MATERIALES INTELIGENTES

1. MATERIALES INTELIGENTES CURSO: ID42A PROFESOR: MAURICIO PILLEUX FECHA: 5/NOV/99 INTEGRANTES: Luis Ferrer César Morales Claudio Navarrete Fernando Rodríguez Alejandro Ventura

2. 1 Introducción • Exterminador biomecánico v/s exterminador de metal líquido. • Capaces de realizar tareas por sus propiedades intrínsecas. • Punto de vista japonés: Inteligencia desde el punto de vista humano, inteligencia inerte de los materiales e inteligencia como funciones de sentido, proceso y respuesta.

3. 2 Materiales Inteligentes • Definición: “Un material inteligente es aquel que cambia sus propiedades ante un cambio en el medio ambiente”. • Nuevo paradigma en la ingeniería: los materiales estructurales serán reemplazados por materiales funcionales.

4. 2.1 Grados de Inteligencia • Un material puede ser inteligente en el sentido de que puede dar la misma respuesta ante un particular cambio; • sin embargo, hay otros con capacidad de aprendizaje. • A nivel simple, un material inteligente es aquel que responde a su medio.

5. 2.1 Grados de Inteligencia • Se desea que un material inteligente tenga respuestas abruptas y pronunciadas. • La inteligencia tiende a ser una cuestión de grados.

6. 2.2 Sistemas Pasivos y Activos • Un sistema pasivo responde a algún cambio externo sin asistencia externa; • ejemplo: en electrónica una resistencia. • Sistema activo responde a un estímulo externo más una señal interna, • ejemplo: en electrónica un transistor.

8. 2.2 Sistemas Pasivos y Activos • Muchos materiales inteligentes exhiben mecanismos de reparación. • ZnO al recibir un alto voltaje pierde resistencia eléctrica. • Titanato de bario aumenta la resistencia cerca de los 130 °C para detener un oleaje de corriente.

9. 2.2 Sistemas Pasivos y Activos • Sistemas inteligentes son usados en problemas termales. • Sofisticados compuestos de tungsteno, plata carbón, cerámica y acero son usados en boquillas de cohetes. • La multifase de la boquilla: composición inteligente que realiza un número de funciones termomecánicas.

10. 2.3 Materiales y Estructuras Inteligentes • Material Inteligente: si se parte en dos y mantiene sus propiedades. • Estructura Inteligente: si se parte en dos se pierde la propiedad que da la “inteligencia”. • Sensor: Aparato detector. • Actuador: Aparato de control.

11. 2.4 Compuestos muy inteligentes • Un material muy inteligente es sensor y actuador a la vez. • Mediante retroalimentación se vuelve más inteligente con el tiempo. (ej. Ojo humano) • Se diferencian de los inteligentes por sus propiedades no lineales.

12. 2.4 Compuestos muy inteligentes • 5 propiedades importantes que se pueden ajustar: frecuencia de resonancia, Impedancia acústica, amortiguamiento mecánico, acoplamiento electromecánico e impedancia eléctrica. • 2 tipos de no linealidad: Elástica y piezoelectrica • La goma es un medio elástico altamente no lineal

13. 2.4 Compuestos muy inteligentes • Bajo presión, las moléculas se alinean y se endurece notablemente (modulo de Young). • Aplicaciones TE: sistemas ópticos adaptivos, microscopios de tubos de escaneo y microosicionadores de presición. • La no linealidad en semi conductores distorsiona la ley de Ohm V=IR.

14. 2.4 Compuestos muy inteligentes • Un ejemplo comercial de la no-linealidad es el cristal fotocromático descubierto en 1964. • El efecto consiste en una reacción de la radiación UV con al Ag+ que inmoviliza los electrones. Los atomos Ag bloquean la luz incidente. • Sin la Luz UV el AG s revierte a Ag+ por reacción energética favorable

15. 3 Aplicaciones De Los Materiales Inteligentes • Materiales piezoeléctricos. • Reaccionan ante un impulso eléctrico con una deformación y viceversa. • Descubierta por Pierre y Jackes Currie en 1880. • Cristal de cuarzo en señales de radio y relojes electrónicos.

16. 3 Aplicaciones De Los Materiales Inteligentes • Estructura del cristal de cuarzo (SiO4)

17. 3 Aplicaciones De Los Materiales Inteligentes • Ferroelectricidad • La sal de Rochelle • Sodio, Potasio, Iones de tártaro y agua • Posee polarización propia • Polarización se puede cambiar aplicando un campo

18. 3 Aplicaciones De Los Materiales Inteligentes • Polarización luego de aplicar el campo necesario • Polarización previa

19. 3 Aplicaciones De Los Materiales Inteligentes • Ferroelectricidad • Fosfato de potasio dihidrogenado (KDP) • Atomos de hidrógeno unidos al ión fosfato • El hidrógeno se sitúa en el eje entre dos oxígenos

20. 3.1 Estructuras Inteligentes • Amortiguador de vibraciones. • Como funciona. • Cambian su rigidez. para estar lejos de la. frecuencia armónica.

21. 3.1 Estructuras Inteligentes • La columna multicapas • Bicapa

22. 3.1 Estructuras Inteligentes • Una mezcla entre Bicapas y Multicapas

23. 3.2 Aplicaciones en la industria automotriz • Sensor de golpe (PZT) • Sensor de gota de lluvia (titanato de bario) • Termosensores (NTS) • Sensores de mezcla de aire y bencina (Zirconia) • Sensor de oxido • Suspensión electrónica modulada de toyota

24. 3.3 Materiales Ferromagnéticos • Propiedad llamada MAGNETOSTRICCIÓN • Respuesta inteligente y potencialmente útil • Cambios mecánicos frente a campo magnético aplicado • 1° observación del fenómeno en 1847

25. Se requiere efecto grande para ser útil • Gran campo magnético para crear pequeñas distorsiones mecánicas • Descubrimiento en 1971 de efecto grande a temperatura ambiente • Magnetización puede producir cambios de tamaño hasta de 1 % • Cambio del tamaño proporcional al campo magético aplicado

26. Explicación de fenómeno • Resultado de le reorientación de los momentos magnéticos • La reorientación influencia las interacciones entre los átomos • Como resultado, la estructura cristalina de deforma

27. Para material monocristalino, existirá dirección de respuesta máxima • Un actuador magnetoestrictivo típico consiste en un cilindro rodeado de una bobina • Existen materiales que crecen en dirección perpendicular

28. Pueden ser usados como materiales piezoeléctricos • Material más común: Metglas 2605SC (aleación de hierro, boro, silicio y carbono)

29. 3.4 Materiales Fotostrictivos • Transforman energía óptica en mecánica • Destellos de luz causan que el material se expanda • Utilización del PLZT para realizar esto por Uchino

30. “El caminante” • Estructura que ilustra el principio • Aparato que camina en respuesta a los pulsos de luz • Bicapas compuestas de PLZT con polarización opuesta • Al iluminar las capas se genera voltaje causando que se expandan y contraigan

31. “El caminante”

32. 3.5 Fluidos electroreológicos • Líquidos inteligentes • Pueden ser congelados y fundidos a voluntad • Uso importante: discos de embriague • Gran desarrollo de estos fluidos • propiedades pueden ser controladas por agentes externos

33. 3.6 Aleaciones con memoria de Forma • Son aleaciones que al ser deformadas y luego calentadas recobran su forma original. • Uniones de cañerías submarinas. • Máquinas que usan calor para ejecutar algún trabajo mecánico. • Estas máquinas no son eficientes, luego son útiles en recursos de calor de bajo grado.

34. 3.6 Aleaciones con memoria de Forma • Origen de la memoria: cambio en la estructura cristalina. • Cambio cristalino ocurre para minimizar energía de la red. • En los SMAS el cambio de estructura no ocurre por difusión de átomos, sino por una deformación de la red..

36. 3.6 Aleaciones con memoria de Forma • La inclinación del arreglo atómico en la martensita puede ocurrir en varias direcciones equivalentes, ejemplo de un cuadrado a un rombo existe cuatro posibilidades.

37. 3.6 Aleaciones con memoria de Forma • Si la inclinación ocurre en una misma dirección, la aleación sufre una deformación espontánea. • En la práctica ocurre en toda las direcciones, las cuales se cancelan y mantienen la forma inalterada.

38. 3.6 Aleaciones con memoria de Forma • ¿Qué ocurre con la martensita si antes de ser calentada es deformada? • Proceso: la austenita al ser enfriada se convierte en martensita autocompensada, esta al ser deformada se transforma en martensita monocristalina y al ser esta última calentada se transforma en austenita.

40. 3.6 Aleaciones con memoria de Forma • Nitinol: primer material con memoria de forma descubierto (1965 en EE.UU). • Nitinol logra recuperarse de deformaciones de un 8%. • Récord actual: 10%. • Nitinol usado en robótica como fibra muscular.

41. 3.6 Aleaciones con memoria de Forma • SMAS capaces de aprender nuevas formas. • Se logra con un ciclo de enfriamiento a la fase martensita, deformado y luego calentado a la fase austenita pero forzando al material a mantener la de formación. • Se conoce como efecto de memoria d forma de doble efecto

43. 3.7 Polímeros Inteligentes • La mayoría de lo tejidos del cuerpo: • Iris • Huesos • Materiales suaves y blandos => Modificados drasticamente • Mejor estudio de Polímero es NIPAAM • Cadenas NIPAAM solubles en soluc. frias, al calentar colapsa y precipita. • Compuesto por grupos solubles e insolubles. • Enlace energeticamente favorable. • Temperatura de solución crítica mas baja = LCST • Con esta la mayoria de los enlaces se deshacen con el agua. • Uso para control de habilidad de una proteína para unirse con peq molécula. • Geles basados en NIPAAM responden a cambios de Temperatura.

44. 3.7 Polímeros Inteligentes

45. 3.7 Polímeros Inteligentes • En sol alcaina, los geles pierden iones H+ • => Grupos acrilatados cargados negativamente. • En sol acidas, grupos ganan ión H+ • => Neutralización y encogido de gel. • Es decir , geles son hinchados o encogidos • Poseen esta respuesta también frente a un campo electrico. • Uso más previsto es como agentes liberadores de droga. • Metabolización de la glucosa. • Gel podría emitar el estimulo que se produce en el pancreas para producir insulina. • 1995 se desarrolla gel con memoría como aleaciones metálicas con memoría • Copolímero de ácido acrílico • N-stearil acilatado • Se hinchan con agua. • Finalmente estos materiales se moldean y enfrian. • < 25ºC Plastico Duro. • > 50ºC Suave y elástico.

46. 3.8 Sensores Químicos • Son respuestas electromecánicas a un cambio en el ambiente. • Nariz: det la identidad de la sust. No percibida por la vista. • Def.: Cualquier material (o sistema) que da respuesta a un cambio en su ambiente químico. • Carac.:Sensibilidad, selectibidad, especifidad, reproductibilidad, conductibilidad eléctrica. • Ej.: Detección de humedad por ZnO poroso. • Resistencia al sensor ZnO disminuye con la absorción del agua, pero la remoción es lenta a temp bajas. • Regenerar ZnO => Alta Resistividad • Reactiva lugares de absorción. • Sensor de humedad inteligente con mec de autorecuperación ha sido desarrollado por un compuesto de 2 fases: • SC tipo p (CuO, NiO) y SC tipo n (ZnO).

47. 3.8 Sensores Químicos • Oxidos de metal de SC disminuyen resistencia eléctrica en precencia de especies qcas con deficiencias de Oxígeno o elec en exceso en superficie. • Ej.: Sensor Sushi • Monitorea frescura del pescado. • Gran nº de polímeros disponibles con amplio rango de solubilidades en distintos solventes. • => Campo abierto de descubrimiento de nuevos Sensores Qcos.

48. Sensor regenerador y piezoeléctrico para contrarrestar las turbulencias. Fluctuaciones de presión externa y acústicas. 3.9 Experimentos de Docilidad Controlada • Materiales capaces de responder a cambios de Presión y Tº. • Un mat piel es capáz de disminuir ruidos de flujo y aumento de aerodinámica.

49. 3.9 Experimentos de Docilidad Controlada • Docilidad debido a reducción de las reflexciones acústicas desde la superficie. • Sistema Sensor – Ejecutor inteligente pueden imitar un sólido rígido o un ductil caucho. • Aumento de presión => alimentación al amplificador.

50. 4. Imitando Sistemas Biológicos • Proceso de rellenamiento, reproduce las microestructuras de coral en metales cerámicos y polímeros. • => Distribución del tamaño del poro. • Transductores se realizan reinvirtiendo el PZT impregnado con cera al vacio. • Neg de cera se quema fuera de 300ºC. • PZT coral puede ser sintetizado y se pce esqueleto de PZT robusto. • Rellenar el PZT con un mat elastómero flexible como caucho de silicona. • Ej.: Peces y habitantes del mar. • Maneras de comunicación y de escuchar. • Hidrófonos => sonares, equipos geofísicos y halladores de peces. • Sensores y actuadores.