Appunti Materiali intelligenti

1. Introduzione ai materiali intelligenti

1.1 Introduzione ai materiali intelligenti

Materiali intelligenti per sistemi meccatronici.

Definizione convenzionale di materiale intelligente: materiale che abbia una o + proprietà fisico-chimiche che possono essere controllate, con cambiamenti reversibili, mediante uno o + stimoli esterni. Per questo sono detti materiali stimolo-responsivi.

In particolare si possono distinguere 2 categorie funzionali:

• Materiali per attuazione: materiali che trasformano un segnale, tipicamente elettrico, in una risposta meccanica.
• Materiali per sensing: materiali che trasformano uno stimolo meccanico in un segnale misurabile, elettrico, ottico, ecc.

Queste tecnologie trovano applicazione in molti ambiti, in particolare nel campo della robotica, ad esempio per la percezione tattile.

Un esempio di materiale intelligente è il materiale piezoelettrico, capace di esibire due effetti:

• Diretto: è in grado di sviluppare una tensione ai capi se sottoposto a stress meccanici.
• Effetto inverso: quando viene applicata una tensione ai capi, il materiale può deformarsi meccanicamente.

Durante il processo di fabbricazione, i materiali piezo-elettrici vengono polarizzati, oriento i dipoli, e quindi sulla superficie si ha una carica di polarizzazione. 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 e 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 sia stimolo-responsivo non lo qualifica come materiale intelligente.

Ad esempio, considerando un elastico, questo si deforma applicando uno stress, quindi non può essere considerato smart material perché si rimane nello stesso dominio di forze meccaniche, stress-strain.

Definizione migliore di materiali intelligenti stimolo-responsivi: materiali in cui le proprietà fisico-chimiche possono essere controllate reversibilmente da uno o + stimoli, ma le variabili di ingresso e uscita devono appartenere a domini fisici o chimici differenti.

Alcuni esempi di smart materials sono:

• Termoelettrici.
• Piroelettrici: cambiamento della polarizzazione per effetto della temperatura.
• Chemoluminescenza: una variazione a livello chimico determina una variazione a livello ottico, luminescenza.
• Meccano-cromico.
• Termo-cromico: cambiano colore a seguito di variazioni della temperatura.

Materiali trasduttori elettro-meccanici

In particolare, ci concentreremo su 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 a elettrico per fare sensing.

Rispetto ai motori elettrici/idraulici, questi materiali non sono soggetti a surriscaldamento e non generano rumore, importante per tecnologie vicine all’uomo, ma le loro performance attuative sono inferiori.

Questi sono impiegati in sistemi meccatronici e i principali materiali che rientrano in questa categoria sono:

1. Polimeri elettroattivi: sono i + 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 vengono messi qui perché il loro principio di funzionamento come attuatori è analogo a quello dei polimeri conduttori.
   • Elastomeri dielettrici.
   • Elastomeri a cristalli liquidi.
   • Polimeri piezoelettrici e elettrostrittivi: gli elettrostrittivi hanno lo stesso principio di funzionamento dei piezo-elettrici, applico def, cambia polarizzazione e viceversa, ma sono + performanti dei piezoelettrici, perché hanno una permittività dielettrica + elevata e quindi si polarizzano molto di più. In particolare, se applico un campo elettrico, la risposta, stress meccanico, è di un ordine di grandezza superiore negli elettrostrittivi rispetto ai piezoelettrici, ovvero nei piezoelettrici la relazione è lineare mentre negli elettrostrittivi è quadratica, stress meccanico = campo elettrico al quadrato.
2. Ceramiche elettrostrittive: il loro funzionamento è analogo a quello dei polimeri elettrostrittivi.
3. Materiali magneto-strittivi: la deformazione meccanica, strizione → diminuzione spessore, è dovuta in questo caso a un campo magnetico.
4. Materiali a memoria di forma: tra questi troviamo polimeri e leghe metalliche.
5. Fluidi intelligenti: le loro proprietà reologiche, viscosità, variano con l’applicazione di un campo elettrico o magnetico. In particolare, questi materiali hanno all’interno delle particelle che tendono ad allinearsi e addensarsi seguendo le linee di campo elettrico o magnetico. Questi materiali possono essere utilizzati per protesi bioniche.
6. Attuatori pneumatici soft: costituiti da camere che variano la propria forma con l’utilizzo di aria compressa. Molto utilizzati nella soft robotics.
7. Materiali cromogenici: cambiano colore applicando uno stimolo.

1.2 Proprietà stress-strain dei materiali

I materiali si possono classificare in 2 macro-famiglie:

1. Elastici, tra cui:
   • Polimeri, non elastomerici.
   • Metalli.
   • Ceramiche.
2. Iperelastici:
   • Polimeri elastomerici.

Materiali elastici

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, curva, dove il materiale non recupera in modo reversibile una deformazione una volta rimosso il carico.

Alcuni parametri sono:

• Modulo di Young, modulo elastico: rappresenta il coefficiente angolare, pendenza, del tratto lineare della curva stress-strain. Di solito è riferito al tratto lineare, ma in generale può essere determinato localmente in qualsiasi punto della curva.
• Stiffness, rigidezza: solitamente viene utilizzato questo termine come sinonimo del modulo di Young, ma non è corretto perché la Stiffness descrive la tendenza di un materiale a reagire a uno sforzo con una piccola deformazione e quindi si riferisce alle proprietà della struttura, mentre il Modulo di Young si riferisce alle proprietà di un materiale. Il suo inverso è la Cedevolezza, compliance.
• Resistenza a trazione, UTS: massimo stress prima della rottura.
• Limite di snervamento, Yield strength: sforzo a cui il comportamento elastico passa a comportamento plastico.
• Sforzo di rottura: stress a cui il materiale si rompe.
• Durezza, Hardness: misura della resistenza alla penetrazione. Viene testata 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 materiale soft si utilizza come sinonimo di stretchable, deformabile.

Ricordiamo che Flexible è diverso da Stretchable:

• Flexible → materiale che si può piegare facilmente ma non è detto che si allunghi.
• Stretchable → materiale che si allunga facilmente, ma non è detto che si pieghi facilmente.

In particolare un materiale elastomerico è sia flexible sia stretchable.

• Tenacità: corrisponde alla quantità di energia, per unità di volume, che un materiale può assorbire sia elasticamente sia plasticamente prima di rompersi. Corrisponde all’area totale sotto la curva stress-strain.

La tenacità è inversamente proporzionale alla durezza, quindi se un materiale è duro, resistente alla penetrazione, è generalmente fragile, poco resistente agli urti.

Esempi: ceramiche: bassa tenacità e elevata durezza, quindi sono vantaggiose per protesi articolari. Leghe di Titanio: elevata tenacità e bassa durezza, svantaggiose per protesi articolari.

• Fragilità: inverso della tenacità.
• Resilienza: quantità di energia, per unità di volume, che un materiale può assorbire elasticamente prima di rompersi. Corrisponde all’area della zona elastica della curva stress-strain, quindi fino al limite elastico.

La resilienza e la tenacità possono essere testate con macchine per prove di impatto, pendolo, misurando quanto un peso pre-determinato si solleva dopo aver colpito e rotto il campione.

Materiali iper-elastici

I materiali iper-elastici sono caratterizzati da una curva stress-strain non lineare, in quanto possiedono una componente viscosa al loro interno che dissipa energia. Questo perché la struttura molecolare è costituita da macro-catene polimeriche che sono aggrovigliate e quando il materiale si deforma scorrono le une sulle altre, facendo attrito e dissipando energia. Inoltre la perdita di energia è dovuta anche alla presenza di piccole molecole, appartenenti a un fluido che spesso viene utilizzato per plasticizzare la rete polimerica, rimaste intrappolate nella rete polimerica che fanno attrito.

Infatti le due curve di carico e scarico non coincidono, determinando un fenomeno di isteresi dissipativa, in cui l’area racchiusa tra le due curve rappresenta l’energia dissipata per unità di volume (/ ) e trasformata in calore.

Elastici vs iper-elastici

Le principali differenze si vedono guardando gli ordini di grandezza del modulo elastico:

• Elastomeri: modulo elastico circa = 1 MPa.
• Ceramiche piezoelettriche: circa = 100 GPa, quindi ci sono 5 ordini di grandezza di differenza.
• Metalli: circa = 100 GPa.

1.3 Viscoelasticità - Materiali polimerici

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 o sforzo applicato, dipendente dal tempo e questo è dovuto al riarrangiamento delle lunghe catene polimeriche.

Inoltre i materiali viscoelastici, al contrario dei materiali 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 tra le curve di carico e scarico corrisponde all’energia dissipata sottoforma di calore.

Stress relaxation (risposta isometrica)

È un test in cui viene applicato un gradino di deformazione costante e attraverso una cella di carico (: ) viene valutato come lo stress decresce nel tempo ().

• Risposta puramente elastica: = ∙ ( ). Lo sforzo rimane costante nel tempo se la deformazione è costante, esempio: metallo.
• Risposta puramente viscosa: = ( , = à). Lo sforzo dipende dalla velocità di deformazione, esempio: liquido viscoso.
• Risposta viscoelastica: −/ = 0. Lo sforzo manifesta inizialmente una risposta impulsiva, dovuta alla componente elastica, seguita da un decadimento esponenziale, dovuto alla componente viscosa.

La costante di tempo descrive le velocità di decadimento della forza ed è data dal prodotto tra il coefficiente di attrito viscoso () e il modulo elastico (). Inoltre il decadimento esponenziale può essere paragonato a quello del circuito RC.

Esempio: polimero.

Fare questo tipo di caratterizzazione è importante perché se per esempio realizzo un sensore di deformazione in materiale polimerico e a questo applico una deformazione costante, mi aspetto che la forza meccanica decresca nel tempo, rilassamento.

Creep (risposta isotonica)

Il creep è il test duale al precedente, in quanto viene applicato un gradino di stress costante e si valuta come varia lo strain nel tempo.

• Risposta puramente elastica: = /. La deformazione è direttamente proporzionale allo sforzo.
• Risposta puramente viscosa: = ∫. La deformazione cresce continuamente nel tempo e rimane una deformazione permanente.
• Risposta viscoelastica: −/ = (1 − )∞. La deformazione è data da un primo picco istantaneo, poi aumenta nel tempo e tende a stabilizzarsi verso un valore di regime ( ). Quando viene tolto lo sforzo una parte recupera ∞, recupero elastico → recovery, e una parte rimane permanente.

Modelli meccanici equivalenti (viscoelastici)

I materiali viscoelastici possono essere modellizzati mediante modelli meccanici dove vengono combinati due elementi fondamentali:

• Molla elastica, ideale: che segue la legge di Hooke.
• Smorzatore viscoso, Dashpot, ideale: che segue la Legge di Newton.

I due modelli meccanici fondamentali sono:

1. Modello di Maxwell: molla e smorzatore in serie. Lo strain totale corrisponde alla somma delle due deformazioni. Descrive bene lo stress-relaxation.
2. Modello di Kelvin-Voigt: molla e smorzatore in //. Descrive bene il creep, deformazione nel tempo.

In generale la scelta del modello meccanico + appropriato dipende dalle proprietà specifiche del materiale.

2. Polimeri elettroattivi (EAP)

2.1 Polimeri elettro-meccanicamente attivi come materiali intelligenti per muscoli artificiali

I polimeri elettro-meccanici trasducono energia elettrica in energia meccanica, attuatori, e viceversa, sensori.

Questi materiali intelligenti possono 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. Vengono anche chiamati muscoli artificiali per due aspetti:

• Aspetto funzionale: si deformano sotto stimolazione elettrica, mostrando variazioni conformazionali e producendo lavoro meccanico. Il muscolo funziona 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 che controllano il muscolo sono di natura elettrica, correnti ioniche generate e trasmesse dai neuroni al muscolo attraverso i nervi. Questi segnali elettrochimici raggiungono il muscolo e ne regolano l’attivazione, permettendo la trasformazione dell’informazione 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.

Proprietà funzionali degli EAP

• Attuazione: sono capaci di modificare le proprie dimensioni e/o forma in risposta a opportuni stimoli elettrici, generando lavoro meccanico, per questo sono molto interessanti come materiali intelligenti per l’attuazione, infatti presentano le seguenti caratteristiche:
  • Elevata efficienza energetica: per esempio negli attuatori ad elastomeri dielettrici si possono immagazzinare le cariche elettrostatiche, quando questi vengono caricati, ricevono energia elettrica, si deformano e compiono lavoro meccanico. Quindi questo meccanismo consente di recuperare energia elettrica e quindi l’attuazione è molto efficiente dal punto di vista elettrico.
  • Grandi deformazioni.
  • Alta cedevolezza meccanica, compliance: consente una maggior adattabilità in termini di rigidezza e quindi sono materiali adatti per applicazioni nella soft robotics, esoscheletri.
  • Resistenza agli urti: essendo soft è molto difficile che si rompano.
  • Bassa densità di massa: requisito importante per la leggerezza dei sistemi.
  • Assenza di rumore acustico: perché non hanno parti meccaniche che fanno attrito e gli attriti sono solo a livello molecolare. Questo potrebbe essere vantaggioso per dispositivi wearable.
  • Facilità di lavorazione, processing: maggior versatilità nei design realizzabili.
  • 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 possono essere utilizzati anche per l’energy harvesting, ovvero il recupero di energia meccanica, recuperata come energia elettrica.
• Controllo della rigidezza, stiffness: quando viene applicata energia elettrica a questi materiali, si generano forze interne al materiale che si sommano alle forze elastiche naturali, variandole e quindi variando la rigidezza, l’energia non viene trasformata in lavoro meccanico e quindi spostamento, 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 delle 3 precedenti: dato che negli EAP possiamo combinare questi tre aspetti, questi materiali vengono considerati come muscoli artificiali, infatti svolgono le stesse funzioni dei muscoli naturali, anche se sfruttano un principio fisico diverso, naturali: actina e miosina.

Sfide principali

Ad oggi non è ancora possibile inserire questi polimeri all’interno del corpo umano per farli funzionare come muscoli scheletrici artificiali per i seguenti motivi:

• Risulta molto difficile il processo di ancoraggio agli arti, shaping, perché si generano vincoli che impediscono il corretto funzionamento.
• La densità di energia in laboratorio è alta, ma non è sufficientemente elevata quando si realizza uno dispositivo vero e proprio.
• In generale le interfacce tra i vari sistemi sono complesse.

Applicazioni

Anche se al momento non si possono utilizzare per realizzare muscoli scheletrici artificiali