Materialy inteligentne smart material

2. Historia material�w inteligentnych W latach 80-tych XXw. pojawilo sie zainteresowanie materialami, kt�re zaczeto okreslac jako inteligentne. Aczkolwiek niekt�re grupy material�w inteligentnych byly znane i stosowane wczesniej. Wzrost oczekiwan projektant�w nowatorskich rozwiazan technicznych spowodowaly zainteresowanie sie r�znorodnymi materialami umozliwiajacymi realizacje koncepcji zaawansowanej techniki. Poczatek XXIw. to niezwykle duze zainteresowanie i olbrzymi rozw�j badan naukowych w obszarze material�w inteligentnych.

3. Wprowadzenie do systemu  inteligentnych material�w

4. Wizualna reprezentacja sprzezenia miedzy fizycznymi cechami

5. Czym jest material inteligentny ?

6. Podzial material�w inteligentnych a) materialy zmieniajace kolor: fotochromowe, termochromowe, elektrochromowe; b) materialy emitujace swiatlo: elektroluminescencyjne, fluoroscencyjne, fotoluminescencyjne, katodoluminescencyjne, termoluminescencyjne, radioluminescencyjne; c) materialy zmieniajace sw�j ksztalt lub wielkosc: polimery przewodzace, materialy elektrostrykcyjne, magnetostrykcyjne, piezoelektryczne, zele polimerowe, materialy z pamiecia ksztaltu; d) materialy zmieniajace temperature: materialy termoelektryczne ciecze zmieniajace swoja gestosc np.: ciecze magnetoreologiczne i elektroreologiczne; e) materialy samogrupujace sie; f) materialy samonaprawiajace sie.

7. MATERIALY FOTOCHROMOWE

8. MATERIALY TERMOCHROMOWE Naleza do grupy material�w inteligentnych zmieniajacych kolor. Substancje te wykazuja wlasnosc termochromizmu, czyli zdolnosc do odwracalnej zmiany kolor�w, pod wplywem zmiany temperatury ok. -15 do +250�C (z obustronnym poszerzeniem granic). Kazda substancja termochromowa powinna byc przechowywana w suchym i ciemnym miejscu. Wyr�zniamy 3 podstawowe grupy czynnik�w wplywajacych na termochromizm: a) r�znice w strukturze krystalicznej; b) stereoizometria; c) przesuniecia czasteczkowe zwiazk�w organicznych. Zastosowanie: - czujniki temperatury; - wskazniki zuzycia baterii, - elementy przyrzad�w do sprawdzania bezpiecznik�w; - powloki na kubki do kawy; - termostaty do zelazek; - farby i atramenty; - powloki na czajniki.

9. MATERIALY ELEKTROCHROMOWE Cecha charakterystyczna ich jest elektrochromizm czyli zdolnosc do odwracalnych zmian optycznych pod wplywem przeplywu elektron�w (pod wplywem dzialania pradu elektrycznego). Zmiany optyczne polegaja na widzialnej zmianie koloru; ; moze to byc przemiana z bezbarwnej substancji w kolor lub przemiana typu kolor - kolor. Zmiany moga zachodzic w materiale, kt�ry jest utleniony (ma niedob�r elektron�w) lub zredukowany nadmiar elektron�w).

10. MATERIALY ELEKTROLUMINESCENCYJNE Zaliczamy do grupy material�w emitujacych swiatlo. Elektroluminescencja jest unikatowa zdolnoscia niekt�rych substancji do emitowania swiatla, kiedy plynie przez nie prad. Przy emisji swiatla nie wydziela sie cieplo. Wszystkie substancje elektroluminescencyjne to materialy fotoluminescencyjne. Pod wplywem dzialania pola elektrycznego, elektrony i tzw. "dziury" przemieszczaja sie w kierunku przeciwstawnym. Zamiana miejsc pomiedzy elektronami a dziurami wywoluje wyzwolenie energii, co z kolei powoduje umieszczenie elektron�w w specjalnych zwiazkach (elektrolumofory). Relaksacja wzbudzonego stanu w elektrolumoforach powoduje emisje swiatla. Takie "urzadzenie" zdolne do emisji swiatla nazywamy LED lub OLED - jesli elektrolumofor jest zwiazkiem organicznym.

11. MATERIALY FLUOROSCENCYJNE Zalicza sie do grupy material�w inteligentnych emitujacych swiatlo widzialne lub niewidzialne swiatlo (rezultat dzialania promieni X lub UV). Swiatlo emitowane jest tylko wtedy gdy material jest pod wplywem dzialania promieni w�wczas gdy przestanie byc emitowane - efekt zanika, zazwyczaj jest gwaltowna i trwa ok. 8-10s lub nawet kr�cej. Dlugosc fali kt�ra moga zaabsorbowac atomy substancji fluoroscencyjnej oraz dlugosc fali wyemitowanej sa zalezne sa od rodzaju i wlasnosci tej substancji. Pigmenty fluoroscencyjne w normalnych warunkach sa biale lub maja jasne kolory, natomiast wystawione na dzialanie promieni UV przybieraja swiecacy, jaskrawy kolor. Zastosowanie: - monitory komputer�w i ekrany telewizor�w; - lampy i swiatla dekoracyjne; - ubrania, elementy bezpieczenstwa, tasmy- filtry do okular�w zatrzymujacych promieniowanie UV; - urzadzenia wykrywajace promienie UV; - identyfikacja mineral�w i skal (geologia); - kryminalistyka; - �niewidzialne" atramenty; - wielowarstwowe plyty CD i DVD o zwiekszonej pojemnosci.

12. MATERIALY KATODOLUMINESCENCYJNE

13. MATERIALY TERMOLUMINESCENCYJNE Naleza go grupy material�w inteligentnych emitujacych swiatlo. Wiele material�w nie przewodzacych pradu wykazuje wlasnosci termoluminescencji czyli zdolnosci do wyemitowania zmagazynowanej energii wewnetrznej pod wplywem ogrzania. Termoluminescencja jest zjawiskiem polegajacym na emisji swiatla ciala stalego przy dostarczaniu energii cieplnej. Temperatura do kt�rej nalezy ogrzac material, aby mozna bylo zauwazyc jego termoluminescencje to zazwyczaj ok.200 stopni Celsjusza (max. 500 stopni Celsjusza).

14. MATERIALY RADIOLUMINESCENCYJNE

15. POLIMERY PRZEWODZACE Odkrycie polimer�w przewodzacych przypisuje sie tr�jce naukowc�w, kt�rzy wykazali, iz poddanie poliacetylenu dzialaniu par bromu lub jodu powoduje wzrost jego przewodnictwa elektrycznego o 13 rzed�w wielkosci (10 trylion�w razy). Ze wzgledu na mechanizm przewodzenia istnieja trzy rodzaje polimer�w przewodzacych: - "po gl�wnym lancuchu"; - poprzez mechanizm kompleksowania z przeniesieniem ladunku; - jonowe, w kt�rych jony sa transportowane przez kanaly wystepujace miedzy lancuchami polimer�w. W zaleznosci od swojego stanu wystepowania (niezdomieszkowanym i zdomieszkowanym) r�znia sie przewodnictwem elektrycznym, barwa, wlasciwosciami mechanicznymi i struktura. Do wlasnosci polimer�w mozna zaliczyc : brak mozliwosci wytlaczania, brak plastycznosci, bardzo slaba rozpuszczalnoscia w rozpuszczalnikach � to wyraznie ogranicza to ich przydatnosc praktyczna i zmniejsza zainteresowanie ze strony przemyslu.

16. MATERIALY ELEKTROSTRYKCYJNE - ELASTOMERY DIELEKTRYCZNE Elastomery dielektryczne ( polimery elektrostrykcyjnymi). Pod wplywem przylozonego napiecia elektrycznego wykazuja mechaniczne odksztalcenie. Pod wzgledem zdolnosci do odksztalecen swoimi parametrami zblizone sa do miesni- stad ich potoczna nazwa - "sztuczne miesnie�. Polimery odksztalcajac sie pod wplywem elektrycznosci mozna podzielic na dwa typy: jonowe i elektronowe.

17. MATERIALY MAGNETOSTRYKCYJNE Materialy magnetostrykcyjne (MM) naleza do grupy material�w inteligentnych, kt�re przeksztalcaja energie magnetyczna w energie odksztalcenia sprezystego. Ze wzgledu na odwracalnosc zjawiska materialy te moga sluzyc jako aktuatory i czujniki. Natura zjawiska magnetostrykcji lezy w zmianie wymiar�w liniowych materialu pod wplywem zmiany� namagnesowania. Jej zr�dlem jest magnetyczne sprzezenie momentu spinowego i orbitalnego elektron�w. W materialach o duzej anizotropii magnetokrystalicznej, moment orbitalny jest dodatkowo sprzezony z siecia krystaliczna. Pod wplywem zewnetrznego pola magnetycznego moment spinowy zmierza za jego kierunkiem, pociagajac za soba wektor momentu orbitalnego � on zas jest sprzezony z siecia krystaliczna, co napotyka duzy op�r materialu. Przy odpowiednio duzych polach magnetycznych prowadzi to do odksztalcenia sieci, czyli magnetostrykcji.

18. MATERIALY PIEZOELEKTRYCZNE, PIEZOELEKTRYKI

19. ZELE POLIMEROWE

20. MATERIALY Z PAMIECIA KSZTALTU (SMA) Stopy z pamiecia ksztaltu (SMA) sa unikatowa klasa stop�w metali, kt�re moga zmieniac ksztalt, przy podgrzaniu powyzej pewnej temperatury. Zmiana ksztaltu polega na powrocie materialu do ksztaltu wyjsciowego, tego kt�ry zostal "zapamietany" lub na tzw. efekcie pseudoelastycznosci. Materialy te posiadaja dwie stabilne fazy: faze wysokotemperaturowa (austenit) i niskotemperaturowa (martenzyt) ta zas wystepuje w dw�ch formach: zblizniaczonej i zblizniaczonej znieksztalconej. Zjawiskiem fizycznym wywolujacym zmiane ksztaltu jest odwracalna przemiana martenzytyczna. W stopach z pamiecia ksztaltu moze wystepowac jednokierunkowy efekt pamieci ksztaltu (material odksztalcony w stanie martenzytycznym powraca po nagrzaniu do ksztaltu nadanego przy istnieniu fazy wysokotemperaturowej), dwukierunkowy efekt pamieci ksztaltu (przejscie od ksztaltu nadanego w stanie martenzytycznym do ksztaltu nadanego przy istnieniu fazy wysokotemperaturowej jest odwracalne i odbywa sie bez udzialu naprezen), oraz zjawisko psuedosprezystosci (odksztalcenie w wyniku przemiany martenzytycznej indukowanej naprezeniami)

21. Fazy material�w z pamiecia ksztaltu

24. Jest takze mozliwe zeby przeprowadzic transformacje martenzytyczna, kt�ra doprowadzi bezposrednio do fazy struktury zblizniaczonej znieksztalconej. Jesli obciazenie jest przylozone gdy material jest w fazie austenitu, przemiana fazowa zakonczy sie na martenzycie zblizniaczonym znieksztalconym. Nastepuja znaczne odksztalcenia ok. 5-8%. Ponowne ogrzanie materialu wywoluje powr�t do pierwotnego ksztaltu.

25. W tym przypadku temperatury przemiany fazowej silnie zaleza od wielkosci przylozonych sil zewnetrznych. Im wieksze przylozone obciazenie, tym wieksze wartosci temperatur transformacji. Pseudoelastycznosc Mozliwe jest przeprowadzenie przemiany fazowej takze dzieki przylozonemu obciazeniu (bez zmiany temperatury). Wynikiem takiej transformacji jest marteznyt zblizniaczony znieksztalcony oraz bardzo duze odksztalcenia. W przypadku gdy temperatura materialu jest wyzsza od A 0f , calkowite odzyskanie pierwotnego ksztaltu zachodzi gdy ustepuje obciazenie; efekt ten przypomina elastycznosc, stad jego nazwa - pseudoelastycznosc

26. Przykladowe typy stop�w z pamiecia ksztaltu:

27. Zastosowanie material�w z pamiecia ksztaltu

28. MATERIALY TERMOELEKTRYCZNE

29. - efekt Seebeck'a - zdarza sie gdy przez dwa r�zne materialy (przy gradiencie temperatury) nastepuje przemieszczanie elektron�w i jednoczesne pojawienie sie pradu elektrycznego. Cieplo jest absorbowane przez zimna strone materialu, przechodzi przez urzadzenie i jest emitowane na stronie materialu o najwyzszej temperaturze. Od momentu rozpoczecia "przechodzenia" ciepla, generuje sie prad elektryczny. Wlasnosc ta jest powszechnie uzywana w aplikacjach sluzacych do gromadzenia energii, w takich miejscach jak domy, samochody, komputery. Do zaistnienia zjawiska potrzebne sa dwa r�zne materialy: dazy sie do polaczenia takich material�w, kt�rych polaczenie daloby maksymalna wydajnosc, przy minimalnych kosztach.

30. MATERIALY MAGNETOREOLOGICZNE Materialy magnetoreologiczne (MR) sa cieczami, kt�re moga gwaltownie zmienic swoje wlasnosci lepkosprezyste. Ciecze te moga zmieniac swoja konsystencje z gestego plynu (o konsystencji np.: oleju samochodowego) do prawie ciala stalego - osiagniety koncowy stan materialu zalezy od tego jak silne pole magnetyczne zostanie zastosowane. Proces ten trwa zaledwie 1-10ms i jest wywolany obecnoscia pola magnetycznego. Efekt ten moze byc odwr�cony r�wnie szybko jak zostal wywolany.

31. MATERIALY ELEKTROREOLOGICZNE Materialy elektroreologiczne naleza do grupy material�w inteligentnych zmieniajacych gestosc. Materialy elektroreologiczne (ER) sa cieczami, kt�re zmieniaja swoja konsystencje pod wplywem pola elektrycznego.

32. MATERIALY SAMOGRUPUJACE SIE Zjawisko samogrupowania sie mozna zdefiniowac jako spontaniczne laczenie sie pojedynczych, "rozrzuconych" element�w w uporzadkowana strukture, bez ingerencji czlowieka. Otrzymane struktury moga przypominac plaszczyzny, lub tr�jwymiarowe bloki: sa to rury, spiralne wstazki lub wl�kniste "kraty". Biomaterialy, takie jak peptydy i proteiny opr�cz zdolnosci samogrupowania sie, moga takze wiazac atomy metali, jony i czasteczki p�lprzewodnik�w.

33. MATERIALY SAMONAPRAWIAJACE SIE Materialy samonaprawiajace (samouzdrawiajace) sie reaguja na uszkodzenie strukturalne, takie jak pekniecia, ubytki czy wygiecia. Materialy takie moga znalezc zastosowanie w licznych dziedzinach: otworzyloby to jednoczesnie nowe standardy i jakosc w inzynierii i projektowaniu aplikacji dla przemyslu i zwyklych ludzi. Generalnie materialy samouzdrawiajace sie dzielimy na trzy grupy: - materialy kompozytowe - zestaw material�w, kt�re wystepuja w danym elemencie jako kompozyty, czyli skladowe calosci; - mikrokapsulki jest to rodzaj kleju, kt�ry naprawia mikropekniecia w materiale; - materialy samonaprawiajace sie katalitycznie.

34. Bibliografia

35. Dziekuje za uwage