“ Smart Materials ”

A.A.2001-2002Università degli studi di Lecce Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali

“Smart Materials”

Corso di Scienza e Tecn. dei materiali ceramiciDocente: Dott.Antonio Licciulli

Allievo: Manca Mirko 9M/1258

A.A.2001-2002Corso di Scienza e Tecn. Dei

Materiali Ceramici

“Smart Materials”M ater ial i intel l igenti

S udd ivis ionedei

M ateria li

C onfron to A pp licazion i C ons iderazion i

D efin izione

Intr o d uzio ne a g li " S m a r t M a te r ia ls"


Materiali Ceramici

M ater ial i intel l igenti

A ttiva P ass iva

C ara tteredella

R ispos ta

G eom etriche F is icheC h im iche

M od ificheS ub ite

E lettrico Term ico M agnetico

C am pi d i forze coinvolti

Tip i d i cla ss ificazione

S ud d iv is io ned e i

M a te r ia li


Materiali Ceramici

Introduzione agli “Smart Materials”

Cosa sono i materiali intelligenti?

“materia inanimata”,Che tipo di intelligenza hanno? Si adattano ai cambiamenti dell’ambiente Sentono ed Agiscono Sono capaci di imparare


Materiali Ceramici

Sinonimi

Un pò meno di

„Molto intelligente“

SmartClever

IntelligentIntelligent

WiseWise


Materiali Ceramici

Definizioni

Materiale che all’applicazione di un campo di forze esterno risponde con il cambiamento di una o più sue proprietà.


Materiali Ceramici

Livelli di complessità

Ordine crescenteMateriali intelligenti Dispositivi intelligentiSistemi intelligentiStrutture intelligenti

A.A.2001-2002Università degli studi di Lecce Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali

Principio comune

Ogni input genera un output

Ogni stimolo è seguito da

una risposta


Materiali Ceramici

Tipi di classificazione

Carattere della risposta AttivoAttivo

Reazione ponderata PassivoPassivo

Reazioni di riflesso

Modifiche subite

Campi di forze coinvoltiCampi di forze coinvolti


Materiali Ceramici

Modifiche subiteComportamento classico

Cambiamento di proprietà intrinseche(Viscosità, resistenza elettrica,costante dielettrica ect.)


Materiali Ceramici

Campi di forze coinvolti

Piezoelettrici Elettrostrittori

CampoElettrico

SM A

CampoTermico

M agnetostrittori M agnetoreologici

CampoMagnetico

MaterialiAttivi


Materiali Ceramici

Campo elettrico

Sommario Piezoelettrici

Effetto piezoelettrico Struttura Produzione

Elettrostrittori Caratteristiche

Confronto


Materiali Ceramici

Effetto piezoelettrico

Diretto

Inverso


Materiali Ceramici

Effetto piezoelettrico

DirettoGeneratoriSensori

InversoAttuatori


Materiali Ceramici

Materiali piezoelettrici

Naturali: Quarzo, Tormalina, Sale Rochelle LiNbO3,

LiTaO3,Langasite, Li2B4O6, ZnO

Dopo polarizzazione Piezoceramici (policristallini): BaTiO3, PbTiO3, PZT,

PbNb2O6 Piezocompositi (polimero-piezoceramico) Piezopolimeri: PVDF, copolimeri di TrFE e TeFE


Materiali Ceramici

Struttura e proprietà

Condizioni di polarizzazione:Piroelettricità

Comparsa di cariche a riscaldamentoFerroelettricità

Capacità di un cristallo di orientare il proprio dipolo nel senso del campo applicato


Materiali Ceramici

Struttura e proprietà

Struttura perovskiticaPer T>Tc

CubicaPer T<Tc

Tetragonale Romboedrica

Tc = temperatura di Curie

Asimmetria indotta dalla polarizzazione


Materiali Ceramici

Coefficicenti

d il coefficiente di deformazione rapporto tra

deformazione ottenuta e campo applicato (effetto diretto)

g il coefficiente di tensione rapporto tra campo

elettrico misurato e carico applicato (effetto inverso)

d15g15

d33 g33

d31 g31


Materiali Ceramici

Inconvenienti

Depolarizzazione

Invecchiamento

Isteresi


Materiali Ceramici

Processi di produzione

Prima della formatura

Sintesi delle polveri Ottenimento della

fase perovskitica


Materiali Ceramici


Formatura per colaggio su nastro


Materiali Ceramici


Tecnica sol gel per la produzione di film sottili di PZT soluzione omogenea stabile contenente, come

precursori dei cationi i loro composti metallo-organici.

processo sol-gel a base di soluzioni in acido acetico

processo è basato sul metossietanolo come solvente

Si evita l’utilizzo di solventi tossici


Materiali Ceramici


Dopo la FormaturaMetallizzazione (applicazione degli elettrodi alle facce)

mediante serigrafia sui campioni più resistenti

con la tecnica a pennello su quelli più sottili o fragili (porosità>50%)

Polarizzazione


Materiali Ceramici

Elettrostrittori

Cambiano dimensione quando gli si applica un campo elettrico

Producono una tensione se sono sottoposti ad uno stress

Non hanno un comportamento lineare

La temperatura ne influenza le proprietà


Materiali Ceramici

Elettrostrittori

Tipologie Ceramici elettrostrittivi composti da Piombo

(Pb), Magnesio (Mg), Niobato (Nb) e indicati con la sigla PMN.

Polimeri elettrostrittivi, films irradiati PVDF (Penn state), G-elastomer actuators NASA).


Materiali Ceramici

Elettrostrittori

Struttura Perovskitica

Simmetria anche sotto Tc


Materiali Ceramici

Transizione di fase


Materiali Ceramici

Caratteristiche

Non linearità

Deformazione unilaterale (non bipolarismo)


Materiali Ceramici

Caratteristiche

Stretta isteresi (3%)

Capacotà elettrica 4-5 volte >dei PZT

Funzionano anche sopra la Tc

Non sono polarizzati


Materiali Ceramici

Confronto (1)

Confronto tra la relazione campo applicato-deformazione


Materiali Ceramici

Linearizzazione


Materiali Ceramici

Linearizzazione


Materiali Ceramici

LinearizzazioneS33 = S0 + S33

Termine costante S0

termine lineare S33


Materiali Ceramici

Confronto(2)

Isteresi-Temperatura Espansione-Temperatura


Materiali Ceramici

Attivazione Termica(SMA)

Materiali termicamente attivatiLeghe a Memoria di Forma

Prima osservazione nel 1951:lega Au-CdLega più usata nelle applicazioni: Nitilon

(Nichel-Titanio)

Deformazione dovuta alle transizioni:

Martensite Austenite


Materiali Ceramici

Trasformazione Trasformazione martensitica: martensitica:

cenni teoricicenni teorici Due fasi cristallineMartensite () Austenite ( ) La trasformazione è di tipo

non diffusivo

Aandamento dell’energia interna dell’austenite e della martensite

Martensite

Austenite


Materiali Ceramici

Definizioni

TEQ =temperatura di equilibrio alla quale G=0

T = sottoraffreddamento necessario alla trasformazione

MS = Temperatura inizio Martensite

MF = Temperatura fine Martensite

AS = Temperatura inizio Austenite

AF = Temperatura fine Austenite

MD , AD= Temperature di trasformazione per deformazione


Materiali Ceramici

Deformazione plastica nell’austenite causata dalla trasformazione in martensite.

Meccanismo

Formazione dell’habit plane sul quale nuclea la martensite


Materiali Ceramici

Meccanismo

Reticoli cristallini Austenite CFC Martensite BCC o BCT


Materiali Ceramici

Meccanismo

Andamento degli sforzi di taglio con la temperatura

Ciclo d’isteresi che si sviluppa con la trasformazione martensitica


Materiali Ceramici

Meccanismo

b) twinning

slip

Figura .6

Irreversibile

Ho la rottura dei legami

Reversibile

Non ho la rottura dei legami


Materiali Ceramici

MeccanismoLa deformazione per twinning è reversibile e può essere definita termoelastica.

Applicando uno sforzo di taglio si mette in moto il bordo dei geminati ottenendo un meccanismo chiamato detwinning


Materiali Ceramici

Categorie di SMA

Si parla di memoria di forma ad una via OWSME (slip)

Si parla di effetto di memoria di forma a due vie TWSME (twinning) Effetto dovuto al trattamento di ciclaggio termico

forzato della martensite

Si parla di pseudoelasticità o superelasticità se la AF < MD


Materiali Ceramici

Applicazioni SMA

Accoppiatori per connessioni di fissaggio (Anelli Unilock)

Applicazioni biomediche

Attuatori Dispositivi molla contromolla Film sottili in Nitilon: Microbubble

Applicazioni di superelasticità


Materiali Ceramici

Campi Magnetici

Fenomeno Magnetostrizione

Materiali Terfenolo-D Leghe magnetiche a memoria di forma Materiali Magnetoreologici


Materiali Ceramici

Proprietà dei materiali magnetostrittivi

Trasformano l’energia magnetica in energia meccanica

Il campo magnetico induce sforzi interni

La deformazione è controllabile

Anisotropia magnetica


Materiali Ceramici

Fenomeno Magnetostrittivo

I domini magnetici interni sono ellittici

Il campo magnetico fa ruotare i cristalli all’interno del materiale

Le rotazioni causano lo sforzo e così l’elongazione


Materiali Ceramici

Fenomeno Magnetostrittivo

Macroscopicamente Espanzione delle

pareti dei domini Rotazione dei domini


Materiali Ceramici

Terfenol-D

Composizione: (Tb0.3Dy0.7Fe2 ) sviluppato 25 anni fa dalla marina U.S.A può essere applicato per un vasto range di

temperature, ha limiti di sforzo alti ciclo di vita illimitato tempi di reazione dei microsecondi


Materiali Ceramici

Terfenol-DIl diagramma di fase è l’equivalente magnetico dei PZT Cubico è paramagnetico a

temperature elevate Romboedrico sotto la Tc Instabile a Tamb pronto a

diventare tetragonale Il Terfenol-D è posizionato sul

confine di fase romboedrico-tetragonale


Materiali Ceramici

Magnetostrizione anisotropa

Comportamento anisotropo Anisotropia indotta da sforzo È più facile magnetizzare il

materiale nel senso di tensione di sforzo, e più difficile nel senso per cui s < 0 e > 0 o per quale

s > 0 e < 0

Diagramma deformazione-Campo H


Materiali Ceramici

Leghe Ferromagnetiche a Memoria di Figura (FSMA)

Come SMA ma attivate magneticamente Deformazioni del 6% Maggiore risposta di frequenza

(attuazione veloce) Funzionano solo in fase

martensitica Meccanismo di twinning

Allungamento

Collasso


Materiali Ceramici

Confronto qualitativo


Materiali Ceramici

Confronto quantitativo

Def

Def


Materiali Ceramici

ConfrontoSforzo-deformazioneGrandi Sforzi

Grandi Deformazioni

Grandi Sforzi e deformazioni


Materiali Ceramici

ConfrontoMax ()-Max.frequenza guida

Importanza dell’inerzia del materiale


Materiali Ceramici

Materiali Magneto ed elettro-reologici

All’applicazione dei relativi campi rispondono con un cambiamento della viscosità


Materiali Ceramici

Compositi piezoelettrici

Vernici piezoelettriche

AFC,Fibre Attive Composite


Materiali Ceramici

AFC compositi di fibre

attive 1. Struttura ospite

2. Strato sensore

3. Strato attivo


Materiali Ceramici

Strato attivo

Elettrodi, ottenuti per litografia

Matrice (resina epossidica + particelle di PZT 5H da 1 m)

Fibre PZT 5H diametro 130 m ottenute per estrusione continua


Materiali Ceramici

Realizzazione manuale del composito

10 sequenze della realizzazione del composito in fibra attiva


Materiali Ceramici

Applicazioni


Materiali Ceramici

Attuatori ceramici Multistrato richiedono bassi voltaggi, offrono una veloce risposta alte forze ed alte coppie

elettromeccaniche. Piccoli spostamenti, (10 micron)

Bimorfi generano grandi spostamenti di flessione forze basse e risposte lente

Moonie Caratteristiche intermedie tra i due


Materiali Ceramici

Attuatori ceramici

Tipi di motori (generatori): Uno strato

Due strati

Longitudinal (d33)

Motor Transverse (d31)

Motor, Contracting

2-Layer Transverse Motor, expanding lengthwise

Bending Motor, cantilever mount


Materiali Ceramici

Attuatori ceramici

Tipi di motori (generatori): Due strati

Multistrato

Bending Motor, simple beam mount

Bending Motor, "S" configuration,

cantilever mount

Multi-layer motor


Materiali Ceramici

Motore ultrasonico

Ad onda stazionaria Ha un’alta efficienza, ma manca di

controllo sia in senso orario che antiorario

Ad onda propagante Oltre all’onda stazionaria, ha

un’onda propagante sfasata di 90° Consente il controllo del senso

rotatorio


Materiali Ceramici

Motore ultrasonico

Qualità salienti Alta densità di coppia di

torsione Funzionamento silenzioso Auto-frenaggio Inerzia bassa, risposta

rapida Efficienza massima ad alta

coppia di torsione Campo magnetico

trascurabile La struttura semplice

promuove minaturizzazione

Applicazioni Commerciali Attuali

Obiettivi di auto-focus del Canon

Parti di orologi della Seiko

Applicazioni Potenziali Industria dell'automobile Automatismo Tecnologia di MEMS Missioni spaziali Formazione immagine di

risonanza magnetica Treni magnetici a

levitazione


Materiali Ceramici

Motore ultrasonico


Materiali Ceramici

Motore ultrasonico

Motore ultrasonico rotante per il controllo dei

movimenti del Robot manipolatore JPL Micro Lander Motore a due facceParte rotante: Rotore

Rondelle piezoelettriche PZT-4, Disco dentato- di acciaio inossidabile albero.


Materiali Ceramici

Motore ultrasonico

Principio di funzionamento

Ogni disco di PZT-4 è diviso in 18 parti uguali, ogni parte è polarizzata inversamente rispetto alla confinante. Si genera

un’onda che divide l’intera circonferenza in 9 periodii.


Materiali Ceramici

Motore ultrasonico

Assemblaggio Misura performance


Materiali Ceramici

Controllo delle vibrazioni

Tipologie di controllo Controllo passivo (smorzatori) Controllo attivo a potenza fornita Controllo attivo a potenza autofornita

Ammortizzatore astuto:

Multilayer piezoelettrici


Materiali Ceramici

Controllo Attivo dell’elica Del Rotore

Riduzione delle vibrazioni e del rumore sull’elica di un elicottero Cause:

Turbolenze Vibrazioni

Metodi Attuazione integrale Attuazione discreta


Materiali Ceramici


Attuazione integrale: integral twist design Utilizzo dell’AFC


Materiali Ceramici


integral twist design


Materiali Ceramici


Attuazione “Discrete flap” Descrizione Attuatore

Attuatore inattivo Attuatore attivato

Momento Piezoelectrico

d

Spostamento lineare senza rotazioni

piezoelettrico polarizzato positivamente

piezoelettrico polarizzato negativamente

Strato precompresso


Materiali Ceramici

Controllo Attivo dell’elica del Rotore

Attuazione “Discrete flap” Descrizione applicazione

123 mm

23 mmOutput

Profondità = 13 mm

aleggio al 10 %c Perno in acciaio del

deflettore

Corda in kevlar

Fermi regolabili

Attuatore ricurvoButt-joint in fibra di vetro rinforzata


Materiali Ceramici

ConsiderazioniPresente Nuove prospettive in tutti i

campi dell’ingegneria L’aumento delle prestazioni

sono alla portata dell’attuale tecnologia

Facile conversione dei risultati scientifici in economici.

Futuro Siamo pronti per essere

stupiti.

Liquido astuto sviluppato nei laboratori di tecnologia nel Michigan


Materiali Ceramici

Conclusione

Fino a che punto un materiale deve essere davvero considerato intelligente o semplicemente adattivo ?

Siamo pronti ad accogliere materiali che riescono a prendere la

giusta decisione morale?


Materiali Ceramici

Bibliografia

http://rclsgi.eng.ohio-state.edu/~gnwashin/ http://www.intellimat.com/ http://www.unm.edu/~amri/protect/ http://pubs.acs.org/hotartcl/chemech/99 http://www.mporzio.astro.it http://amsl-nt.mit.edu/labtour http://www.umr.edu/~piezo/MotorAnalysis http://www.kistler.ch

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