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
Anyagtudományi korszakok, anyagok hierarchiája, intelligens anyagok, csoportosítás
Alakmemória
Alapok, kristályszerkezeti magyarázat, alakrögzítési módok, példák (fémek és polimerek)
Piezoelektromosság
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
Feldolgozás, Technológia Feldolgozástól függő szerkezet
Anyagi „intelligencia”
Előnyösen változott tulajdonságok
Egyedi „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.
funkciók
érzékelő
kiértékelő,
megvalósító Jellemzők: - nagyfokú tulajdonságbeli változás, - megfordíthatóság, - gyors reakcióidő.
változás a környezetben
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
Lágy anyagok
emlékező anyagok: alakmemória; elektrostrikció és piezoelektromosság;
komplex folyadékok mágneses folyadékok, magnetoreológiai folyadékok, elektroreológiai folyadékok;
magnetostrikció.
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. •
MS: martenzites átalakulás elkezdődik
•
MF: martenzites átalakulás befejeződik
•
•
•
•
AS: ausztenites átalakulás elkezdődik AF: ausztenites átalakulás befejeződik σS: feszültség ahol ahol az átrendeződés elkezdődik σF: 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, Ttrans függ az adalékanyagoktól, - rugalmas deformáció: 6-8 %, - szakítószilárdság: 1 GPa,
- ciklusszám: 106 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 Ttrans=Tf 2. kovalens kötésekkel térhálósított polimer Ttrans=Tf; 3. kovalens kötésekkel térhálósított polimer Ttrans=Tg. Ha a hőmérséklet magasabb, mint Ttrans, 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. Ttrans,B and Ttrans,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: hőmérsékletváltozás 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/l0≈0.1%
uf
1 lp fF e p Ap
- ep: kristályállandó - Lp: A kristály hossza - Ap: a kristály felülete - fF: 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) Köbösen szimmetrikus rács: Nincs nettó dipólusmomentum Ellenion: oxidionok Piezoelektromos tulajdonság. Ha a Curie pont alatt nincs centroszimmetria Mechanikai terhelés: a kristályokban az ionok elrendezése változik dipólus momentum-változás
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)3Al6(BO3)3O18(OH,F)4)), Rochelle-só (káliumnátrium-tartarát: KNaC4H4O6·4H2O) , kvarc (SiO2), • •
• •
Mesterséges kristályok: Gallium-ortofoszfát (GaPO4), Kerámiák: ólom titanát (PbTiO3); ólom-cirkónium-titanát (Pb[ZrxTi1x]O3 0<x<1) PZT kerámia, jelenleg a leggyakoribb, deformáció mértéke pl. 6x10-4 µm/V; korlátozott élettartam; Ólommentes kerámiák: bizmut-ferrit (BiFeO3), NaKNb, NaNbO3 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. · H2 •
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
C60 molekula nm
nanorészecskék
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
3.0
D
E=3.30 kV/cm
2.5
E=2.04 kV/cm
2.0 1.5 1.0
E=1.30 kV/cm
0.5 E=0.52 kV/cm
0.0 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
