Sin t

1
MATERIALES INTELIGENTES
CURSO ID42A PROFESOR MAURICIO PILLEUX FECHA
5/NOV/99 INTEGRANTES Luis Ferrer César
Morales Claudio Navarrete Fernando
Rodríguez Alejandro Ventura
2
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.

3
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.

4
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.

5
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.

6
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.

7
(No Transcript)
8
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.

9
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.

10
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.

11
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.

12
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

13
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 VIR.

14
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

15
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.

16
3 Aplicaciones De Los Materiales Inteligentes

• Estructura del cristal de cuarzo (SiO4)

17
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

18
3 Aplicaciones De Los Materiales Inteligentes

• Polarización previa

• Polarización luego de aplicar el campo necesario

19
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

20
3.1 Estructuras Inteligentes

• Amortiguador de vibraciones.
• Como funciona.
• Cambian su rigidez.
• para estar lejos de la.
• frecuencia armónica.

21
3.1 Estructuras Inteligentes

• La columna multicapas
• Bicapa

22
3.1 Estructuras Inteligentes

• Una mezcla entre Bicapas y Multicapas

23
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

24
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

25

• 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

26
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

27

• 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

28

• Pueden ser usados como materiales piezoeléctricos
• Material más común Metglas 2605SC (aleación de
  hierro, boro, silicio y carbono)

29
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

30
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

31
El caminante
32
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

33
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.

34
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..

35
(No Transcript)
36
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.

37
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.

38
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.

39
(No Transcript)
40
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.

41
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

42
(No Transcript)
43
3.7 Polímeros Inteligentes

• La mayoría de lo tejidos del cuerpo
• Iris
• Huesos
• Materiales suaves y blandos gt 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.

44
3.7 Polímeros Inteligentes
45
3.7 Polímeros Inteligentes

• En sol alcaina, los geles pierden iones H
• gt Grupos acrilatados cargados negativamente.
• En sol acidas, grupos ganan ión H
• gt 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.
• lt 25ºC Plastico Duro.
• gt 50ºC Suave y elástico.

46
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 gt 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).

47
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.
• gt Campo abierto de descubrimiento de nuevos
  Sensores Qcos.

48
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.

49
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 gt alimentación al
  amplificador.

50
4. Imitando Sistemas Biológicos

• Proceso de rellenamiento, reproduce las
  microestructuras de coral en metales cerámicos y
  polímeros.
• gt 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 gt sonares, equipos geofísicos y
  halladores de peces.
• Sensores y actuadores.

51
4. Imitando Sistemas Biológicos

• Ampolla de gas gt 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.

52
5. Desarrollos Futuros.

• Integración y miniaturización de los sensores y
  actuadores electrocerámicos. gt 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.

53
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.

54
6 Conclusiones

• Sin número de aplicaciones de los materiales
  inteligentes.
• Cambio radical en cómo hacer ingeniería