Corso di Scienza e Tecn. dei materiali ceramici

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Uploaded: 2017-12-07T17:46:22+00:00
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Corso di Scienza e Tecn. dei materiali ceramici
“Smart Materials” Corso di Scienza e Tecn. dei materiali ceramici Docente: Dott.Antonio Licciulli Allievo: Manca Mirko 9M/1258 A.A Università degli studi di Lecce Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici
“Smart Materials” A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Sinonimi Un pò meno di „Molto intelligente“ Wise Intelligent Clever Smart A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Definizioni Materiale che all’applicazione di un campo di forze esterno risponde con il cambiamento di una o più sue proprietà. Geometrica Fisica A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Livelli di complessità
Ordine crescente Materiali intelligenti Dispositivi intelligenti Sistemi intelligenti Strutture intelligenti A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Ogni input genera un output Ogni stimolo è seguito da una risposta
Principio comune Ogni input genera un output Ogni stimolo è seguito da una risposta A.A Università degli studi di Lecce Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali

Tipi di classificazione
Carattere della risposta Attivo Reazione ponderata Passivo Reazioni di riflesso Modifiche subite Campi di forze coinvolti A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Modifiche subite Comportamento classico
Cambiamento di proprietà intrinseche (Viscosità, resistenza elettrica,costante dielettrica ect.) A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Campi di forze coinvolti

Campo elettrico Sommario Piezoelettrici Effetto piezoelettrico Struttura Produzione Elettrostrittori Caratteristiche Confronto A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Effetto piezoelettrico
Diretto Inverso A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Effetto piezoelettrico
Diretto Generatori Sensori Inverso Attuatori A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Struttura e proprietà Condizioni di polarizzazione: Piroelettricità Comparsa di cariche a riscaldamento Ferroelettricità Capacità di un cristallo di orientare il proprio dipolo nel senso del campo applicato A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Struttura e proprietà Struttura perovskitica Per T>Tc  Cubica Per T<Tc  Tetragonale Romboedrica Tc = temperatura di Curie Asimmetria indotta dalla polarizzazione A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Polarizzazione Si sottopone il ceramico ad elevati campi elettrici costringendo i domini a ruotare nella direzione desiderata, per ottenere una Polarizzazione netta accettabile il comportamento del materiale è descritto da relazioni costitutive lineari: D = spostamento elettrico T = sforzo E = campo elettrico S = deformazione A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Rotazione Domini Tecnica di polarizzazione: Forti campi elettrici Non tutti i domini riescono ad orientarsi allo stesso modo A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Tecniche di polarizzazione
Ci sono due modi per ottenere una polarizzazione q Applicazione di un forte campo elettrico e una bassa temperatura (3KV/mm conT=120°C). q Applicazione di una temperatura alta e un campo elettrico basso (40V/mm per 5 minuti a T=380°C). A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Diagramma PZT A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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) d15 g15 d g33 d g31 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Inconvenienti Depolarizzazione Invecchiamento Isteresi A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Processi di produzione
Prima della formatura Sintesi delle polveri Ottenimento della fase perovskitica A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Formatura per colaggio su nastro A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Dopo la Formatura Metallizzazione (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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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). A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Elettrostrittori Struttura Perovskitica Simmetria anche sotto Tc A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Transizione di fase A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Caratteristiche Non linearità Deformazione unilaterale (non bipolarismo) A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Caratteristiche Stretta isteresi (3%) Capacotà elettrica 4-5 volte >dei PZT Funzionano anche sopra la Tc Non sono polarizzati A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Confronto (1) Confronto tra la relazione campo applicato-deformazione A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Linearizzazione A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Linearizzazione S33 = S0 + S33 Termine costante S0 termine lineare S33 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Confronto(2) Isteresi-Temperatura Espansione-Temperatura A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Attivazione Termica (SMA)
Materiali termicamente attivati Leghe a Memoria di Forma Prima osservazione nel 1951:lega Au-Cd Lega più usata nelle applicazioni: Nitilon (Nichel-Titanio) Deformazione dovuta alle transizioni: Martensite Austenite A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Trasformazione martensitica: cenni teorici
Due fasi cristalline Martensite (a¢ ) Austenite (  ) La trasformazione è di tipo non diffusivo Aandamento dell’energia interna dell’austenite e della martensite Martensite Austenite A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Definizioni TEQ =temperatura di equilibrio alla quale G=0 DT = 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Meccanismo Deformazione plastica nell’austenite causata dalla trasformazione in martensite. Formazione dell’habit plane sul quale nuclea la martensite A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Meccanismo Reticoli cristallini Austenite CFC Martensite BCC o BCT A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Ciclo d’isteresi che si sviluppa con la trasformazione martensitica
Meccanismo Ciclo d’isteresi che si sviluppa con la trasformazione martensitica Andamento degli sforzi di taglio con la temperatura A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Meccanismo b) twinning slip Figura .6 Irreversibile Ho la rottura dei legami Reversibile Non ho la rottura dei legami A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Meccanismo La 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Campi Magnetici Fenomeno Magnetostrizione Materiali Terfenolo-D Leghe magnetiche a memoria di forma Materiali Magnetoreologici A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Fenomeno Magnetostrittivo
Macroscopicamente Espanzione delle pareti dei domini Rotazione dei domini A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Terfenol-D Il 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Magnetostrizione anisotropa
Diagramma deformazione- Campo H 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Leghe Ferromagnetiche a Memoria di Figura (FSMA)
Collasso Come SMA ma attivate magneticamente Deformazioni del 6% Maggiore risposta di frequenza (attuazione veloce) Funzionano solo in fase martensitica Meccanismo di twinning Allungamento A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Confronto qualitativo

Confronto quantitativo
Def A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Confronto Sforzo-deformazione
Grandi Sforzi e deformazioni Grandi Sforzi Grandi Deformazioni A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Confronto Max ()-Max.frequenza guida
Importanza dell’inerzia del materiale A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Materiali Magneto ed elettro-reologici
All’applicazione dei relativi campi rispondono con un cambiamento della viscosità A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Compositi piezoelettrici
Vernici piezoelettriche AFC,Fibre Attive Composite A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

AFC compositi di fibre attive
Struttura ospite Strato sensore Strato attivo A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Realizzazione manuale del composito
10 sequenze della realizzazione del composito in fibra attiva A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Applicazioni A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Attuatori ceramici Tipi di motori (generatori): Due strati Multistrato Bending Motor, "S" configuration, cantilever mount Bending Motor, simple beam mount Multi-layer motor A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Motore ultrasonico A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Motore ultrasonico Motore ultrasonico rotante per il controllo dei movimenti del Robot manipolatore JPL Micro Lander Motore a due facce Parte rotante: Rotore Rondelle piezoelettriche PZT-4, Disco dentato- di acciaio inossidabile albero. A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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. A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Motore ultrasonico Assemblaggio Misura performance A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Attuazione integrale: integral twist design Utilizzo dell’AFC A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

integral twist design A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Attuazione “Discrete flap” Descrizione Attuatore Attuatore attivato Attuatore inattivo Momento Piezoelectrico d Spostamento lineare senza rotazioni piezoelettrico polarizzato positivamente piezoelettrico polarizzato negativamente Strato precompresso A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Controllo Attivo dell’elica del Rotore
Attuazione “Discrete flap” Descrizione applicazione 123 mm 23 mm Output Profondità = 13 mm aleggio al 10 %c Perno in acciaio del deflettore Corda in kevlar Fermi regolabili Attuatore ricurvo Butt-joint in fibra di vetro rinforzata A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Considerazioni Presente 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 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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? A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Bibliografia A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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