MATERIAŁY INTELIGENTNE


MATERIAŁY INTELIGENTNE

Materiały inteligentne można zdefiniować jako grupę materiałów, które posiadają zdolność do zmiany swoich własności fizycznych w odpowiedni sposób na skutek oddziaływań zewnętrznych w sposób funkcjonalnie użyteczny. Do najbardziej popularnych materiałów z tej grupy można zaliczyć stopy metali z pamięcią kształtu (Shape Memory Alloy – SMA), ciecze magnetoreologiczne (Magneto-Reological Fluids – MRF) a także materiały piezoelektryczne (Piezoelectric Materials).

STOPY METALI Z PAMIĘCIĄ KSZTAŁTU

Stopy te są znane głównie ze swoich wyjątkowych właściwości związanych z efektem pamięci kształtu. Zjawisko to zostało odkryte w latach trzydziestych ubiegłego wieku i doczekało się wielu zastosowań praktycznych. Głównym powodem szybkiego wzrostu zainteresowania tym efektem było odkrycie w Laboratoriach Badawczych Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, dokładnie US Naval Ordinance Laboratory (w skrócie US NOL) w 1958 roku stopu niklu oraz tytanu (49% niklu i 51% tytanu), istniejącego dzisiaj pod handlowa nazwą NITINOL. Materiały SMA mogą wykazywać zarówno efekt pseudosprężystości (możliwość odkształcenia do 8% w przeciwieństwie do konwencjonalnych stopów, gdzie maksymalne odkształcenie sprężyste wynosi około 1%) oraz efekt pamięci kształtu (posiadają zdolność do zapamiętywania oraz odzyskiwania swojej pierwotnej postaci). Charakterystyczną temperaturą dla tych stopów jest temperatura Af (temperatury końca przemiany austenitycznej). Przekraczając tą temperaturę stop SMA zmienia całkowicie strukturę wewnętrzną z martenzytycznej na austenityczną powodując odzysk zapamiętanego kształtu a powyżej tej temperatury wykazując efekt pseudosprężystości.

CIECZE MAGNETOREOLOGICZNE

Ciecze magnetoreologiczne to zawiesiny drobnych cząstek magnetycznie spolaryzowanych, w magnetycznie obojętnej osnowie. Zachowanie się tej zawiesiny oraz zmiana parametrów fizycznych pod wpływem pola magnetycznego może być wyjaśnione za pomocą teorii tworzenia się łańcuchów. Zakłada ona, że cząsteczki cieczy przy braku pola magnetycznego są rozmieszczone w cieczy w sposób przypadkowy, a wypadkowy ich wektor magnetyczny jest równy zeru. Jednak gdy na ciecz oddziałuje pole magnetyczne, momenty magnetyczne cząstek układają się wzdłuż linii sił tego pola tworząc struktury łańcuchowe. Zmiany te są odwracalne i zachodzą w bardzo krótkich czasach rzędu kilku milisekund. Zjawisko to powoduje zmianę lepkości oraz przeniesienie granicy plastyczności cieczy. Przy braku zewnętrznego pola magnetycznego, substancje te zachowują się podobnie do cieczy newtonowskich. Te właściwości pozwalają na budowę przetworników przekształcających sygnały elektryczne na sygnały mechaniczne. Do takich urządzeń można zaliczyć tłumiki ze sterowalną siłą tłumienia czy też sprzęgła ze sterowalnym momentem obrotowym. Typowa ciecz magnetoreologiczna składa się z trzech podstawowych składników. Pierwszy składnik to cząsteczki ferromagnetyczne, które są otoczone powłoką powierzchniową. Cząsteczki te są zawieszone w cieczy nośnej obojętnej magnetycznie oraz elektrycznie. Wielkość cząstek występujących w cieczy magnetoreologicznej jest rzędu od 0.5 μm do 8 μm, a procentowa zawartość ich w cieczy wynosi od 20% do 80%. Jako ciecz nośna zazwyczaj używany jest olej mineralny lub silikonowy wykazujący niską zdolność parowania. Bardzo niekorzystną cechą tych cieczy jest skłonność do segregacji cząstek podczas dłuższego okresu bezruchu. Aby zminimalizować to zjawisko, stosuje się różnego rodzaju dodatki w postaci substancji chemicznych, których skład jest tajemnicą firm wytwarzających ciecze.

MATERIAŁY PIEZOELEKTRYCZNE

Materiały piezoelektryczne to struktury, w których obserwowane jest zjawisko piezoelektryczne, polegające na pojawieniu się pod wpływem naprężeń mechanicznych, ładunków elektrycznych na ich powierzchni. W roku 1880 Jakub i Piotr Curie w czasie doświadczeń z płytkami wyciętymi z kryształu kwarcu zauważyli, że wywieranie nacisku w pewnych kierunkach krystalograficznych powoduje pojawienie się na powierzchni kryształu ładunków elektrycznych a wartość wytworzonego w ten sposób pola elektrycznego jest proporcjonalna do przyłożonego naprężenia. Zjawisko to zostało nazwane zjawiskiem piezoelektrycznym prostym. W roku 1881 G. Lippmann teoretycznie przewidział, że napięcie elektryczne przyłożone do niektórych powierzchni kwarcu powinno spowodować mechaniczne odkształcenie kryształu. W tym samym roku bracia Jakub i Piotr Curie potwierdzili tą zależność, która została nazwana – zjawiskiem piezoelektrycznym odwrotnym.

Dodatkowo, poza projektowaniem rozwiązań bazujących na strukturach inteligentnych firma zajmuje się dystrybucją i sprzedażą materiałów piezoelektrycznych, włókien SMA i cieczy magnetoreologicznych.