“ smart materials ”
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“ Smart Materials ”. Corso di Scienza e Tecn. dei materiali ceramici Docente: Dott.Antonio Licciulli Allievo: Manca Mirko 9M/1258. “ Smart Materials ”. Introduzione agli “Smart Materials”. Cosa sono i materiali intelligenti? “materia inanimata”, Che tipo di intelligenza hanno? - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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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
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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"
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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
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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
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Materiali Ceramici
Sinonimi
Un pò meno di
„Molto intelligente“
SmartClever
IntelligentIntelligent
WiseWise
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Materiali Ceramici
Definizioni
Materiale che all’applicazione di un campo di forze esterno risponde con il cambiamento di una o più sue proprietà.
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Materiali Ceramici
Livelli di complessità
Ordine crescenteMateriali intelligenti Dispositivi intelligentiSistemi intelligentiStrutture intelligenti
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Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali
Principio comune
Ogni input genera un output
Ogni stimolo è seguito da
una risposta
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Materiali Ceramici
Tipi di classificazione
Carattere della risposta AttivoAttivo
Reazione ponderata PassivoPassivo
Reazioni di riflesso
Modifiche subite
Campi di forze coinvoltiCampi di forze coinvolti
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Materiali Ceramici
Modifiche subiteComportamento classico
Cambiamento di proprietà intrinseche(Viscosità, resistenza elettrica,costante dielettrica ect.)
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Materiali Ceramici
Campi di forze coinvolti
Piezoelettrici Elettrostrittori
CampoElettrico
SM A
CampoTermico
M agnetostrittori M agnetoreologici
CampoMagnetico
MaterialiAttivi
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Materiali Ceramici
Campo elettrico
Sommario Piezoelettrici
Effetto piezoelettrico Struttura Produzione
Elettrostrittori Caratteristiche
Confronto
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Materiali Ceramici
Effetto piezoelettrico
Diretto
Inverso
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Materiali Ceramici
Effetto piezoelettrico
DirettoGeneratoriSensori
InversoAttuatori
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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
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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
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Materiali Ceramici
Struttura e proprietà
Struttura perovskiticaPer T>Tc
CubicaPer T<Tc
Tetragonale Romboedrica
Tc = temperatura di Curie
Asimmetria indotta dalla polarizzazione
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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
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Materiali Ceramici
Inconvenienti
Depolarizzazione
Invecchiamento
Isteresi
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Materiali Ceramici
Processi di produzione
Prima della formatura
Sintesi delle polveri Ottenimento della
fase perovskitica
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Materiali Ceramici
Processi di produzione
Formatura per colaggio su nastro
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Materiali Ceramici
Processi di produzione
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
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Materiali Ceramici
Processi di produzione
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
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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
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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).
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Materiali Ceramici
Elettrostrittori
Struttura Perovskitica
Simmetria anche sotto Tc
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Materiali Ceramici
Transizione di fase
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Materiali Ceramici
Caratteristiche
Non linearità
Deformazione unilaterale (non bipolarismo)
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Materiali Ceramici
Caratteristiche
Stretta isteresi (3%)
Capacotà elettrica 4-5 volte >dei PZT
Funzionano anche sopra la Tc
Non sono polarizzati
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Materiali Ceramici
Confronto (1)
Confronto tra la relazione campo applicato-deformazione
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Materiali Ceramici
Linearizzazione
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Materiali Ceramici
Linearizzazione
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Materiali Ceramici
LinearizzazioneS33 = S0 + S33
Termine costante S0
termine lineare S33
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Materiali Ceramici
Confronto(2)
Isteresi-Temperatura Espansione-Temperatura
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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
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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
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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
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Materiali Ceramici
Deformazione plastica nell’austenite causata dalla trasformazione in martensite.
Meccanismo
Formazione dell’habit plane sul quale nuclea la martensite
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Materiali Ceramici
Meccanismo
Reticoli cristallini Austenite CFC Martensite BCC o BCT
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Materiali Ceramici
Meccanismo
Andamento degli sforzi di taglio con la temperatura
Ciclo d’isteresi che si sviluppa con la trasformazione martensitica
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Materiali Ceramici
Meccanismo
b) twinning
slip
Figura .6
Irreversibile
Ho la rottura dei legami
Reversibile
Non ho la rottura dei legami
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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
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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
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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
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Materiali Ceramici
Campi Magnetici
Fenomeno Magnetostrizione
Materiali Terfenolo-D Leghe magnetiche a memoria di forma Materiali Magnetoreologici
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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
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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
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Materiali Ceramici
Fenomeno Magnetostrittivo
Macroscopicamente Espanzione delle
pareti dei domini Rotazione dei domini
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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
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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
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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
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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
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Materiali Ceramici
Confronto qualitativo
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Materiali Ceramici
Confronto quantitativo
Def
Def
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Materiali Ceramici
ConfrontoSforzo-deformazioneGrandi Sforzi
Grandi Deformazioni
Grandi Sforzi e deformazioni
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Materiali Ceramici
ConfrontoMax ()-Max.frequenza guida
Importanza dell’inerzia del materiale
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Materiali Ceramici
Materiali Magneto ed elettro-reologici
All’applicazione dei relativi campi rispondono con un cambiamento della viscosità
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Materiali Ceramici
Compositi piezoelettrici
Vernici piezoelettriche
AFC,Fibre Attive Composite
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Materiali Ceramici
AFC compositi di fibre
attive 1. Struttura ospite
2. Strato sensore
3. Strato attivo
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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
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Materiali Ceramici
Realizzazione manuale del composito
10 sequenze della realizzazione del composito in fibra attiva
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Materiali Ceramici
Applicazioni
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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
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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
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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
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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
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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
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Materiali Ceramici
Motore ultrasonico
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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.
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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.
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Motore ultrasonico
Assemblaggio Misura performance
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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
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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
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Controllo Attivo dell’elica Del Rotore
Attuazione integrale: integral twist design Utilizzo dell’AFC
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Materiali Ceramici
Controllo Attivo dell’elica Del Rotore
integral twist design
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Materiali Ceramici
Controllo Attivo dell’elica Del Rotore
Attuazione “Discrete flap” Descrizione Attuatore
Attuatore inattivo Attuatore attivato
Momento Piezoelectrico
d
Spostamento lineare senza rotazioni
piezoelettrico polarizzato positivamente
piezoelettrico polarizzato negativamente
Strato precompresso
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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
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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
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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?
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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