“ Smart Materials ”

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

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

3. Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

4. 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 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

15. 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 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

16. 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 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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

18. d33 g33 d31 g31 d15 g15 Coefficicenti • dil 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) Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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

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

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

22. 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 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

23. 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 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

24. 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 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

25. 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). Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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

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

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

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

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

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

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

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

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

35. 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 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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

37. 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 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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

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

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

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

42. Meccanismo La deformazione per twinningè reversibile e può essere definita termoelastica. Applicando uno sforzo di taglio si mette in moto il bordo dei geminati ottenendo un meccanismo chiamatodetwinning Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

43. Categorie di SMA • Si parla di memoria di forma ad una viaOWSME (slip) • Si parla di effetto di memoria di forma a due vieTWSME(twinning) • Effetto dovuto al trattamento di ciclaggio termico forzato della martensite • Si parla di pseudoelasticità o superelasticità se la AF < MD Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

44. Applicazioni SMA • Accoppiatori per connessioni di fissaggio (Anelli Unilock) • Applicazioni biomediche • Attuatori • Dispositivi molla contromolla • Film sottili in Nitilon: Microbubble • Applicazioni di superelasticità Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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

46. Proprietà dei materiali magnetostrittivi • Trasformano l’energia magnetica in energia meccanica • Il campo magnetico induce sforzi interni • La deformazione è controllabile • Anisotropia magnetica Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

47. 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 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

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

49. 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 Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici

50. 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 sulconfine di fase romboedrico-tetragonale Corso di Scienza e Tecn. Dei Materiali Ceramici