Data Loading...
Materiale inteligente Flipbook PDF
Curs 1
350 Views
187 Downloads
FLIP PDF 42.33KB
CURSUL 1 MATERIALE INTELIGENTE (SMART MATERIALS SM) 1.1 Definiţii Materialele funcționale, așa-numitele materiale inteligente (smart materials SM), reprezintă gama de materiale care posedă proprietatea de a răspunde la acţiunile stimulilor externi. Caracteristica generală a tuturor o reprezintă faptul că una sau mai multe proprietăți ar putea fi modificate semnificativ în condiții controlate. O altă caracterizare a materialelor inteligente se defineşte ca "Materiale care pot îşi schimba în mod semnificativ proprietățile lor mecanice, termice, optice sau electromagnetice, într-un mod previzibil sau controlabil ca răspuns la mediul lor".[2] Cu toate acestea, definiția materialelor inteligente a fost extinsă la materialele care primesc, transmit sau procesează un stimul și răspund prin producerea unui efect util care poate include un semnal că materialele acționează la actiunea acestuia.[3] Prin analogie cu ştiinţele biologice, sistemele inteligente pot îndeplini funcţii de activatori (muşchi), de senzori (nervi) sau de control (creier). Noţiunea de material inteligent poate fi extinsă la un nivel mai înalt de inteligenţă artificială, prin încorporarea unei "funcţii de învăţare". Rezultă un material foarte inteligent care poate detecta variaţiile mediului şi-şi poate modifica caracteristicilor proprii astfel încât să controleze variaţiile care au generat această modificare.[4] S-au dezvoltat, astfel, noţiunile de "inteligenţă pasivă" (care permite doar reacţia la mediu) şi de "inteligenţă activă" (care reacţionează în mod discret la constrângeri mecanice, termice sau electrice exterioare, ajustându-şi caracteristicile printr-un sistem de feed-back. [5,9] După cum se poate observa există o paletă foarte largă de acţiuni şi modificări comportamentale la diverşi factori şi stimuli ale materialelor. Pornind de la acest lucru fiecărui domeniu îi corespunde o gamă reprezentativă de elemente chimice şi combinaţii ale acestora cu un anumit grad de compatibilitate în funcţie de necesităţile cerute în exploatare.
1.2 Clasificarea materialelor inteligente 1.2.1. Clasificarea materialelor inteligente funcţie de proprietăţile fizice Materialele inteligente sunt materiale proiectate care au una sau mai multe proprietăți care pot fi modificate semnificativ într-o manieră controlată de stimuli externi, cum ar fi stresul, temperatura, umiditatea, pH-ul, câmpurile electrice sau magnetice și în funcție de stimulii pe care îi clasifică în diferite tipuri.[6] Astfel putem evidenţia următoarele tipuri de material: Materiale piezoelectrice sunt materiale care produc o tensiune când se aplică tensiuni. Deoarece efectul se aplică și în sens invers, o tensiune în întreagul eșantion va produce stres în acesta. În consecință, pot fi realizate structuri proiectate în mod corespunzător realizate din aceste materiale care se îndoaie, se extind sau se contractă atunci când se aplică o tensiune. Materiale magnetostrictive sunt materialele care prezintă schimbări de formă sub influența câmpului magnetic și de asemenea, prezintă schimbări în magnetizarea lor sub influența stresului
mecanic. Aliajele cu memoria formei magnetice sunt materiale care își schimbă forma ca răspuns la schimbările asimetrice ale câmpului magnetic. Materiale cu memoria formei sunt materiale în care deformarea mare poate fi indusă și recuperată prin schimbări de temperatură sau schimbări de stres (pseudoelasticitate). Rezultatele mari de deformare datorate schimbării fazei martensitice. Materiale halocromice, materiale care își schimbă culoarea ca rezultat al modificării acidității. O aplicație sugerată este pentru vopsele care pot schimba culoarea pentru a indica coroziunea existentă în metalul de dedesubt. Materiale cromogenice îşi modifică culoarea ca răspuns la modificările electrice, optice sau termice. Acestea includ materialele electrocromice care își schimbă culoarea sau opacitatea la aplicarea unei tensiuni (de ex. afișaje cu cristale lichide), termocromice schimbarea materialelor în funcție de temperatura lor și materiale fotocromice care schimbă culoarea ca răspuns la lumină de exemplu, ochelarii de soare care se întunecă atunci când sunt expuşi la lumina puternică a soarelui. Materiale fotomecanice sunt materialele care schimbă forma sub expunere la lumină. Materiale magnetocalorice sunt compuși care suferă o modificare reversibilă a temperaturii de expunere la un câmp magnetic în schimbare. Materiale termoelectrice sunt utilizate pentru a construi dispozitive care convertesc diferențele de temperatură în electricitate și invers. Elastomeri dielectrici (DE) sunt sisteme de materiale inteligente care produc tulpini mari (până la 300%) sub influența unui câmp electric extern. Polimeri sensibili la pH sunt materiale care se modifică în volum când pH-ul mediului înconjurător se schimbă. Polimeri sensibili temperatură.
la
temperatură sunt
materiale
care
suferă
modificări
la
1.2.2 Clasificarea materialelor inteligente din punct de vedere al structurii Unul dintre sectoarele care suscită interes major în dezvoltarea materialelor inteligente este domeniu medical. Sectorul medical utilizează toată gama de materiale: ceramice, polimerice, composite, metalice. Materiale ceramice Materialele ceramice sunt substanţe anorganice. Acestea pot fi realizate din elemente nemetalice (B, C, S) sau compuşi cu metale de tipul MxNy, unde M este metal, iar N este nemetal. Materialele ceramice pot fi absorbabile, neabsorbabile sau bioactive. Ceramicele cele mai utilizate ca biomateriale sunt: fosfaţi de calciu, tricalciu, zinc sulfat de calciu, carbonat de calciu, hidroxiapatita sintetică, hidroxiapatita coraliferă, pentru grefe osoase, sticle bioactive, etc. Principalele proprietaţi pe care ar trebui sa le îndeplinească materialele bioceramice:[7] -să fie biocompatibile; -să nu fie toxice; -să nu fie inflamatoare; -să fie biofuncţionale pe întreaga durată de viaţă a gazdei; -să nu fie alergice.
Materiale polimerice Materiale polimerice sintetice au fost utilizate pe scară largă în materiale medicale de unică folosinţă, materiale stomatologice, implanturi, pansamente, dispozitive extracorporale, sisteme de livrare de medicamente. Principalele avantaje ale biomateriale polimerice comparativ cu materialele metalice sau ceramice sunt uşurinţa de manevrabilitate şi realizarea diferitelor forme (latex, film, foaie, fibre, etc), uşor de procesat, costul este relativ scazut raportat la proprietăţile fizice şi mecanice dorite. Dintre sutele de polimeri care sunt sintetizaţi uşor şi ar putea fi utilizaţi ca biomateriale, doar 10-20 polimeri sunt în principal utilizate în dispozitiv medical ca material de unică folosinţă pentru implanturi pe termen lung . Materiale composite Materialele compozite sunt materiale solide care conţin două sau mai multe componente distincte sau faze. Există asemănări între compoziţia chimică a compozitelor şi cea a oaselor, ceea ce determină utilizarea compozitelor la realizarea implanturilor ortopedice. Compozitele combină proprietăţile elementelor din care sunt realizate. Există biocompozite naturale şi artificiale. Compozitele naturale sunt ţesuturile formate din entităţi care vor controla realizarea funcţiei cerute.[8] Materialele compozite sunt recent utilizate ca materiale biocompatibile. Tinând cont de potenţialul lor de înaltă performanţă, materiale compozite sunt susceptibile de a găsi utilizarea crescândă ca biomateriale.[7] Materiale metalice Materialele metalice au importanţă majoră în utilizarea lor la fabricarea implanturilor şi dispozitivelor chirurgicale pentru redarea funcţiilor componentelor corpului uman. De a lungul timpului, necesităţile impuse de lumea medicală au scos în evidenţă diferite materiale metalice şi aliaje cu proprietăţi mecanice deosebite dar şi biocompatibilitate cu organismal uman. Durata de folosinţă și rezistența la rupere pe care această clasă de materiale o poate oferi, conduce la o fiabilitate pe termen lung a implantului în situații de încărcare complexă. Metalele în stare pură sunt mai rar utilizate, aliajele acestora fiind mai des folosite datorită faptului că îmbunătăţesc unele dintre proprietăţi, cum ar fi rezistenţa la coroziune şi duritatea. Realizarea relativ uşoară a unor semifabricate în forme variate, simple și complexe, folosind tehnici de fabricare bine stabilite, disponibile pe scară largă (de exemplu, turnare, forjare, prelucrare), favorizează utilizarea materialelor metalice în domeniile ortopediei și stomatologiei în primul rând, în care sunt folosite dispozitive cu încărcătură înaltă, utilizarea lor pentru realizarea dispozitivelor cardiovasculare (de exemplu, valvule cardiace artificiale și alte componente ale dispozitivelor necesare în intervenţiile cardiace, stenturi vasculare) și implanturi neurovasculare (cleme de anevrism). O carateristică importantă a acestei categorii, o reprezintă conductivitate electrică deosebit de bună, fapt ce favorizează utilizarea lor pentru dispozitivele de stimulare neuromusculară, cel mai frecvent exemplu fiind stimulatoarele cardiace. Aceste proprietăți specifice (rezistență la rupere, plasticitate, conductivitate electrică şi termică, foarte bune) sunt în strânsă legatură cu interacţiunea interatomică (legatura metalică) ce caracterizează această clasă de materiale. Spectru larg al situaţiilor din domeniu medical impune crearea de materiale care s ă răspundă solicitărilor funcţionale din mediu de exploatare, fapt ce face necesară cunoaşterea încă din faza de proiectare a aspectelor legate de relaţiile structura-proprietăţi, tehnologia de obţinere, prelucrere a materialelor şi nu în ultimul rând de ingineria suprafeţei.