9 materialesinteligentes

MATERIALES INTELIGENTES

CURSO: ID42A

PROFESOR: MAURICIO PILLEUX

FECHA: 5/NOV/99

INTEGRANTES: Luis Ferrer

César Morales

Claudio Navarrete

Fernando Rodríguez

Alejandro Ventura

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.

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.

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.

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.

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.


• 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.


• 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.

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.

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.


• 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


• 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.


• 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

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.


• Estructura del cristal de cuarzo (SiO4)


• Ferroelectricidad– La sal de Rochelle

• Sodio, Potasio, Iones de tártaro y agua

• Posee polarización propia

• Polarización se puede cambiar aplicando un campo


• Polarización luego de aplicar el campo necesario

• Polarización previa


• Ferroelectricidad– Fosfato de potasio dihidrogenado (KDP)

• Atomos de hidrógeno unidos al ión fosfato

• El hidrógeno se sitúa en el eje entre dos oxígenos

3.1 Estructuras Inteligentes

• Amortiguador de vibraciones.– Como funciona.

• Cambian su rigidez.

para estar lejos de la.

frecuencia armónica.


• La columna multicapas

• Bicapa


• Una mezcla entre Bicapas y Multicapas

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

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

• 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

• Resultado de le reorientación de los momentos magnéticos

• La reorientación influencia las interacciones entre los átomos

• Como resultado, la estructura cristalina de deforma

Explicación de fenómeno

• 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

• Pueden ser usados como materiales piezoeléctricos

• Material más común: Metglas 2605SC (aleación de hierro, boro, silicio y carbono)

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

“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

“El caminante”

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

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.


• 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..


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


• 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.


• ¿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.


• 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.


• 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

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.

• 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.


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).

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.

3.9 Experimentos de Docilidad Controlada

• Sensor regenerador y piezoeléctrico para contrarrestar las turbulencias.– Fluctuaciones de presión

externa y acústicas.

• Materiales capaces de responder a cambios de Presión y Tº.

• Un mat piel es capáz de disminuir ruidos de flujo y aumento de aerodinámica.

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.

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.

4. Imitando Sistemas Biológicos

• Ampolla de gas => Flotación del pez– Moonies de PZT que se posicionan en cavidades.

• Bajo la tensión hidroestática de olas, los electrodos met convierten una porción de la tensión en dirección z, en las tensiones radiales y tangenciales grandes de señales opuestas.

5. Desarrollos Futuros.

• Integración y miniaturización de los sensores y actuadores electrocerámicos. => Automatización.

• La integración con resistores y capacitores incrustados en desarrollo.– Cintas y pantallas de impresión

• Varistors, sensores qcos, termistores y transductores puedan ser fabricados de forma que cumplan con Inteligencia.

• Chips de Silicona– Paq multifuncional sería peq, robusto, barato y refractario

– Soporta altas temperaturas.

5. Desarrollos Futuros.

• Cu y Pt tienen conductividad alta, pero ptos de fusión a temp bajas.– Alterar con cerámicos y hacen más cara fabricación.

• Confiabilidad (Estudiar quiebre eléctrico y mecánico).

• Sistemas Inteligentes para ambientes hostiles.

6 Conclusiones

• Sin número de aplicaciones de los materiales

inteligentes.

• Cambio radical en cómo hacer ingeniería

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