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.
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.
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.
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.
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
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.
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
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.
3 Aplicaciones De Los
Materiales Inteligentes
• Estructura del cristal de cuarzo (SiO4)
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
3 Aplicaciones De Los
Materiales Inteligentes
• Polarización
previa
• Polarización luego
de aplicar el campo
necesario
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
3.1 Estructuras Inteligentes
• Amortiguador de vibraciones.
– Como funciona.
• Cambian su rigidez.
para estar lejos de la.
frecuencia armónica.
3.1 Estructuras Inteligentes
• La columna multicapas
• Bicapa
3.1 Estructuras Inteligentes
• 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
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
• 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.
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..
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.
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.
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.
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.
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
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.
3.7 Polímeros Inteligentes
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.
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
• Materiales capaces de responder a cambios de Presión y Tº.
• Un mat piel es capáz de disminuir ruidos de flujo y aumento
de aerodinámica.
• Sensor regenerador y
piezoeléctrico para
contrarrestar las
turbulencias.
– Fluctuaciones de presión
externa y acústicas.
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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