต์ใช้ในการเก็บเกี่ยวพลังงาน”

หัวหน้าโครงการ : ภูรพิฒัน์ กันธา
สนับสนุนโดย : สำนักงานคณะกรรมการส่งเสริมวิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (สกสว.)

เรียบเรียง ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์
กราฟิก ไพรินทร์ ตันติวิชยานนท์

 

 

00:00
00:00
Empty Playlist