Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek Nem-konvencionális anyagok Intelligens anyagok Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék BME Műanyag- és Gumiipari Laboratórium H ép. I. emelet 1 Szilágyi András http://www.mindentudas.hu/zrinyi/20030117zrinyi1.html
Vázlat Bevezetés Alakmemória Piezoelektromosság Anyagtudományi korszakok, anyagok hierarchiája, intelligens anyagok, csoportosítás Alapok, kristályszerkezeti magyarázat, alakrögzítési módok, példák (fémek és polimerek) Történet, szerkezeti magyarázat, magnetostrikció, példák, alkalmazás Komplex folyadékok Aktuátorok Alapelvek, szerkezeti feltételek, példák, alkalmazási területek Alapelvek, különböző anyagokból készült aktuátorok összehasonlítása 2
Bevezetés Csoportosítás, technológia Kiindulási anyagok Alaptulajdonságok Szerkezet Feldolgozástól függő szerkezet Előnyösen változott tulajdonságok Feldolgozás, Technológia Egyedi intelligencia Anyagi intelligencia Termék 3 Beavatkozási lehetőség Ellenőrzési lehetőség Mérhető mennyiség
Történelmi korszakok A fejlettség mércéje 4
Az anyagok hierarchiája Egy csoportosítási szempont Szerkezeti anyagok Funkcionális anyagok Multifunkcionális anyagok Intelligens anyagok kódolt anyagok? Kulcsszó: alkalmazkodóképesség: passzív változatlanság http://www.mindentudas.hu/zrinyi/20030117zrinyi1.html anyag és környezet dinamikus kapcsolata 5
Az intelligens anyagok Intelligencia: alkalmazkodóképesség új helyzetekhez Intelligens anyagoknak azokat a funkcionális anyagokat nevezzük, amelyek közvetlen környezetük fizikai vagy kémiai állapotának egy vagy több jellemzőjét érzékelik, e jeleket feldolgozzák, majd pedig ezekre, állapotuk jelentős megváltoztatásával, gyors és egyértelmű választ adnak. érzékelő kiértékelő, megvalósító változás a környezetben funkciók Jellemzők: - nagyfokú tulajdonságbeli változás, - megfordíthatóság, - gyors reakcióidő. megváltozott tulajdonságok 6
Csoportosítás Vezérlő környezet számítógép elektronikus jele (elektromos és/vagy a mágneses tér) A természetes környezet változása (hőmérséklet, kémiai környezet, mechanikai hatás, fény stb.) Intelligens anyagok Kemény anyagok emlékező anyagok: alakmemória; elektrostrikció és piezoelektromosság; magnetostrikció. Lágy anyagok komplex folyadékok mágneses folyadékok, magnetoreológiai folyadékok, elektroreológiai folyadékok; polimer gélek 7
Alakmemória Definíció Azok az anyagok rendelkeznek alakmemóriával, amelyek képlékeny deformációja során egy ideiglenes alakot hozhatunk létre és tartósan rögzíthetünk, illetve amelyek képesek visszanyerni az előzetesen meghatározott eredeti alakjukat egy külső környezeti paraméter hatására. Ez többnyire a hőmérséklet. 8
Emlékező fémek Shape memory alloys (SMA) Történelem: 1890-es évek: vas edzése, martenzites szerkezet, 1949: reverzibilis ausztenit martenzit átalakulás, CuZn, CuAl 1963: NITINOL: Nikkel + Titán + Naval + Ordnance + Laboratory, jó mechanikai tulajdonságok, SMA 1965: hadászati alkalmazás: F-14-es repülők, 1970-es évek vége: orvosi alkalmazás 9
Emlékező fémek Az alakmemória szerkezeti magyarázata Kristályszerkezeti átalakulás Ausztenit (g) Martenzit (a) (oldott anyagokban túltelített α-vas) Hirtelen hűtés Kemény rideg anyag http://hu.wikipedia.org/wiki/ac%c3%a9l D. C. Lagoudas (ed.), Shape memory alloys, Springer, 2008. 10
Emlékező fémek Szerkezeti átalakulás terhelés nélkül Kristályszerkezeti átalakulás: alak, méret, tulajdonság változik. M S : martenzites átalakulás elkezdődik M F : martenzites átalakulás befejeződik A S : ausztenites átalakulás elkezdődik A F : ausztenites átalakulás befejeződik σ S : feszültség ahol ahol az átrendeződés elkezdődik σ F : feszültség ahol ahol az átrendeződés befejeződik 11
Emlékező fémek Ikresített twinned szerkezet Az ikresített határvonal egy speciális kristályszerkezeti hiba Speciális tükörképi szimmetria van az ikresített határvonal két oldalán A határvonal két oldalán úgynevezett ikerszerkezet található Annealing (HCP hexagonal) (FCC köbös) Mechanikai (BCC köbös) Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p.94. 12
Emlékező fémek Ikresített szerkezet deformációja Ikresített szerkezet nyírás hatására deformálható Egyedi jelleg: homogén nyírási deformáció A kristálytani orientáció a csúszási sík két oldalán azonos a deformáció előtt és után Visszarendeződés is történhet (SMA) Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p.187. 13
Emlékező fémek Szerkezeti átalakulás terhelés hatására Terhelés hatására eltérő szerkezetek alakulnak ki SMA kristályszerkezeti átalakulása terhelés hatására: detwinning SMA kristályszerkezeti átalakulása terhelés megszűnik és melegítés 14
Emlékező fémek Hőmérséklet indukált kristályszerkezeti átalakulás terhelés mellett D. C. Lagoudas (ed.), Shape memory alloys, Springer, 2008. 15
Emlékező fémek Pszeudoplasztikus hatás D. C. Lagoudas (ed.), Shape memory alloys, Springer, 2008. 16
Emlékező fémek Alakmemória Nitinol Alakmemória + szuperrugalmasság: - hevítés elektromosan is, ρ=80μωcm, - Ni, Ti, szennyezők, adalékanyagok, T trans függ az adalékanyagoktól, - rugalmas deformáció: 6-8 %, - szakítószilárdság: 1 GPa, - ciklusszám: 10 6 felett. Jövőnk anyagai, technológiái, 2001. 134. 415. 17
Emlékező fémek Alakmemória Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p.349. 18
Emlékező fémek Egyutas és kétutas alakmemória 19
Emlékező fémek Felhasználás Hadiipar: F14-es repülők csőcsatlakozó elemei; marsjáró Aktuátorok robottechnikában: mesterséges izom, izomhuzal, nagy fajlagos teljesítmény; Jóléti társadalom termékei: melltartó pánt, ruházat, golfütő, biztonsági vízelzáró; tűzjelő, szemüvegkeret (szuperrugalmas tulajdonság) Orvostechnikai alkalmazások: Orvosi protézis gondolattal (elektromos jellel vezérelt) művégtag; Sztentek (értágítók) 20
Emlékező fémek Példák 21
Emlékező polimerek Shape memory polymers (SMP) Poli(ε-kaprolakton)-dimetakrilát (1) és butilakrilát (2) kopolimer (50-50%) hőmérsékletemelés hatására bekövetkező alakváltozása. Ideiglenes alak: spirál rugó Valódi alak: vékony rúd forma. Az átalakulás i hőmérséklet: 46 C. A dián a folyamat 35 s alatt játszódott le 70 C-on. Angewandte Chemie 02. 41. 2034. 22
Emlékező polimerek Szerkezeti magyarázat 1. blokk-kopolimer T trans =T f 2. kovalens kötésekkel térhálósított polimer T trans =T f ; 3. kovalens kötésekkel térhálósított polimer T trans =T g. Ha a hőmérséklet magasabb, mint T trans, a szegmensek flexibilisek és a polimer deformálható. Az ideiglenes alak hűtéssel rögzíthető. Ha a polimert felmelegítjük, az eredetileg kialakított alakot kapjuk vissza. - rugalmas deformáció: 50-100 %, - ciklusszám: pár száz, másképpen értendő!!! 23
Emlékező polimerek Termikus átmenetek 1. videó: A polimer cső átmérője először nő, majd csökken. A két különböző hőmérsékleten tárolt memória effektusnak nem kell szükségszerűen azonos irányúnak lennie. Felhasználás: orvosi sztentek. Kompresszált formában az érbe helyezik, a kívánt helyen duzzad és eléri a kívánt hatást. Egy későbbi időpontban aktiválható az újbóli zsugorodás, így könnyebbé válik az eltávolítás. T trans,b and T trans,a a polimerek moltömegével szabályozhatók. 2. videó: Intelligens csomagolás, a rendszer képes nehezen hozzáférhető helyekre önmagát behajtogatni. Felhasználás: - önjavító autóalkatrészek, konyhai eszközök, - biokompatibilis, biológiailag lebontható implantátumok, sztentek, - mágneses hiszterézissel kiváltható alakváltozás. PNAS 06. 11. 18043. 24
Alakmemória polimerekben Fény által indukált átmenet Fotoindukált alakmemória előnyei: - Szobahőmérsékleten aktiválható, - Nem kell mechanikai kapcsolat: távirányítás. Nature 05. 434. 879. 25
Piezoelektromosság Elektrostrikció Történeti előzmények Piroelektromos effektus: hőmérsékletválto- zás hatására potenciálkülönbség jön létre (18. század) - hőmérsékletmérők Haüy és Becquerel: kapcsolat a mechanikai terhelés és az elektromos feszültség között Piezoelektromosság kísérleti igazolása (1880): Pierre és Jacques Curie (turmallin, Rochelle-só) Elektrostrikció: Elektromos tér hatására keletkezik deformáció Lippmann megjósolta a termodinamika törvényei alapján Igazolás: szintén Pierre és Jacques Curie 1950-es évek: gyakorlati alkalmazás Pierre Curie (Nobel: 1903) Jacques Curie Gabriel Lippmann (Nobel:1908) 26
Piezo és elektrostrikció Definíciók Piezoelektromosság: elektromos jelenség, melynek során bizonyos kristályokon összenyomás hatására elektromos feszültség keletkezik. Elektrostrikció: feszültség hatására alakváltozás jön létre, a kristály összehúzódik vagy kitágul. Deformáció: l/l 0 0.1% u f 1 p e p l A p f F - e p : kristályállandó - L p : A kristály hossza - A p : a kristály felülete - f F : a felületre ható terhelés. http://commons.wikimedia.org/wiki/file:schemapiezo.gif 27
Piezoelektromosság Szerkezeti feltétel Perovszkit típusú kristályok: Négy vegyértékű központi fématom (titán vagy cirkónium) Nagyobb méretű, kétértékű fémionok (ólom, bárium) Ellenion: oxidionok Piezoelektromos tulajdonság. Ha a Curie pont alatt nincs centroszimmetria Mechanikai terhelés: a kristályokban az ionok elrendezése változik dipólus momentum-változás Köbösen szimmetrikus rács: Nincs nettó dipólusmomentum Kisebb szimmetria: tetragonális, rombohedrális szerk. Eredmény: nettó dipólusmomentum 28
Piezoelektromosság Gyakorlati példa PZT (ólom-zirkónium-titanát) Összetételtől függő kristályszerkezet Jó polarizálhatóság 29
Piezoelektromos anyagok Elektrostriktív anyagok Természetes kristályok: turmalin (Na(Mg,Fe,Li,Al,Mn) 3 Al 6 (BO 3 ) 3 O 18 (OH,F) 4 )), Rochelle-só (káliumnátrium-tartarát: KNaC 4 H 4 O 6 4H 2 O), kvarc (SiO 2 ), Mesterséges kristályok: Gallium-ortofoszfát (GaPO 4 ), Kerámiák: ólom titanát (PbTiO 3 ); ólom-cirkónium-titanát (Pb[Zr x Ti 1- x]o 3 0<x<1) PZT kerámia, jelenleg a leggyakoribb, deformáció mértéke pl. 6x10-4 µm/v; korlátozott élettartam; Ólommentes kerámiák: bizmut-ferrit (BiFeO 3 ), NaKNb, NaNbO 3 Polimerek: poli(vinilidén-fluorid) (PVDF), nagyobb deformáció (eltérő mechanizmus: külső elektromos tér hatására a polimer láncok vonzó-taszító kölcsönhatásainak változása!). http://en.wikipedia.org/wiki/piezoelectric#naturally-occurring_crystals 30
Piezoelektromosság Alkalmazás Képes több ezer volt feszültséget generálni: piezoelektromos öngyújtó, Saját rezgését nagyon pontosan tartja: kvarcórák időalapja, Pásztázó mikroszkópia (AFM), CD/DVD fej mechanika, Quartz crystal microbalance (QCM), Transducer -ek Egyéb területek http://en.wikipedia.org/wiki/piezoelectric#naturally-occurring_crystals 31
Piezoelektromosság Példák 32
Magnetostrikció Joule, 1842 Ferromágneses anyagok (pl.: Ni-Fe ötvözet) mágneses tér hatására megváltozik a mágneses permeabilitás, a változás hatására az anyag deformálódik. Aktuátorként, szenzorként felhasználhatók. Legnagyobb effektus: ritkaföldfém ötvözetek ötvözet Terfenol-D (Ter, mint terbium, Fe, mint vas, NOL, mint Naval Ordance Laboratory és D for diszprózium; TbxDy1Fe2. Elérhető mozgástartomány: max. 0,01 mm, szobahőmérsékleten max. 0,002-es deformáció arány. A mágneses hiszterézis miatt a kristályok melegednek. 33
Magnetostrikció Szerkezeti magyarázat Telítésig tart a folyamat (mágneses domének beállása térirányba) Dl /l = konst. H 2 Felhasználás: Mágneses térrel, vezeték nélküli vezérlés. Precíz (μm), gyors vezérlés, szenzorok, aktuátorok 34
Lágy anyagok komplex folyadékok A mágnesesség és elektromosság összekapcsolása Folyási tulajdonságok folyadék nanorészecskék C 60 molekula nm baktérium m 35
Komplex folyadékok Elektroreológiai, magnetoreológiai folyadékok Hasonló viselkedés Részecske mező kölcsönhatás (inhomogén tér) Részecske részecske kölcsönhatás (homogén tér) 36
Komplex folyadékok Példák 37
Komplex folyadékok Példák 38
Komplex folyadékok Példák D 3.0 2.5 2.0 E=3.30 kv/cm E=2.04 kv/cm 1.5 1.0 E=1.30 kv/cm 0.5 0.0 E=0.52 kv/cm 0 50 100 150 200 250 t [s] 39
Komplex folyadékok Alkalmazás KUPLUNG LENGÉSCSILLAPÍTÓ 40
Aktuátorok Definíció Intelligens anyagok kapcsolata Smart material érzékeli a környezeti változást Actuator válaszreakciót hajt végre A kettő kombinációjával a környezeti hatásra automatikusan reagáló szenzort lehet készíteni Aktuátorok Valamilyen deformációra vagy mozgásra képes anyag SMA Piezoelektromos kerámia Magnetostriktív kerámia Elektroreológiai/megnetoreológiai folyadékok 41
Aktuátorok Összehasonlítás Feszültség - deformáció Kinyerhető energia - frekvenciatartomány 42
Aktuátorok alkalmazása Mikromechanikai rendszerek (MEMS) Mikromechanikai rendszerek Mikroszenzorok Mikroaktuátorok Nagyon finom mozgások vezérlése (AFM) Nagyon kis helyen megoldott meghajtás 100x nagyítás Callister, W. D. Materials Science and Engineering an Introduction 7th edition Wiley 2007 p.468. 43