Materials intel·ligents

1. Materials intel·ligents

2. Material intel·ligents: • Materials que responen de forma natural a estimuls concrets del seu entorn. • Materials que realitzen funcions, no com a consequència de senyals o impulsos passats d’un component a un altre, sino com a resultat de les seves propietats intrínseques. Materials funcionals

3. Els materials comuns també responen a estímuls del seu entorn (les propietats físiques depenen de la temperatura, pressió, i altres variables). Aquesta dependència és, en general, lleugera i gradual. En els materials intel·ligents, la resposta és pronunciada i abrupta i només té lloc per a valors concrets de l’estímul.

4. MATERIALS PIEZOELECTRICS I FERROELECTRICS Piezoelèctrics:Materials que quan són comprimits generen una tensió elèctrica El quars (una forma de SiO2)

5. Nitrit de sodi Ferroelèctrics:Materials que ténen un certa polarització elèctrica permanent Sal de Rochelle Titanat de Bari Nitrit de sodi Titanat-Zirconat de plom (PZT)

6. Tant en els piezo com en els ferroelèctrics, la polarització elèctrica augmenta amb la força externa. A més, l’efecte és reversible: un camp elèctric ò voltatge extern produiex una deformació important del material. Aquesta és la propietat que els permet ser utilitzat en dispositius “intel·ligents”. Aplicació directa: sensors/generadors de vibracions

7. Sistema actiu. Esmorteïdor de vibracions

8. Aplicació a capçals d’impressió matricial

9. Estratègies d’augment de la deformació útil

10. Terfenol Tb0.27Dy0.73Fe2 0.16% a 1T MSMA Ni2MnGa 4-10% a 1T Efecte semblant en els materials magnètics Magnetostricció: Deformació del material causada per un camp magnètic. Present a tots els materials ferromagnètics, però, en general, és molt petita, excepte en alguns casos.

11. MATERIALS AMB MEMÒRIA DE FORMA Els materials amb memòria de forma poden recuperar la forma que teníen abans d’esser deformats tan sols amb un encalentiment (efecte memòria de forma). També poden tenir una gran elasticitat, molt més gran que els metalls convencionals (efecte de superelasticitat). Els secret està en una transformació estructural que pateixen, anomenada “transformació martensítica”. Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni, Ni-Ti, Ni-Al, Au-Cd, Ni-Mn-Ga... entre d’altres

12. Transformació martensítica Canvi de fase en estat sòlid, que provoca un canvi en la estructura cristal·lina. La transformació es produiex en aplicar forces externes sobre el material o en variar la temperatura. Fase austenita: fase d’alta temperatura o sense força Fase martensita: fase de baixa temperatura o amb força aplicada Varies “variants”

13. Efecte memòria de forma Austenita RECUPERACIÓ DE LA FORMA refredament Transformació inversa encalentiment deformació Martensita autoacomodada Martensita deformada

14. Efecte memòria doble Transformació inversa encalentiment refredament lliure, després d’un cert “procés d’entrenament” ò refredament amb càrrega aplicada

15. Alta capacitat d’esmorteïment de vibracions En fase martensita, causada per una gran mobilitat de les interfases entre variants de martensita. Superelasticitat Transformació inversa Descàrrega Càrrega Transformació martensítica induida per la força aplicada

16. H MATERIALS AMB MEMÒRIA DE FORMA FERROMAGNÈTICS Ni-Mn-Ga, Ni-Fe-Ga, Co-Ni-Al, … A temperatura constant, en fase martensita

17. H MATERIALS AMB MEMÒRIA DE FORMA FERROMAGNÈTICS Ni-Mn-Ga, Ni-Fe-Ga, Co-Ni-Al, … A temperatura constant, en fase martensita

18. H MATERIALS AMB MEMÒRIA DE FORMA FERROMAGNÈTICS Ni-Mn-Ga, Ni-Fe-Ga, Co-Ni-Al, … A temperatura constant, en fase martensita

19. APLICACIONS • Com a sensors i/o actuadors: • Detectors de temperatures. • Vàlvules de fluids. • Sistemes de control de temperatura. • Unions de tubs per zones de difícil accés. • Robòtica: elements actius que causen el moviment de parts del robot. • Mecanismes d’obertura de panells a satèl·lits artificials. • Material quirurgic: stents, grapes, ....

20. Com a materials superelàstics: • Fils ortodòntics. • Fils-guía per intervencions quirúrgiques endoscòpiques. • stents • Esmorteïment de vibracions: • Variadors de la freqüència de ressonància (materials composts). • Protecció per terratrèmols.

22. CRYOLIVE SLEEVE NUT TUBE INSTALLATION PACKAGE

24. MATERIALS ELECTRO- Ò MAGNETO-REOLÒGICS Reologia: Estudia els comportaments mecànics intermitjos entre sòlid rígid i fluid no viscós. Viscoelasticitat: comportament intermij entre un sòlid elàstic pur (resposta instantània) i un fluid viscós (resposta lenta).

25. Els materials electro- ò magneto-reològics poden canviar molt ràpidament (en milisegons) de liquids a sòlids amb l’aplicació d’un camp elèctric ò magnètic. Això els atorga la possibilitat de ser utilitzats en dispositius “intel·ligents”. 1ª observació en 1949: suspensions de particules de gel de sílica en un oli mineral.

26. Partícules polimèriques en un oli de silicona Utilització per esmorteïment de vibracions, frens controlables, ...

28. MATERIALS INTEL·LIGENTS BLANS (polimers) Alguns polímers poden passar d’una configuració de cadenes estirades a cadenes “embullades” amb un canvi d’algun paràmetre extern (temperatura, acidesa, camp elèctric). N-isopropilacrilamida (NIPAAm): Contenen grups solubles en aigua (acrilamida) i grups insolubles (isopropil).

29. Potencials termodinàmics: G = H – TS F = U - TS L’equilibri del sistema (minimització de G ò F) s’estableix mitjançant la competència entre el terme energètic i el terme entròpic, regulada per la temperatura. A baixes T, el polímer és soluble en aigua, a traves de ponts d’hidrògen entre els grups amida i la molècula d’aigua. Això manté la cadena estirada i amb poca mobilitat, mantenint una entropia baixa. Per esser la temperatura baixa, domina el terme energètic (energia de l’enllaç d’hidrògen). En augmentar la temperatura, l’energia de lligam dels ponts d’hidrògen no pot compensar el terme entròpic, i les cadenes s’emboliquen per augmentar l’entropia i, així, estabilitzar el sistema. Per això, és important la presència dels grups isopropils (insolubles). En embolicarse, expulsen les molècules d’aigua.

30. La transició cadenes estirades  cadenes embolicades és bastant abrupta en temperatura (ocorre a l’anomenada “lower critical solution temperature” – LCST – ). La transició és abrupta en temperatura, pero no en el temps (pot durar temps llargs, de l’ordre d’hores).

31. Aplicació: inhibir o no la interacció de proteïnes amb altres molècules

32. Gels que “engreixen” i “s’aprimen” Cadenes de NIPAAm amb lligaments creuats (cross-links) mitjançant enllaços químics adients, mantenen una forma semi-plegada. En aquest estat poden incorporar quantitats importants d’aigua en les cavitats, formant un higrogel. Segons el grau de “cross-link” i la quantitat d’aigua tenen diferents graus de duresa, des de ésser com “confitura” fins a una goma relativament dura. En encalentir el sistema per damunt de la LCST, les cadenes es pleguen totalment i expulsen l’aigua, reduint el volum de forma notable.

34. Polimers basats en modificacions del NIPAAm tenen una transició semblant impulsada no per la temperatura, sinó per l’acidesa del medi (concentració de H+). També es pot provocar la transició amb camps elèctrics. Aplicacions com a dosificadors de medicaments controlables

35. Polimers amb memòria de forma Copolimer d’acid acrílic i n-estearil acrilat A 25 ºC és un plàstic dur, i torna blan i elàstic a 50 ºC.