MATERIALE INTELIGENTE

CUPRINS 1. Definitii, concepte 2. Tipuri de materiale 3. Aplicatii ale materialelor inteligente 4. Tendinte in cercetare

Cap. 1. Materiale inteligente DEFINITII, CONCEPTE

Conceptul de material inteligent deriva de la formele inteligente ale sistemelor (materialelor) naturale, adica organismele vii. Ca urmare, materialele inteligente sunt concepute ca materiale care indeplinesc functiile naturale de detectie (sensing), comanda (actuation), control si inteligenta (figura 1). A C D EFigura 1. Set de structuri A structuri adaptive B structuri senzitive C structuri controlate D structuri active

B

E structuri inteligente

Materialele inteligente (smart / intelligent materials) au proprietatea de a se auto-adapta la stimuli externi. Functiile acestor materiale se manifesta inteligent in functie de schimbarile mediului exterior (figura 2).Iesire Raspuns Material activ Figura 2. Sub actiunea stimulilor externi, materialul inteligent (activ) se modifica intrinsec

Intrare Stimul

Raspunsul materialelor active la schimbarile de mediu (stimuli) poate consta in modificarea lungimii materialului, modificarea viscozitatii, a conductivitatii electrice s.a. 1

Forta exterioara aplicata poate fi clasificata in trei categorii: cimp electric ceramici electrostrictive si piezoelectrice si polimeri piezoelectrici cimp termic aliaje cu memoria formei cimp magnetic materiale magnetostrictive si materiale magnetice cu memoria formei (aliaje feromagnetice cu memoria formei)

In functie de tipul de raspuns pe care il genereaza, materialele active pot fi impartite in doua categorii: 1). Semnalul de intrare este transformat totdeauna in efort, care poate fi folosit pentru a introduce miscare (dinamica) intr-un sistem. Aceste materiale constituie grupul cel mai des folosit pentru a construi o structura inteligenta (materiale active integrate intr-o structura mecanica, de exemplu o constructie sau elicea unui elicopter), cu scopul de a modifica dimensiunile geometrice ale structurilor. Dispozitivele pe baza de materiale care raspund prin modificarea lungimii sint denumite adesea actuatori (sau actuatori in stare solida). Materialele active pot fi folosite si ca senzori, atunci cind efortul aplicat asupra materialului este transformata intr-un semnal care permite estimarea nivelurilor de tensiune in sistem. Figura 3 ilustreaza principiile unui material actuator/senzor. In functie de directia stimul raspuns, un dispozitiv cu material activ poate fi folosit atit ca actuator, cit si ca senzor.

(a)

(b)

Figura 2. Dispozitive cu materiale active utilizate ca actuator (a) si senzor (b) 2). A doua categorie de materiale active contine acele materiale care raspund la stimuli prin modificarea unei proprietati cheie, de exemplu conductivitatea electrica sau viscozitatea. Aceste materiale sint mai putin integrate in structuri mecanice, fiind folosite mai degraba pentru 2

reprezentarea

modulelor

complexe,

de

exemplu

cuple,

dispozitive

de

fixare,

valve,

intrerupatoare. Aceste materiale sint folosite in mod frecvent ca senzori. Desi materialele din aceasta categorie nu genereaza o tensiune la aplicarea unui stimul extern, ele sint uneori denumite sisteme actuatoare. Exemple in acest sens sint fluidele electro si magnetoreologice, care raspund prin cresterea viscozitatii la aplicarea unui cimp electric sau magnetic extern. TERMENI Desi au fost stabilite metode de a cuantifica si clasifica diferite niveluri de inteligenta a sistemelor, dintr-un punct de vedere practic este mult mai important de a intelege ca nici una dintre clasificari nu este stabilita si utilizata ca standard din punct de vedere stiintific sau industrial. Mai mult, termenii: - material inteligent - material activ - material adaptiv - senzori, actuatori (intr-o oarecare masura) sint utilizati aproape totdeauna intersanjabil. Acest lucru poate crea confuzii deoarece termeni diferiti pot descrie acelasi efect sau proprietate a materialului. Confuzia poate creste si mai mult in conditiile in care termeni ca dispozitiv inteligent, sistem inteligent sau structura inteligenta sint deseori folositi impropriu. Este stiut faptul ca, in general, complexitatea unui sistem creste in seria material dispozitiv sistem structura. PROPRIETATI DE MATERIAL CARE DETERMINA APLICATIILE MATERIALELOR INTELIGENTE Anumite caracteristici specifice ale materialelor fac ca acestea sa poata fi folosite in aplicatii ca materiale inteligente. Aceste proprietati sunt: efectul piezoelectric efectul magnetostrictiv efectul electroplastic efectul de memorie a formei proprietati electroreologice proprietati neliniare electrooptice proprietati neliniare electroacustice 3

-

proprietati neliniare electromagnetice proprietati pirosenzitive

Cap. 2. Materiale inteligente - TIPURI DE MATERIALE INTELIGENTE 1. Materiale inteligente piezoelectrice Printre primele aplicatii ale materialelor inteligente piezoelectrice au fost in structuri inteligente caracterizate prin sinergie electroelastica. Pentru asemenea aplicatii, au fost utilizate in principal materialele ceramice. Astfel, sunt utilizate ceramici feroelectrice policristaline (BaTiO3, CdTiO3, PbZrO3, PbTiO3), cu diferite proportii stoichiometrice. O alta clasa de compozite flexibile piezoelectrice care pot fi folosite in aplicatii inteligente este constituita de sistemul PbTiO3 cauciuc cloroprenic. Un alt exemplu de materiale folosite in ingineria materialelor inteligente il constituie compozitele vitroceramice continind faze cristaline de Li2SiO3, Li2Si2O5, Ba2TiSi2O8, Ba2TiGe2O8, Li2B4O7, etc. Materiale inteligente piezolecetrice pot fi, de asemenea, realizate din polimeri, si anume poliviniliden fluorida (PVDF). Principalele avantaje ale acestui material rezida in faptul ca poate fi fasonat sub forma unor foi (straturi) foarte subtiri si poseda o rezistenta mecanica excelenta, combinata cu o foarte mare sensibilitate la modificarile de presiune. Un alt material piezoelectric recent descoperit (NTK Research, Japonia) este un material pe baza de cauciuc, numit cauciuc piezoelectric. Acest material este format din cauciuc sintetic (cloropren) in care sunt dispersate particule fine din piezoceramica PZT (titanat de plumb si zinc). Cauciucul piezoelectric combina proprietatile PZT (senzitivitate ridicata, inertie chimica, linearitate, simplitate) cu flexibilitatea cauciucului. Un asemenea tip de material a contribuit la dezvoltarea conexiunilor cu cablu coaxial. 2. Materiale inteligente magnetostrictive Structurile inteligente moderne contin materiale cu un grad ridicat de magnetostrictiune. In general, aceste materiale pot induce un effort de aprox. 2000 ppm. Aceste materiale sunt aliaje de fier si metale - paminturi rare, cum ar fi terbiu (Te), dysprosiu (Dy) si niobiu (Nb). Transduceri magnetostrictivi pentru aplicatii inteligente pot fi realizati si din anumite sticle metalice. 3. Materiale inteligente electroplastice 4

Aceste materiale sunt utile ca medii elastice inteligente mai ales daca stimulul care modifica doformarea elastica este curentul electric, care poate fi controlat extern. Utilitatea acestor materiale in sisteme inteligente care functioneaza la temperatura camerei este inca in studiu. 4. Materiale inteligente cu memoria formei In aceasta clasa intra 3 categorii de materiale, si nume: (a) aliaje cu memoria formei (b) compozite hibride cu memoria formei (c) polimeri cu memoria formei (a) Aliajele nichel titan de compozitie adecvata prezinta caracteristici unice de memorie, respectiv de refacere a formei, fiind cele mai populare aliaje cu memoria formei. Atunci cind asemenea materiale sunt deformate plastic in starea de temperatura joasa si apoi incalzite deasupra temperaturii de tranzitie, are loc refacerea configuratiei (formei) originale (deformatii de pina la 6 8 % pot fi complet refacute prin incalzirea materialului). Principalele aplicatii ale acestor materiale inteligente sunt actuatorii electromecanici. (b) Compozitele hibride cu memoria formei sunt materiale compozite care contin fibre sau straturi de aliaje cu memoria formei (Ni Ti), astfel incit ele sa poata fi controlate mecanic prin incalzire. Aceste materiale pot fi incalzite prin trecerea unui curent electric prin fibre. Materialele din aceasta categorie pot fi folosite in interactiuni material structura. (c) Polimerii cu memoria formei sunt caracterizati prin memorie elastica, adica la temperatura de tranzitie vitroasa exista o larga modificare reversibila a modulului elastic. Cu alte cuvinte, la temperatura de tranzitie vitroasa materialul poate trece din stare sticloasa in stare plastica. In general, polimerii cu memoria formei sunt rezistenti, foarte usori si transparenti. Printre polimerii utilizati in acest scop se numara cei pe baza de polinorborena si cei pe baza de poliuretan. Aceste materiale inteligente pot fi utilizate fie ca materiale elastice cu memorie fie ca materiale cu memoria formei.

5. Fluide electroreologice inteligente Cercetarile curente asupra fluidelor electroreologice au ca obiectiv dezvoltarea unor sisteme purtatoare de particule, cu proprietati care sa permita obtinerea unui comportament elastic inteligent. Versiuni anterioare de fluide electroreologice contineau apa adsorbita, ceea ce limita temperatura de operare la 80C. Noile fluide electroreologice contin particule de polimeri, 5

minerale sau ceramici disperaste in ulei silconic, ulei mineral sau parafina clorurata, prezentind urmatoarele avantaje: cresterea domeniului de operare la 200C, proprietati izolatoare bune, compatibilitate la dispersia particulelor. 6. Materiale inteligente electrooptice Fosfatul dihidrogenat de potasiu este un exemplu de material care prezinta proprietati electrooptice. Asemenea materiale de sinteza isi pot modifica indicele de refractie si, deci, caracteristicile de transmisie si reflexie optica, in prezenta unui stimul electric. Materialele din aceasta categorie pot fi utilizate ca senzori inteligenti. 7. Materiale inteligente electroacustice Asemenea materiale prezinta vibratii puternice in functie de caracteristicile piezoelectrice. Cauciucul piezoelectric, ceramicile PZT, LiNBO3, PZT cu dopanti donori sunt candidati viabili pentru aplicatii inteligente. 8. Materiale inteligente electromagnetice Sunt cunoscute numeroase materiale care poseda proprietati feroelectrice, cel mai cunoscut fiind titanatul de bariu (BaTiO3). Titanatul de bariu poate fi un foarte bun material inteligent datorita avantajelor pe care le prezinta: rezistenta mecanica ridicata, rezistenta la incalzire si umiditate, usurinta in procesare. Electretii, cum ar fi polimetilmetacrilatul, pot fi utilizati si ei in aplicatii inteligente. Dintre materialele magnetice neliniare, materialele feromagnetice platina cobalt sau feritele ar putea fi utilizate in aplicatii inteligente.

9. Materiale inteligente pirosenzitive Aceste materiale sunt utile in realizarea suprafetelor electromagnetice active inteligente, a materialelor radar-absorbante, a scuturilor electromagnetice s.a. De exemplu, datele de literatura au demonstrat ca o suprafata compozita alcatuita din electrolit solid (ex. AgI) controlabil termic este caracterizata prin proprietati de absorbtie/reflexie a microundelor la temperaturi ridicate. 6

Aceste caracteristici pot fi combinate cu un senzor electromagnetic pentru a realiza un feedback controlabil si pentru a obtine o suprafata activa inteligenta.

Cap. 3. Materiale inteligente APLICATII

APLICATII STRUCTURALE Efect electroelastic (efect piezoelectric) Efect magnetoelastic (efect magnetostrictiv) Efect electroreologic Efect de memorie a formei Efect electroplastic APLICATII ACUSTICE Efect piezoelectric Efect magnetostrictiv

APLICATII ELECTROMAGNETICE Efect neliniar feroelectric Efect neliniar feromagnetic Efect pirosenzitiv

APLICATII OPTICE Efect neliniar electooptic Efect electrocromic

Structurile si materialele inteligente pot monitoriza, controla si se pot adapta la modificarile mediului exterior. Spre exemplu, in cazul unui pod, un sistem integrat poate furniza o cantitate imensa de date privind conditiile atmosferice, conditiile de trafic, starea generala a podului, respectiv daca si cind trebuie reparat (figura 3).

7

Figura 3. Avantajele utilizarii structurilor inteligente in constructii O cladire activa (inteligenta) in intregime se poate adapta, de exemplu, in conditii de vint foarte puternic sau cutremur, astfel incit sa reduca atit disconfortul persoanelor dinauntru, cit si gradul de avariere. Un interes deosebit este acordat integrarii sistemelor de auto-diagnosticare in structura echipamentelor, astfel incit sa se poata monitoriza gradul de oboseala, distrugerea structurala, coroziunea si eroziunea. Probabil cele mai atractive aplicatii in acest sens se intilnesc in transporturi, unde se utilizeaza tot mai mult materialele noi, mai usoare si mai rezistente (ex. materiale plastice ranforsate cu fibre de sticla si carbon) figura 4.

Figura 4. Structurile active inteligente (auto-testare si diagnoza) reprezinta viitorul in sistemele de transport 8

Mai mult, intretinerea si service-ul continuu al vehicolelor de transport sunt activitati deosebit de costisitoare. De aceea, un vehicol inteligent care este reparat doar atunci cind trebuie devine foarte atractiv din punct de vedere economic. Ingineria materialelor inteligente este abia la inceput. Cu toate acestea, rezultatele deja existente, ca si cercetarile in curs de desfasurare au confirmat posibilitatea utilizarii materialelor inteligente in citeva directii high-tech. S-a demonstrat faptul ca materialele inteligente pot fi utilizate in ingineria structurala, tehnici electromagnetice, biomedicale, optice si biologice. Cercetari deosebite au drept scop aplicarea acestor materiale in industria aerospatiala, aeronautica, nave, roboti. Domeniul de aplicatii ale materialelor inteligente poate fi extins la absorbtii acustice si control adaptiv de culoare in sticle, oglinzi, s.a. Sistemele inteligente viabile reprezinta combinarea de materiale noi / avansate, senzori inovativi, microcomputere, inteligenta artificiala, retele neurale si diverse tehnologii emergente. Cercetarile intreprinse la nivel mondial au stabilit pina acum urmatoarele domenii de aplicabilitate a materialelor inteligente: 1. Inginerie structurala / mecanica Cladiri inteligente rezistente la cutremure Sisteme aeropurtate cu invelisuri inteligente, cu capacitati auto-recover Structuri spatiale Evaluari nedistructive a structurilor de mari dimensiuni

2. Inginerie electromagnetica Scuturi magnetice si electrostatice Scuturi de inalta frecventa Materiale radar-absorbante Suprafete active Control adaptiv de radiatii

3. Inginerie chimica Materiale cu caracteristici adaptive de adsorbtie Materiale adaptive rezistente la coroziune

4. Inginerie biomedicala Materiale cu proprietati structurale inteligente utilizabile ca membre artificiale Materiale cu proprietati biochimice adaptive 9

5. Inginerie termica Structuri adaptive de transfer de caldura si structuri rezistente la caldura (navete spatiale, etc) 6. Inginerie optica Culoare adaptiva, transparenta optica, reflexie, controlul opacitatii in sticle si oglinzi

7. Inginerie acustica Absorbtie / reflexie activa a radiatiei sonar Camere adaptive fara ecou

8. Sisteme de razboi Adaposturi inteligente Structuri rezistente la soc

Cap. 4 - Materiale inteligente TENDINTE IN CERCETAREA MONDIALA

Fiecare numar al jurnalului Smart Materials and Structures va fi prezentat in pagina de web a Programului MATNANTECH. Pentru lucrarile in extenso, va puteti adresa Secretariatului. Smart Materials and Structures, Vol 11, No 2, April2002 (175-316)

ISSN: 0964-1726 CUPRINS 1. Deformation characteristics of circular RAINBOW actuators

Michael W Hyer and Adel B Jilani2. Rosette piezotransducers for damage detection

G Kawiecki and S Jesse3. Investigation of the dynamic mechanical behavior of the double-barreled configuration in a

magnetorheological fluid damper G Y Zhou and P Q Zhang

10

4. Dynamic behavior of a piezothermoelastic laminate considering the effect of transverse shear 5. 6. 7. 8.

9. 10. 11. 12. 13.

M Ishihara and N Noda Nonlinear rheological behavior of magnetorheological fluids: step-strain experiments W H Li, H Du, G Chen, S H Yeo and N Q Guo An overview of vibration and seismic applications of NiTi shape memory alloy S Saadat, J Salichs, M Noori, Z Hou, H Davoodi, I Bar-on, Y Suzuki and A Masuda Shunted piezoelectrics for passive control of turbomachine blading flow-induced vibrations Charles J Cross and Sanford Fleeter Real-time cure monitoring of smart composite materials using extrinsic Fabry-Perot interferometer and fiber Bragg grating sensors J S Leng and A Asundi Transformation start stress in non-textured shape memory alloys X Y Gao and W M Huang Damage detection in composite materials using Lamb wave methods Seth S Kessler, S Mark Spearing and Constantinos Soutis Cure monitoring of composite laminates using fiber optic sensors Hyun-Kyu Kang, Dong-Hoon Kang, Hyung-Joon Bang, Chang-Sun Hong and Chun-Gon Kim Harmonic analysis of a magnetorheological damper for vibration control W H Liao and C Y Lai Thermal post-buckling and aeroelastic behaviour of shape memory alloy reinforced plates Mohammad Tawfik, Jeng-Jong Ro and Chuh Mei

TECHNICAL NOTES 14. Boundary formulation and numerical analysis of elastic bodies with surface-bonded piezoelectric films Jiashi Yang and Yijun Liu 15. Thermal modelling of shape memory alloy fixator for medical application C Song, P A Campbell, T G Frank and A Cuschieri

11