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.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Sinonimi Un pò meno di „Molto intelligente“ Wise Intelligent Clever Smart A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Livelli di complessità Ordine crescente Materiali intelligenti Dispositivi intelligenti Sistemi intelligenti Strutture intelligenti A.A.2001-2002 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.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Modifiche subite Comportamento classico Cambiamento di proprietà intrinseche (Viscosità, resistenza elettrica,costante dielettrica ect.) A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Campi di forze coinvolti A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Campo elettrico Sommario Piezoelettrici Effetto piezoelettrico Struttura Produzione Elettrostrittori Caratteristiche Confronto A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Effetto piezoelettrico Diretto Inverso A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Effetto piezoelettrico Diretto Generatori Sensori Inverso Attuatori A.A.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Diagramma PZT A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Inconvenienti Depolarizzazione Invecchiamento Isteresi A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Processi di produzione Prima della formatura Sintesi delle polveri Ottenimento della fase perovskitica A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Processi di produzione Formatura per colaggio su nastro A.A.2001-2002 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 A.A.2001-2002 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 A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Elettrostrittori Struttura Perovskitica Simmetria anche sotto Tc A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Transizione di fase A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Caratteristiche Non linearità Deformazione unilaterale (non bipolarismo) A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Confronto (1) Confronto tra la relazione campo applicato-deformazione A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Linearizzazione A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Linearizzazione S33 = S0 + S33 Termine costante S0 termine lineare S33 A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Confronto(2) Isteresi-Temperatura Espansione-Temperatura A.A.2001-2002 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.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Meccanismo Reticoli cristallini Austenite CFC Martensite BCC o BCT A.A.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 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.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Fenomeno Magnetostrittivo Macroscopicamente Espanzione delle pareti dei domini Rotazione dei domini A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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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.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Confronto qualitativo A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Confronto quantitativo Def A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Confronto Sforzo-deformazione Grandi Sforzi e deformazioni Grandi Sforzi Grandi Deformazioni A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Confronto Max ()-Max.frequenza guida Importanza dell’inerzia del materiale A.A.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Compositi piezoelettrici Vernici piezoelettriche AFC,Fibre Attive Composite A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

AFC compositi di fibre attive Struttura ospite Strato sensore Strato attivo A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Realizzazione manuale del composito 10 sequenze della realizzazione del composito in fibra attiva A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Applicazioni A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Motore ultrasonico A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici Motore ultrasonico Assemblaggio Misura performance A.A.2001-2002 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.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Controllo Attivo dell’elica Del Rotore Attuazione integrale: integral twist design Utilizzo dell’AFC A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Controllo Attivo dell’elica Del Rotore integral twist design A.A.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

Controllo Attivo dell’elica Del Rotore 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.2001-2002 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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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.2001-2002 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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