“Smart Materials”
Corso di Scienza e Tecn. dei materiali ceramici
Docente: Dott.Antonio Licciulli
Allievo: Manca Mirko 9M/1258
A.A.2001-2002
Università degli studi di Lecce Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali
“Smart Materials”
M ateriali intelligenti
Introduzione agli "Smart Materials"
Definizione
Suddivisione
dei
Materiali
A.A.2001-2002
Confronto
Applicazioni
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Considerazioni
M ateriali intelligenti
Suddivisione
dei
Materiali
Tipi di classificazione
Carattere
della
Risposta
Attiva
Modifiche
Subite
Passiva
Geometriche
Fisiche
Chimiche
Campi di forze
coinvolti
Elettrico
A.A.2001-2002
Magnetico
CorsoTermico
di Scienza e Tecn.
Dei
Materiali Ceramici
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
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Sinonimi
Un pò meno di
„Molto intelligente“
Wise
Intelligent
Smart
A.A.2001-2002
Clever
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Materiali Ceramici
Definizioni
Materiale che all’applicazione di un
campo di forze esterno risponde con il
cambiamento di una o più sue proprietà.
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Livelli di complessità
Ordine crescente
Materiali intelligenti
 Dispositivi intelligenti
 Sistemi intelligenti
 Strutture intelligenti

A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Principio comune
Ogni input genera un output
Ogni stimolo è seguito da
una risposta
A.A.2001-2002
Università degli studi di Lecce Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali
Tipi di classificazione
Carattere della risposta

Attivo


Reazione ponderata
Passivo

Reazioni di riflesso
Modifiche subite
Campi di forze coinvolti
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Modifiche subite
Comportamento classico
Cambiamento di proprietà intrinseche
(Viscosità, resistenza elettrica,costante dielettrica ect.)
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Campi di forze coinvolti
Materiali
Attivi
Campo
Elettrico
Piezoelettrici
A.A.2001-2002
Elettrostrittori
Campo
Termico
SMA
Campo
Magnetico
Magnetostrittori
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Materiali Ceramici
Magnetoreologici
Campo elettrico
Sommario

Piezoelettrici




Elettrostrittori


Effetto piezoelettrico
Struttura
Produzione
Caratteristiche
Confronto
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Effetto piezoelettrico
Diretto
Inverso
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Effetto piezoelettrico
Diretto
Generatori
 Sensori

Inverso

Attuatori
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
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
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Materiali Ceramici
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
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Struttura e proprietà
Struttura perovskitica

Per T>Tc 


Cubica
Per T<Tc 
Tetragonale
 Romboedrica


Tc = temperatura di Curie
A.A.2001-2002
Asimmetria
indotta dalla
polarizzazione
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Materiali Ceramici
Coefficicenti
d il 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)
A.A.2001-2002
d33
g33
d31
g31
d15
g15
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Materiali Ceramici
Inconvenienti
Depolarizzazione
Invecchiamento
Isteresi
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Materiali Ceramici
Processi di produzione
Prima della formatura
Sintesi delle polveri

Ottenimento della
fase perovskitica
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Materiali Ceramici
Processi di produzione
Formatura per colaggio su nastro
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
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
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
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
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
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
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
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).
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Elettrostrittori
Struttura Perovskitica
Simmetria anche
sotto Tc
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Materiali Ceramici
Transizione di fase
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Caratteristiche
Non linearità
Deformazione unilaterale
(non bipolarismo)
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Caratteristiche
Stretta isteresi (3%)
Capacotà elettrica 4-5 volte >dei PZT
Funzionano anche sopra la Tc
Non sono polarizzati
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Confronto (1)
Confronto tra la relazione campo applicato-deformazione
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Linearizzazione
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Linearizzazione
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Linearizzazione
S33 = S0 + S33
Termine costante S0
termine lineare S33
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Confronto(2)
Isteresi-Temperatura
A.A.2001-2002
Espansione-Temperatura
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Materiali Ceramici
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
A.A.2001-2002
Austenite
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Materiali Ceramici
Trasformazione martensitica:
cenni teorici
Due fasi cristalline
Martensite ( )
 Austenite (  )

La trasformazione è di tipo
non diffusivo
Austenite
Martensite
Aandamento dell’energia
interna dell’austenite e della
martensite
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Definizioni
TEQ =temperatura di equilibrio alla quale G=0
T = 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
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Meccanismo
Formazione
dell’habit plane
sul quale
nuclea la
martensite
Deformazione plastica nell’austenite causata dalla
trasformazione in martensite.
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Meccanismo
Reticoli cristallini


Austenite CFC
Martensite BCC o BCT
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Meccanismo
Ciclo d’isteresi che si sviluppa con la
trasformazione martensitica
A.A.2001-2002
Andamento degli sforzi di
taglio con la temperatura
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Materiali Ceramici
Meccanismo
Irreversibile
Ho la rottura dei
legami
slip
Reversibile
Non ho la rottura dei
legami
Figura .6
b)
A.A.2001-2002
twinning
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Materiali Ceramici
Meccanismo
La deformazione per twinning
è reversibile e può essere
definita termoelastica.
Applicando uno sforzo di
taglio si mette in moto il bordo
dei geminati ottenendo un
meccanismo
chiamato
detwinning
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Categorie di SMA
Si parla di memoria di forma ad una via OWSME
(slip)
Si parla di effetto di memoria di forma a due vie
TWSME (twinning)
 Effetto dovuto al trattamento di ciclaggio termico
forzato della martensite
Si parla di pseudoelasticità o superelasticità se la
AF < MD
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Applicazioni SMA
Accoppiatori per connessioni di fissaggio
(Anelli Unilock)
Applicazioni biomediche
Attuatori


Dispositivi molla contromolla
Film sottili in Nitilon: Microbubble
Applicazioni di superelasticità
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Campi Magnetici
Fenomeno

Magnetostrizione
Materiali



Terfenolo-D
Leghe magnetiche a memoria di forma
Materiali Magnetoreologici
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Proprietà dei materiali
magnetostrittivi




Trasformano l’energia
magnetica in energia
meccanica
Il campo magnetico induce
sforzi interni
La deformazione è
controllabile
Anisotropia magnetica
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
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
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Fenomeno
Magnetostrittivo
Macroscopicamente

Espanzione delle
pareti dei domini

Rotazione dei domini
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
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



A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
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 sul
confine di fase romboedricotetragonale
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Magnetostrizione
anisotropa



Comportamento anisotropo
Anisotropia indotta da sforzo
È più facile magnetizzare il
materiale nel senso di tensione
di sforzo, e più difficile nel senso
per cui s < 0 e  > 0 o per quale Diagramma deformazioneCampo H
s > 0 e < 0
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Leghe Ferromagnetiche
a Memoria di Figura
(FSMA)
Come SMA ma attivate
magneticamente




Collasso
Deformazioni del 6%
Maggiore risposta di frequenza
(attuazione veloce)
Funzionano solo in fase
martensitica
Meccanismo di twinning
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Allungamento
5.
Confronto qualitativo
Confronto tra le tecnologie astute
5.1
Confronto tra le tecnologie "astute" differenti
SISTEMA ATTIVO
Leghe a Memoria Di
Figura-
Materiali
Magnetostrittivi
Materiali Piezoelettrici
Campo termico
Campo magnetico
Campo elettrico
TiNi, TiPd
TbFe, (TbDy)Fe, SmFe
PZT, Quarzo
Forza Di
Azionamento
Materiali
Vantaggi
 Grandi forze
 Alta Densità di
energia
 Alta resistenza
materiale
 Alta Elasticità
 Alta larghezza di
Controllo senza
banda
contatto per mezzo di
 Alte Frequenze
campo magnetico
 Bassa alimentazione di
 AlteFrequenze
Attuazione
 Gamma di
temperature elevata



Limitazioni
A.A.2001-2002
Bassa larghezza di
banda
 Frequenze basse
 Alta isteresi
 Limitata gamma di
temperatura

Generazione di campi 
magnetici intensi
 Sforzi limitati
 Resistenza alla
trazione materiale
bassa
 Materiali in genere
fragili
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Materiali Ceramici
Sforzi Limitati
Bisogno di
apparecchiatura
ausiliaria
 Resistenza bassa a
trazione
 Materiali in genere
fragili
 Gamma di temperatura
limitata

Limitazioni
Bassa larghezza di
banda
 Frequenze basse
 Alta isteresi
 Limitata gamma di
temperatura
magnetici intensi
 Sforzi limitati
 Resistenza alla
trazione materiale
bassa
 Materiali in genere
fragili
apparecchiatura
ausiliaria
 Resistenza bassa a
trazione
 Materiali in genere
fragili
 Gamma di temperatura
limitata
Confronto quantitativo
Tecnologie Tradizionali
Elettromagnetico
Idraulico
Pneumatico
Muscolo
Sforzo
(MPa)
Sforzo
Def
0,02
20
0,7
0,35
0,5
0,5
0,5
0,2
Efficienza
Larghezza
di banda
(Hertz)
Lavoro
(J/cm2)
Alimentazione
(W/cm3)
90%
80%
90%
30%
20
4
20
10
0,005
5
0,175
0,035
0,1
20
3,5
0,35
Tecnologie Semi conduttrici
Sforzo Def
Sforzo
(MPa)
Memoria Di Figura
Electrostrictivi
* Piezoelettrico
Magnetostrittivo
Polimero contrattile
Monocristallo
PZN:pt
A.A.2001-2002
200
50
35
35
0,3
300
Efficienza
Larghezza
di banda
(Hertz)
0,1
3%
3
0,002
50%
5000
0,002
50%
5000
0,002
80%
2000
0,5
30%
10
Corso di Scienza e Tecn. Dei
0,017
90%
5800
Materiali
Ceramici
Lavoro (J/cm2)
Alimentazion
e (W/cm3)
10
0,05
0,035
0,035
0,075
2,55
30
250
175
70
0,75
15000
Confronto
Grandi Sforzi
GrandiSforzo-deformazione
Sforzi
e
deformazioni
Grandi
Deformazioni
A.A.2001-2002
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Confronto
Max ()-Max.frequenza guida
Importanza dell’inerzia del materiale
A.A.2001-2002
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Materiali
Magneto ed elettro-reologici
All’applicazione dei relativi campi rispondono
con un cambiamento della viscosità
A.A.2001-2002
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Compositi piezoelettrici
Vernici piezoelettriche
AFC,Fibre Attive Composite
A.A.2001-2002
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
AFC compositi di fibre attive
1. Struttura ospite
2. Strato sensore
3. Strato attivo
A.A.2001-2002
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Strato attivo



Elettrodi, ottenuti per
litografia
Matrice (resina
epossidica + particelle di
PZT 5H da 1 m)
Fibre PZT 5H diametro
130 m ottenute per
estrusione continua
A.A.2001-2002
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Realizzazione
manuale del composito
10 sequenze della
realizzazione del
composito in fibra attiva
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Applicazioni
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Attuatori ceramici
Multistrato




richiedono bassi voltaggi,
offrono una veloce risposta
alte forze ed alte coppie
elettromeccaniche.
Piccoli spostamenti, (10 micron)
Bimorfi


generano grandi spostamenti di flessione
forze basse e risposte lente
Moonie

Caratteristiche intermedie tra i due
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Attuatori ceramici
Tipi di motori (generatori):

Uno strato
Longitudinal (d33)
Transverse (d31)
Motor
Motor, Contracting

Due strati
2-Layer Transverse
Motor, expanding
lengthwise
A.A.2001-2002
Bending Motor,
cantilever mount
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Attuatori ceramici
Tipi di motori (generatori):

Due strati
Bending Motor,
"S" configuration,
Bending Motor,
simple beam
mount

cantilever mount
Multistrato
Multi-layer motor
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Motore ultrasonico
Ad onda stazionaria

Ha un’alta efficienza, ma manca di
controllo sia in senso orario che
antiorario
Ad onda propagante


Oltre all’onda stazionaria, ha
un’onda propagante sfasata di 90°
Consente il controllo del senso
rotatorio
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Motore ultrasonico
Qualità salienti







Alta densità di coppia di
torsione
Funzionamento silenzioso
Auto-frenaggio
Inerzia bassa, risposta
rapida
Efficienza massima ad alta
coppia di torsione
Campo magnetico
trascurabile
La struttura semplice
promuove minaturizzazione
A.A.2001-2002
Applicazioni Commerciali
Attuali


Obiettivi di auto-focus del
Canon
Parti di orologi della Seiko
Applicazioni Potenziali






Industria dell'automobile
Automatismo
Tecnologia di MEMS
Missioni spaziali
Formazione immagine di
risonanza magnetica
Treni magnetici a
levitazione
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Motore ultrasonico
A.A.2001-2002
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Motore ultrasonico
Motore ultrasonico rotante per il controllo dei
movimenti del Robot manipolatore JPL Micro Lander
Motore a due facce
 Parte rotante: Rotore




Rondelle piezoelettriche PZT-4,
Disco dentato- di acciaio inossidabile
albero.
A.A.2001-2002
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Motore ultrasonico
Principio di funzionamento
Ogni disco di PZT-4 è diviso in 18 parti uguali, ogni parte è
polarizzata inversamente rispetto alla confinante. Si genera
un’onda che divide l’intera circonferenza in 9 periodii.
A.A.2001-2002
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Motore ultrasonico
Assemblaggio
A.A.2001-2002
Misura performance
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Controllo delle vibrazioni

Tipologie di controllo



Controllo passivo (smorzatori)
Controllo attivo a potenza fornita
Controllo attivo a potenza autofornita
Ammortizzatore
astuto:
Multilayer
piezoelettrici
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Controllo Attivo
dell’elica Del Rotore
Riduzione delle vibrazioni
e del rumore sull’elica di
un elicottero

Cause:



Turbolenze
Vibrazioni
Metodi


Attuazione integrale
Attuazione discreta
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Controllo Attivo
dell’elica Del Rotore
Attuazione integrale: integral twist design

Utilizzo dell’AFC
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Controllo Attivo
dell’elica Del Rotore
integral twist design
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Controllo Attivo
dell’elica Del Rotore
Attuazione “Discrete flap”

Descrizione Attuatore
Attuatore attivato
Attuatore inattivo
Momento Piezoelectrico
piezoelettrico polarizzato positivamente
piezoelettrico polarizzato negativamente
d
Strato precompresso
Spostamento lineare senza rotazioni
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
Controllo Attivo
dell’elica del Rotore
Attuazione “Discrete flap”

Descrizione applicazione
Profondità = 13 mm
123 mm
Outpu
t
23 mm
Butt-joint in fibra
di vetro rinforzata
Attuatore ricurvo
Fermi regolabili
Corda in kevlar
Perno in acciaio del
deflettore
A.A.2001-2002
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Materiali Ceramici
aleggio al 10 %c
Considerazioni
Presente



Nuove prospettive in tutti i
campi dell’ingegneria
L’aumento delle prestazioni
sono alla portata dell’attuale
tecnologia
Facile conversione dei risultati
scientifici in economici.
Futuro

Siamo pronti per essere
stupiti.
A.A.2001-2002
Liquido astuto
sviluppato nei
laboratori di tecnologia
nel Michigan
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Conclusione
Fino a che punto un materiale deve essere
davvero considerato intelligente o
semplicemente adattivo ?
Siamo pronti ad accogliere materiali che
riescono a prendere la
giusta decisione morale?
A.A.2001-2002
Corso di Scienza e Tecn. Dei
Materiali Ceramici
Bibliografia
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