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 luego de aplicar el campo necesario
Polarización previa
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
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.
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
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.
3.7 Polímeros Inteligentes
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