Appunti integrati del corso di Materiali intelligenti

SEZIONE 1: INTRODUZIONE AI MATERIALI

INTELLIGENTI

01 INTRODUZIONE AI MATERIALI INTELLIGENTI

MATERIALI INTELLIGENTI PER SISTEMI MECCATRONICI

→

Definizione convenzionale di materiali intelligenti materiale che abbia una o più proprietà fisico-chimiche che

→

possono essere controllate (con cambiamenti reversibili) mediante uno o più stimoli esterni per questo sono detti

→ →

materiali stimolo-responsivi in particolare si distinguono due grandi categorie funzionali 1 materiali per

→ →

attuazione ovvero materiali che trasformano un segnale (tipicamente elettrico) in una risposta meccanica 2

→

materiali per sensing ovvero materiali che trasformano uno stimolo meccanico in un segnale misurabile (elettrico,

→

ottico ecc) queste tecnologie trovano applicazioni in molti ambiti in particolare nel campo della robotica in

→

particolare per la percezione tattile un esempio di materiale intelligente è un materiale piezoelettrico capace di

→ →

esibire due effetti è in grado di sviluppare una tensione ai capi se sottoposto a stress meccanici (effetto diretto)

e viceversa ovvero quando viene applicata una tensione ai capi il materiale è capace di deformarsi meccanicamente

→

(effetto inverso) questo perché durante il processo di fabbricazione i materiali piezoelettrici vengono polarizzati

→

(oriento i dipoli) e si esibisce sulla superficie una carica per questo schiacciando il materiale sulla superficie

→

variano le cariche di polarizzazione perché ho variato l’arrangiamento dei dipoli all’interno accoppiando quindi

due domini diversi (energia meccanica ed energia elettrica) questo può essere classificato come materiale intelligente

→ in generale possiamo avere diverse tipologie di materiali intelligenti che sono in grado di accoppiare domini diversi

→ →

Problema con la definizione convenzionale di materiale intelligente il fatto che un materiale risponda ad uno

→

stimolo esterno (stimolo responsivo) non lo qualifica necessariamente come materiale intelligente ad esempio

considerando un elastico che tirandolo si deforma questo non può essere classificato come smart material perché si

→

rimane nello stesso dominio di forze meccaniche (stress-strain) definizione migliore di materiali intelligenti

→

stimolo-responsivi sono materiali in cui le proprietà fisico-chimiche possono essere controllate reversibilmente da

→

uno o più stimoli ma le variabili di ingresso e uscita devono appartenere a domini fisici o chimici differenti esempi

→ → →

di smart materials termoelettrici piroelettrici (cambiamento della polarizzazione per effetto della T) →

chemoluminescenza (una variazione a livello chimico determina una variazione a livello ottico (luminescenza))

→

meccanocromico termocromico (cambiano colore a seguito di variazioni di T).

MATERIALI TRASDUTTORI ELETTRO-MECCANICI

In particolare tra quelli visti prima ci concentreremo sui materiali che riguardano la trasduzione tra il mondo elettrico

→

e il mondo meccanico (in entrambi i versi) da elettrico a meccanico per ottenere attuazione mentre da meccanico

→

ad elettrico per fare sensing in generale rispetto ai motori elettrici/idraulici questi materiali non sono soggetti a

→

surriscaldamento e non generano rumore (importante per le tecnologie vicine all’uomo) tuttavia le loro

→ →

performance attuative sono inferiori principali tipologie questi vengono usati in sistemi meccatronici e i

→ →

principali materiali che rientrano in questa categoria sono polimeri elettro-attivi sono i più utilizzati e sono tutti

→ → →

polimeri tranne i nanotubi di carbonio gel polielettrolitici compositi ionici polimero-metallo polimeri

→

conduttivi nanotubi di carbonio (non sono polimeri ma messi qui perché il loro principio di funzionamento come

→ →

attuatori è analogo a quello dei polimeri conduttori)→ elastomeri dielettrici elastomeri a cristalli liquidi e

polimeri piezoelettrici ed elettrostrittivi (gli elettrostrittivi hanno lo stesso meccanismo di funzionamento dei

piezoelettrici ma sono più performanti dei piezoelettrici perché hanno una permittività dielettrica più elevata e

quindi si polarizzano molto di più in particolare se applico un campo elettrico la risposta sottoforma di stress

meccanico per gli elettrostrittivi è di un ordine di grandezza superiore rispetto ai piezoelettrici (relazione lineare vs

→ →

quadratica)) ceramiche piezoelettriche ed elettrostrittive il loro funzionamento è analogo ai polimeri

→ → →

elettrostrittivi materiali magnetostrittivi la deformazione meccanica è qui dovuta ad un campo magnetico

→ → →

materiali a memoria di forma possono essere sia in versione polimerica che metallica fluidi intelligenti sono

→

fluidi che variano le loro proprietà reologiche (viscosità) con l’applicazione di un campo elettrico o magnetico in

particolare questi materiali hanno all’interno delle particelle che tendono ad allinearsi con il campo

→ → →

elettrico/magnetico possono essere usati per protesi bioniche attuatori pneumatici soft costituiti da camere

→ →

che variano la propria forma sotto l’utilizzo di aria compressa all’interno molto usati nella soft robotics

→

materiale cromogenici cambiano colore applicando uno stimolo.

02 PROPRIETA’ DI STRESS-STRAIN DEI MATERIALI

INTRODUZIONE → → → →

I materiali si possono classificare in due macro famiglie elastici polimeri (non elastomerici) metalli

→ →

ceramici iperelastici polimeri elastomerici.

MATERIALI ELASTICI

→

Curva i materiali elastici sono caratterizzati da una curva stress-strain costituita da un primo tratto lineare (regione

→

elastica) dove vale la legge di Hooke seguita da una regione di snervamento (regione plastica) dove il materiale

→

non recupera in modo reversibile la deformazione una volta rimosso il carico

→ →

Parametri modulo di Young rappresenta il coefficiente angolare (pendenza) solitamente del tratto lineare ma

→ →

può essere determinato localmente in qualsiasi punto della curva rigidezza solitamente viene utilizzato questo

termine come sinonimo del modulo di Young ma non è molto corretto poiché la stiffness descrive la tendenza di un

materiale a reagire a uno sforzo con una piccola deformazione ma questa si riferisce alle proprietà della struttura

→ →

mentre il modulo di Young alle proprietà di un materiale il suo inverso è la cedevolezza (compliance) resistenza

→ → →

a trazione (UTS) massimo stress che materiale sopporta prima della rottura limite di snervamento sforzo a

→ →

cui il comportamento elastico passa a comportamento plastico sforzo di rottura lo sforzo al quale il materiale si

→ → →

rompe durezza misura della resistenza alla penetrazione viene valutata con una macchina indentatrice

→ →

misurando la dimensione dell’impronta dopo il rilascio del carico il suo inverso è la morbidezza (softness) nel

→

nostro caso quando si parla di un materiale soft si usa come sinonimo di stretchable (deformabile) ricordiamo che

stretchable è diverso da flezible in quanto flexible è un materiale che si può piegare facilmente ma non è detto che si

→

allunghi mentre stretchable è un materiale che si allunga facilmente ma non implica che si pieghi facilmente in

→ →

particolare un materiale elastomerico è sia stretchable che flexible tenacità la quantità di energia (per unità di

→

volume) che un materiale può assorbire sia elasticamente che plasticamente prima di rompersi corrisponde

→ →

all’area totale sotto la curva stress-strain resilienza la quantità di energia (per unità di volume) che il materiale

→

può assorbire elasticamente prima di rompersi corrisponde all’area sotto la curva stress-strain nella sola zona

→

elastica (fine al limite elastico) la resilienza e la tenacità possono essere testate con macchina per prove di impatto

→

(pendolo) misurando quanto un peso predeterminato si solleva dopo aver colpito e rotto il campione

→

La tenacità è inversamente proporzionale alla durezza quindi se un materiale è duro (resistente alla penetrazione)

→ →

è generalmente fragile (poco resistente agli urti) la fragilità è infatti l’inverso della tenacità infatti ad esempio le

→

ceramiche hanno una bassa tenacità e un’alta durezza quindi vantaggiose per protesi articolari le leghe di titanio

invece avendo un’alta tenacità e una bassa durezza sono svantaggiose per le protesi articolari.

MATERIALI IPERLASTICI

→

Curva stress-strain i materiali iperelastici sono caratterizzati da una curva stress-strain non lineare in quanto

→

possiedono una componente viscosa che dissipa energia questa è rappresentata dalle catene polimeriche del

materiale aggrovigliate che quando il materiale si deforma scorrono l’una rispetto all’altra facendo attrito e

dissipando energia inoltre la perdita di energia è legata anche a piccole molecole (appartenenti ad fluido spesso

→

usato per plasticizzare) che sono rimaste intrappolate nella rete polimerica e fanno attrito infatti le due curva

→

carico e scarico non coincidono determinando un fenomeno di isteresi l’area racchiusa tra le due curva

→

rappresenta l’energia dissipata per unità di volume (J/m^3) e trasformata in calore

ELASTICI VS IPERELASTICI → →

Le principali differenze si vedono osservando gli ordini di grandezza del modulo elastico elastomeri 1 MPa

→

ceramiche piezoelettriche circa 100 GPa (5 ordine di grandezza di differenza con gli elastomeri) metalli circa 100

GPa.

03 MATERIALI POMERICI: VISCOELASTICITA’

INTRODUZIONE →

I polimeri come i tessuti biologici sono materiali viscoelastici quindi caratterizzati da una componente elastica e

→ →

una viscosa la componente viscosa conferisce al materiale una risposta (a deformazione) dipendente dal tempo

→ →

questo è dovuto al riarrangiamento delle lunghe catene polimeriche dissipazione di energia nei viscoelastici

nei materiali viscoelastici (al contrario degli elastici ideali) dissipano energia quando un carico viene applicato e poi

→

rimosso infatti si osserva il fenomeno di isteresi nella curva stress-strain dove l’area compresa è proprio l’energia

→

dissipata sottoforma di calore

STRESS RELAXATION (RISPOSTA ISOMETRICA)

→

Cosa è è un test in cui viene applicato un gradino di deformazione costante (strain=epsilon) e tramite una cella di

→ →

carico si valuta lo sforzo (stress=sigma) decresce nel tempo risposta puramente elastica

→

Lo sforzo rimane costante nel tempo se la deformazione è costante (es metallo)

→

Risposta puramente viscosa

→

Eta=viscosità applicando sempre un gradino di strain lo sforzo dipende dalla velocità di deformazione (es liquido

→

viscoso) →

Risposta viscoelastica →

Lo sforzo manifesta inizialmente una risposta impulsiva (dovuta alla componente elastica) seguita a un

→

decadimento esponenziale (dovuto alla componente viscosa) (es polimero)

→ →

La costante di tempo tau che descrive la velocità di decadimento della forza ed è data dal prodotto dal

→

coefficiente di attrito viscoso (eta) e il modulo elastico (E) inoltre il decadimento esponenziale può essere

→

paragonato a quello di un circuito RC fare questo tipo di caratterizzazione è importante se per esempio realizzo un

sensore di deformazione in materiale polimerico e a questo applico una deformazione costante mi aspetto che la

forza che produce questo decresce nel tempo (rilassamento).

CREEP (SCORRIMENTO VISCOSO, RISPOSTA ISOTONICA)

→ →

Cosa è è il test duale al precedente viene applicato un gradino di sforzo costante (stress) e di valuta come varia

→ →

lo strain (deformazione) nel tempo risposta puramente elastica

→ →

La deformazione è direttamente proporzionale allo sforzo quando lo sforzo viene tolto torna subito a zero

→

Risposta puramente viscosa → →

La deformazione cresce continuamente nel tempo rimane una deformazione permanente

→

Risposta viscoelastica

La deformazione è data da un primo picco istantaneo poi aumenta nel tempo e tende a stabilizzarsi verso un valore di

→

regime (epsilon inf) quando viene tolto lo sforzo una parte recupera (recupero elastico) e una parte rimane

→

permanente

MODELLI MECCANICI EQUIVALENTI

È possibile modellizzare i materiali viscoelastici mediante modelli meccanici dove vengono combinati due elementi

→ →

fondamentali 1 molla elastica (ideale) che segue la legge di Hooke 2 smorzatore viscoso (dahspot) che segue la

→ → → →

legge di Newton tipologie i due modelli meccanici fondamentali sono modello di Maxwell molla +

→

dashpot in serie → →

Lo strain totale corrisponde alla somma delle due deformazioni descrive bene lo stress relaxation modello di

→ →

Kelvin-Voigt molla + dashpot in parallelo →

Descrive bene il creep (deformazone nel tempo) in generale la scelta del modello meccanico più appropriato

dipende dalle proprietà specifiche del materiale.

SEZIONE 2: POLIMERI ELETTROATTIVI

04 POLIMERI ELETTROATTIVI

(ELETTROMECANICAMENTE ATTIVI) COME

MATERIALI INTELLIGENTI PER MUSCOLI ARTIFICIALI

INTRODUZIONE: CONCETTI CHIAVE →

Concetto di elettromeccanicamente attivo i polimeri elettromeccanici trasducono energia elettrica in meccanica

→ →

(attuatori) e viceversa (sensori) materiali intelligenti elettroresponsivi per attuazione questi materiali

→

intelligenti possono quindi essere definiti come materiali elettro-responsivi per attuazione in quanto rispondono a

→ →

sollecitazioni o stimolazioni elettriche per attuazione si intende un dispositivo che ricevuta energia in ingresso

→ → →

produce in uscita una funzione generalmente meccanica muscoli artificiali vengono anche chiamati muscoli

→ →

artificiali per due aspetti aspetto funzionale si deformano sotto stimolazione elettrica mostrando variazioni

→

conformazionali e producendo lavoro meccanico il muscolo reale funziona infatti come un trasduttore di energia in

→

quanto converte un segnale elettrochimico in lavoro meccanico l’energia necessaria alla contrazione deriva

→

dall’idrolisi dell’ATP quindi da processi chimici mentre i segnali controllano il muscolo sono di natura elettrica

(corrrenti ioniche generate e trasmesse dai neuroni al muscolo attraverso i nervi) questi segnali elettrochimici e ne

→

regolano l’attivazione permettendo la trasformazione dell’info elettrica in movimento e forza meccanica aspetto

→

strutturale essendo polimeri viscoelastici trasducono energia elettrica in meccanica attraverso materia

viscoelastica proprio come fanno i tessuti biologici.

ASPETTI PRINCIPALI DEGLI EAP

→ →

Proprietà funzionali degli EAP attuazione sono capaci di modificare le proprie dimensioni e/o forma in risposta

→

ad opportuni stimoli elettrici generando lavoro meccanico per questo risultano essere molto interessanti come

→ →

materiali intelligenti per l’attuazione infatti presentano le seguenti caratteristiche elevata efficienza energetica

→ per esempio negli attuatori in elastomeri dielettrici si possono immagazzinare le cariche elettrostatiche quando

→

questi vengono caricati e quindi si deformano compiendo lavoro meccanico (condensatori deformabili) questo

meccanismo consente di recuperare energie elettrica quindi l’attuazione è molto efficiente dal punto di vista elettrico

→ → →

grandi deformazioni alta cedevolezza meccanica consente un a maggiore adattabilità in termini di rigidezza e

→ →

quindi sono materiali adatti per applicazioni di soft robotics resistenza agli urti essendo soft si ha una bassa

→ → →

probabilità che rompano bassa densità di massa vantaggio per la leggerezza dei sistemi assenza di rumore

→

acustico utile ad esempio per dispositivi wearable questo perché non hanno parti che fanno attrito e l’attriti che ci

→ → →

sono sono a livello molecolare facilità di lavorazione maggiore versatilità nei design realizzati elevata

→ → →

scalabilità basso costo sensing possono essere usati anche in modalità inversa convertendo energia

meccanica in energia elettrica e quindi essere usati come sensori meccano-elettrici oppure anche per l’energy

→

harvesting ovvero il recupero di energia meccanica recuperata sotto forma di energia elettrica stiffness control

→

(controllo della rigidezza) quando viene applicata energia elettrica a questi materiali si generano delle forze

interne al materiale che si sommano alle forze elastiche naturali variandole quindi variando la rigidezza (l’energia

→

applicata non viene usata per fare lavoro ma viene immagazzinata nel materiale) questo viene fatto anche dal

→

nostro sistema nervoso per irrigidire i muscoli in certe direzioni in base al task motorio da svolgere combinazione

→ →

di attuazione sensing e controllo della rigidezza potendo combinare questi 3 aspetti negli EAP questo tipo di

materiali intelligenti vengono considerati come muscoli artificiali e infatti vanno a svolgere le stesse funzioni dei

→ →

muscoli naturali anche se sfruttano principi diversi sf