Materiali meccatronici

Finalmente torniamo a parlare dei materiali meccatronici: gli Smart Materials.
Cosa sono? Sono materiali che sottoposti a forze meccaniche o a cambiamenti "ambientali" producono energia/forze. Ce ne sono molti tipi, inizieremo con alcuni.

 

 

- I Materiali Piezoelettrici: sono gli Smart Materials più conosciuti e già utilizzati e tra i più studiati;

  • si compongono di cristalli che se vengono sollecitati meccanicamente creano una differenza di potenziale tra una faccia e l'altra e quindi energia;
  • fino ad oggi, sono stati principalmente utilizzati in strumenti di misura di pressione o di vibrazione, prevalentemente in ambito industriale, ma anche in quello ambientale, domestico, musicale, ecc...
  • oggi, che abbiamo la necessità di risparmiare sull'energia consumata, i materiale piezoelettrici acquistano un nuovo e importante valore soprattutto in ambito architettonico e dei trasporti; l'idea è quella di sfruttare le vibrazioni o i movimenti di persone, macchine e altro per creare energia. Ne sono un esempio le metropolitane di Tokyo e Londra che sfruttano le vibrazioni dei passi dei pendolari per ricavare energia, oppure il progetto per l' autostrada di Abu Dhabi. Anche l'Italia sta studiando l'efficienza di questo materiale: ne è un esempio il PHI DRIVE, un azionamento piezoelettrico, utilizzabile in motori e azionamenti lineari o rotativi di dimensioni microscopiche, piccole e medie.
  • grazie soprattutto alla loro versatilità strutturale potrebbero essere utilizzati in diverse applicazioni, in diversi settori: per esempio potremmo pensarli come cavigliera che mentre facciamo jogging ci ricarica lo Smartphone o il lettore MP3, oppure sull'automobile che sfrutta le vibrazioni dell'aria oppure la rotazione delle ruote in sostituzione della battetria, ecc...
 

- I materiali a memoria di forma: anche questi sono ormai noti; esistono sia le leghe o metalli a memoria di forma che i polimeri;

  • entrambi presentano la stessa caratteristica: possono deformarsi in modo temporaneo e poi tornare alla forma originale grazie ad un determinato stimolo esterno, come la variazione di temperatura.

   - Le leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloys - SMA):

  • sono superelastiche e per questo con molte possibilità di impiego: questa caratteristica si presenta al di sopra della temperatura di deformazione e si sviluppa nel momento in cui viene applicata una forza che deforma il metallo; non appena la forza viene rimossa il materiale ritorna istantaneamente nel suo stato antecedente lo sforzo;
  • l'effetto memoria di forma su questi metalli si genera con la variazione di temperatura, con un comportamento completamente opposto rispetto agli altri metalli naturali o leghe: infatti, mentre questi ultimi a basse temperature si irrigidiscono e ad alte diventano deformabili, i SMA si comportano proprio all'opposto: sono facilmente deformabili a basse temperature e rigidi a temperature più elevate;
  • durante l'effetto sopra descritto si accumulano forze, prevalentemente meccaniche, di importante entità, che possono essere sfruttate a loro volta in altre applicazioni: sollevamento di oggetti, serrature, pistoni, ecc..
  • attualmente vengono utilizzate nel settore ottico e biomedicale.

   - Polimeri a memoria di forma (Shape-memory polymers - SMP):

  • passano da uno stato vetroso, a basse temperature, ad uno stato gommoso, a temperature più alte;
  • l'effetto memoria di forma è il contrario rispetto alle leghe a memoria di forma: la deformazione permanente si crea ad alte temperature; in un delta di temperatura T, che è compreso tra la temperatura di deformazione permanente e lo stato vetroso, possiamo deformare il materiale e fissare la nuova forma congelandolo; riscaldandolo poi nuovamente ritorna alla sua forma originaria;
  • la variazione di forma di questi polimeri può essere attivata anche da passaggio di energia elettrica, campi magnetici, variazione di luce o soluzioni;
  • anche questi polimeri trovano ampio utilizzo nel settore medicale/biomedicale anche per la caratteristica biodegradabile di alcuni, ma non solo: in ambito industriale stanno prendendo piede come materiali di auto-riparazione dove basta dell'aria calda per tornare alla forma originaria (per esempio aggiustare il parafanghi di un automobile ammaccato); vengono studiati anche in ambito architettonico/design (come pareti mobili che respirano), in quello tessile (come tessuti che tengono regolata la temperatura corporea) o in ambito aerospaziale.

 

- Materiali o polimeri elettroattivi: sono materiali che producono forti spostamenti, e quindi forti forze meccaniche, se stimolati elettricamente.

  • possono essere paragonati ad un muscolo bionico, e ne abbiamo già incontrato uno "Wax-Filled Carbon Nanotube Yarn Muscles"
  • quindi ampio studio nella robotica, ma anche nel biomedicale (chirurgia mininvasiva) e nell'areospaziale per la loro bassa densità.
 

Ce ne sono ancora tanti altri:
- Fluidi elettroreologici
- Polimeri pH-sensibili
- Sistemi cromogeni
- ....
ma questi li approfondiremo prossimamente, magari anche grazie al vostro contributo commentando i nostri post sui Social Network.

 

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