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A.A.2001-2002 Università degli studi di Lecce Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali “ Smart Materials ” Corso di Scienza e.

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1 A.A Università degli studi di Lecce Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali “ Smart Materials ” Corso di Scienza e Tecn. dei materiali ceramici Docente: Dott.Antonio Licciulli Allievo: Manca Mirko 9M/1258

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

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

4 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

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

6 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.

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

8 A.A Università 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

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

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

11 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Campi di forze coinvolti

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

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

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

15 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Materiali piezoelettrici Naturali: Quarzo, Tormalina, Sale Rochelle LiNbO 3, LiTaO 3,Langasite, Li 2 B 4 O 6, ZnO Dopo polarizzazione Piezoceramici (policristallini): BaTiO 3, PbTiO 3, PZT, PbNb 2 O 6 Piezocompositi (polimero-piezoceramico) Piezopolimeri: PVDF, copolimeri di TrFE e TeFE

16 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

17 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Struttura e proprietà Struttura perovskitica Per T>Tc  Cubica Per T

18 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

19 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

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

21 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Diagramma PZT

22 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Diagramma PZT

23 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Diagramma PZT

24 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 d33 g33 d31 g31

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

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

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

28 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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

29 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Processi di produzione 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

30 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

31 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).

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

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

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

35 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

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

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

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

39 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Linearizzazione S 33 = S 0 +  S 33 Termine costante S 0 termine lineare  S 33

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

41 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

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

43 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Definizioni T EQ = temperatura di equilibrio alla quale  G=0  T = sottoraffreddamento necessario alla trasformazione M S = Temperatura inizio Martensite M F = Temperatura fine Martensite A S = Temperatura inizio Austenite A F = Temperatura fine Austenite M D, A D = Temperature di trasformazione per deformazione

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

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

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

47 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

48 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

49 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 A F < M D

50 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

51 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

52 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

53 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

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

55 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Terfenol-D Composizione: (Tb 0.3 Dy 0.7 Fe 2 ) 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

56 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 T amb pronto a diventare tetragonale Il Terfenol-D è posizionato sul confine di fase romboedrico- tetragonale

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

58 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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 o per quale s > 0 e  < 0 Diagramma deformazione- Campo H

59 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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

60 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Confronto qualitativo

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

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

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

64 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

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

66 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici AFC compositi di fibre attive 1.Struttura ospite 2.Strato sensore 3.Strato attivo

67 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

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

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

70 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

71 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

72 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei 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

73 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

74 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

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

76 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.

77 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.

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

79 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

80 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

81 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Controllo Attivo dell’elica Del Rotore Attuazione integrale: integral twist design Utilizzo dell’AFC

82 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Controllo Attivo dell’elica Del Rotore integral twist design

83 A.A Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Controllo Attivo dell’elica Del Rotore Attuazione “Discrete flap” Descrizione Attuatore Attuatore inattivo Momento Piezoelectrico d Spostamento lineare senza rotazioni piezoelettrico polarizzato positivamente piezoelettrico polarizzato negativamente Strato precompresso

84 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 Outpu t 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

85 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

86 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?

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


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