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Materiali AvanzatiII parte
Lezioni d'Autoredi Giorgio Benedetti
GLI SMART MATERIALS
Sono materiali che rispondono a stimoli ambientalimodificando le proprie caratteristiche fisiche, comedimensione, forma, conducibilità elettrica omagnetica, proprietà ottiche.
Gli smart materials (SM) rispondono moltovelocemente alle variazioni dell’ambiente, spesso inmillesimi o milionesimi di secondo
Input, stimolo Output, risposta
Smart material
SM
STRUTTURE INTELLIGENTI
Uno smart system o smart structure è una strutturaintelligente in grado di monitorare l’ambiente operativo,di raccogliere informazioni ed interpretarle, dandorisposte appropriate ai cambiamenti che intervengononell’ambiente stesso.
Il sensore è uno SM cherileva una variazionenell’ambiente circostante.L’unità di controlloacquisisce ed elabora i dati edetermina che tipo divariazione deve avvenireinviando un segnale allostesso o ad un secondo SM,l’attuatore, che varia una opiù proprietà fisiche
TIPOLOGIE DI SMART MATERIAL
Gli smart material vengono usati in numeroseapplicazioni nelle produzioni industriali, nei sistemi diinfrastrutture civili, in biomeccanica e difesadell’ambiente.
Gli SM più comunemente impiegati sono:
Leghe con memoria di forma (SMA)
Ceramiche piezoelettriche
Materiali magnetostrittivi
Fluidi elettroreologici
Fluidi magnetoreologici
LEGHE A MEMORIA DI FORMA (SMA)
È una classe di materiali metallici dalleparticolari proprietà meccaniche. Sevengono scaldati dopo essere statideformati, ritornano alla forma iniziale,sono cioè capaci di subiretrasformazioni cristallografichereversibili, in funzione dello statotensionale e termico.
Durante il processo queste leghe sonoin grado di esercitare un'intensa forzache permette loro di fungere daattuatori.
I più comuni SMA utilizzati sono leghedi NiTi, CuZnAl, and CuAlNi
MECCANISMO DI FUNZIONAMENTO DI UNA SMA
Tutte le SMA esistono in due fasiconosciute come martensite (piùstabile a bassa temperatura) eaustenite (più stabile alle altetemperature).
Nella fase martensitica, ilmateriale è in grado disopportare un alto grado dideformazione senza tuttaviarompere i legami chimici.
In seguito a riscaldamento la lega si riarrangia nellastruttura cristallina iniziale e riassume quindi laconfigurazione e la forma rigida della austeniteindipendentemente dalla deformazione subita nella fasemartensite.
I MATERIALI PIEZOELETTRICI
La piezoelettricità è una caratteristica di alcuni cristalliche quando sono sottoposti a forze meccanichesviluppano cariche elettriche sulla loro superficie (effettopiezoelettrico diretto) e viceversa, si espandono o sicontraggono in risposta a una differenza di potenzialeapplicata (effetto piezoelettrico inverso).
Sulla base di questidue effetti sipossono costruiresia sensori (effettodiretto) che attuatori(effetto inverso).
EFFETTO PIEZOELETTRICO
La piezoelettricità si manifesta nei cristallinon dotati di centro di simmetria come ilquarzo.
In un reticolo cristallino simmetrico, ilbaricentro delle cariche positive e negativecoincidono e perciò non si manifesta alcunapolarizzazione.
Se il reticolo simmetrico viene sottoposto a due forzeopposte, la cella si deforma ma i baricentri delle carichecoincidono ancora determinando una polarizzazione nulla.
Se nel reticolo non c’è un centro di simmetria quando èpresente una deformazione i due baricentri delle carichenon coincidono più e si crea un dipolo.
Si perde la condizione di neutralità elettrica del materialee sulle facce del cristallo si crea un accumulo di caricaelettrica di segno opposto.
I MATERIALI PIEZOELETTRICI CERAMICI
Oggi si utilizzano ceramiche sinterizzate con strutturapolicristallina: Piombo Zirconato-Titanato (PZT)Piombo Titanato, Piombo Zirconato, Bario Titanato.
Questi materiali ceramici policristallini sono costituitida domini di Weiss orientati casualmente che nonmostrano proprietà piezoelettriche.
È necessario creare uno stato iniziale in cui i dipolisiano orientati nella stessa direzione sottoponendo ilmateriale ad un intenso campo elettrico (poling).
APPLICAZIONI DEI MATERIALI PIEZOELETTRICI
Altoparlanti acustici e ultrasonici (sounders, buzzers, beepers)
Sonde di profondità
Fish Finders
Sensori di vibrazioni
Attuatori
Sensori di shock
Gas Igniters
Remote Controls
Nebulizzatori
Pulitori ultrasonici
Sensori di tilt
MATERIALI MAGNETOSTRITTIVI
Il termine magnetostrizione descrive la tendenza dialcuni materiali a subire una variazione delle propriedimensioni in presenza di un campo magnetico.
Questo effetto fu descritto per la prima volta nel 1842dal fisico J. Joule.
Esposti a campi magnetici esterni, materialiferromagnetici come il cobalto, il ferro e le leghe dimodificano la loro lunghezza.
L’effetto magnetostrittivo, ΔL,è dovuto all’allineamento deidomini magnetici presenti nelmaterial a causa del campomagnetico esterno, H.
APPLICAZIONI DEI MATERIALI MAGNETOSTRITTIVI
Nelle leghe di ferro, nichel o cobalto l’effettomagnetostrittivo può generare allungamenti in unintervallo da 10 a 30 m/m.
Le leghe ferrose contenenti elementi delle terre rarecome il terbio (Tb) e il disprosio (Dy) presentanoeffetti magnetostrittivi fino a 2000 m/m (giant
magnetostrictive materials – GMM), come ad esempiola lega Terfenol-D
I materiali magnetostrittivi hanno trovato applicazionein meccanica, con le micropompe, in elettronica, con imicrointerruttori, e in biomedicina, con i microsensoridi pressione e i microviscosimetri.
FLUIDI ELETTROREOLOGICI E MAGNETOREOLOGICI
I fluidi magnetoreologici (MR) ed elettroreologici (ER)sono materiali che manifestano una variazione delcomportamento reologico quando soggettirispettivamente ad un campo magnetico o elettrico.
La variazione reologica è reversibile e termina quando ilcampo esterno è rimosso e può avvenire con tempi di
alcuni millisecondi.Rappresentazione schematicadel comportamento di unmateriale MR sotto influenzadi un campo magnetico. (a) inassenza di campo elettrico leparticelle sono distribuitecasualmente. (b) quando èapplicato un forte campoelettrico le particelle siallineano causando unavariazione della viscosità delfluido.
Apparato per riabilitazione del ginocchio che utilizza un fluido elettroreologico
APPLICAZIONI MATERIALI MR ED ER
I settori dove i materiali MR ed ER trovano applicazioni sono:
l’industria meccanica
smorzatori, deceleratori
l’industria automobilistica e aerospaziale
sospensioni, freni, frizioni
l’industria biomedicale
smorzatori per protesi
l’industria delle costruzioni
supporti antisismici
Pistone di una sospensione funzionante con un fluido MR
I NANOMATERIALI
Nanotecnologia è lo studio dei fenomeni e dellamanipolazione dei materiali a livello atomico emolecolare.
Sono definiti come nanomateriali quei materiali chehanno componenti strutturali con almeno unadimensione nell’intervallo 1-100 nm.
I due principali fattori che determinano le proprietàdei nanomateriali e che li rendono differenti daimateriali tradizionali sono: l’incremento relativodell’area superficiale e gli effetti quantistici.
A livello nanometrico, il materiale assume uncomportamento nuovo. Mentre la forza di gravità nonha praticamente nessuna importanza, divengonoimportanti le forze di van der Walls, le forze ditensione superficiale e tutte quelle forze cheinteressano l’atomo e le interazioni tra gli atomi.
TECNICHE PER LA MANIPOLAZIONE DEI NANOMATERIALI
Sono due gli approcci che si possonoutilizzare per realizzare nanomateriali:
metodo “top-down”
partendo da aggregati macroscopici eprocedendo verso il basso con riduzionedelle dimensioni e riordinamentisuccessivi
Metodo “bottom up”
partendo da piccoli componenti,normalmente molecole o aggregati dimolecole (building blocks) si cerca dicontrollarne l’autoassemblaggiosfruttando il riconoscimento molecolareper realizzare nanostrutture ordinate
TIPOLOGIE DI NANOMATERIALI
A seconda della dimensionalità si definiscono alcunetipologie tipiche dei nanomateriali.
Essi possono essere classificati sulla base del numerodi dimensioni che non sono confinate nel campo dellananoscala (<100 nm).
ESEMPI DI NANOMATERIALI: PUNTI QUANTICI (QD)
Sono aggregati nanocristallini, caratterizzati da unelevato rapporto superficie volume della dimensione di2-10 nm
Sono composti da metalli, come il selenio e cadmio,che contengono da 10 a 105 atomi con particolariproprietà elettriche, ottiche, magnetiche o catalitiche.
I punti quantici possonoessere progettati peremettere luce seeccitati ad unafrequenza che dipende,a parità di materiale,dalla dimensione e dallaforma.
Emissione di fluorescenza di QD CdSe di diversa dimensione
ESEMPI DI NANOMATERIALI: I NANOTUBI
I nanotubi sono strutture tubolari aventi un diametro deltubo che va da qualche nanometro a qualche decina dinanometri.
Possono essere costituiti di diversi materiali, come adesempio da carbonio, carburo di boro, solfuro di tungstenoo da molibdeno.
I nanotubi di carbonio (CNT) hanno diametro di circa 1 nme lunghezza anche di alcune centinaia di micron derivantidall’avvolgimento su se stesso di un foglio di grafite dispessore atomico.
Le applicazioni principali includonol’utilizzo dei CNT come emettitori dicampo, nanodispositivi elettronici edelettromeccanici, nanosensori, nanosondeper microscopi e nella produzione dimateriali compositi.
EFFETTO LOTO
I nanotubi possono disporsi aforesta, cioè in aggregati moltodensi di nanotubi allineativerticalmente.
Un materiale costituito da unaforesta di nanotubi addizionatacon politetrafluoroetilene (PTFE)per aumentarne l'idrofobicità è ingrado di produrre l'effettoautopulente (effetto loto).
L'idrofobicità del materiale nonlascia depositare l'acqua e lastruttura tridimensionale dellaforesta fa scivolare via tutte leparticelle di sporco
NANOMATERIALI ED AMBIENTE
La quantità di prodotti in commercio contenentinanomateriali è in notevole crescita.
L’utilizzo dei nanomateriali ha sollevato questioni circai loro potenziali effetti sulla salute e sull’ambiente.
La maggiore reattività chimica di questi materialiimplica, potenzialmente, una più accentuata attivitàbiologica.
Effetti positivi:
attività antiossidante, penetrazione delle barrierecellulari per il rilascio di farmaci
Effetti negativi:
tossicità, induzione di stress ossidativo o didisfunzione cellulare
FINE
