Este blog describe la primera parte de el conjunto de blogs referentes a las nuevas tecnologías dentro de la ingeniería. Enfocandose en la parte de materiales inteligentes, sin duda un tema muy interesante que muestra como la tecnología a avanzado tanto hasta el punto de tener materiales como los que se describirán a continuación, que en un futuro bien podrían servir para las construcciones en lo que respecta a la Ingeniería Civil.
jueves, 16 de julio de 2009
INTRODUCCION
Los materiales inteligentes son materiales nuevos clasificados por su capacidad de responder ante estímulos externos. Son materiales que pueden ser diseñados para actuar con cierto efecto conocido pero de forma controlada. Algunos de los aspectos que hacen a un material inteligente son:
Compatibilidad con el medio ambiente
Generan bajo consumo de energía
Mejoran la calidad
Prolongan la vida útil del producto
Compatibilidad con el medio ambiente
Generan bajo consumo de energía
Mejoran la calidad
Prolongan la vida útil del producto
Ejemplos
Materiales piezoeléctricos: Cambian su forma o se deforman ante un impulso eléctrico, ante la presión de deformación, producen un impulso eléctrico.
Metales con efecto de memoria: Tienen la capacidad de cambiar su forma o deformarse de forma controlada al alcanzar cierta temperatura.
Metales con efecto de memoria: Tienen la capacidad de cambiar su forma o deformarse de forma controlada al alcanzar cierta temperatura.
MATERIALES PIEZOELECTRICOS
La piezoelectricidad (del griego ppecho, "estrujar o apretar") es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas adquieren una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Este fenómeno también se presenta a la inversa, esto es, se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.
Los materiales
piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas.
Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados).
Los materiales
piezoeléctricos son cristales naturales o sintéticos que no poseen centro de simetría. El efecto de una compresión o de un cizallamiento consiste en disociar los centros de gravedad de las cargas positivas y de las cargas negativas. Aparecen de este modo dipolos elementales en la masa y, por influencia, cargas de signo opuesto en las superficies enfrentadas.Pueden distinguirse dos grupos de materiales: los que poseen carácter piezoeléctrico de forma natural (cuarzo, turmalina) y los llamados ferroeléctricos, que presentan propiedades piezoeléctricas tras ser sometidos a una polarización (tantalio de litio, nitrato de litio, bernilita en forma de materiales monocristalinos y cerámicas o polímeros polares bajo forma de microcristales orientados).
Clases de cristales
Dentro de los treinta y dos tipos cristalográficos existen veintiuno que no tienen un centro de simetría, y de estos, unos veinte exhiben directamente piezoelectricidad (la número 21 es la clase cúbica 432). Diez de estos son polares, es decir, presentan polarización instantánea debido a que contienen un dipolo eléctrico en su celda unidad, y el material exhibe piroelectricidad, de entre estos algunos son además ferro eléctricos cuando este dipolo puede invertirse la dirección del dipolo mediante la aplicación de un campo eléctrico. Las clases cristalográficas son:
Clases cristalográficas piezoeléctricas: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m.
Clases cristalográficas piroeléctricas: 1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.
Clases cristalográficas piezoeléctricas: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m.
Clases cristalográficas piroeléctricas: 1, 2, m, mm2, 4, 4mm, 3, 3m, 6, 6mm.
Aplicaciones
Una de las importantes aplicaciones de un cristal piezoeléctrico es su utilización como sensor de vibración. Cada una de las variaciones de presión producidas por la vibración provoca un pulso de corriente proporcional a la fuerza ejercida. Hemos convertido de una forma fácil una vibración mecánica en una señal eléctrica lista para amplificar. Basta con conectar un cable eléctrico a cada una de las caras del cristal y enviar esta señal hacia un amplificador.
Otra de las aplicaciones más extendidas de este tipo de cristales son los encendedores electrónicos. En su interior llevan un cristal piezoeléctrico que es golpeado de forma brusca por el mecanismo de encendido. Este golpe seco provoca una elevada concentración de carga eléctrica, capaz de crear un arco voltaico o chispa que encenderá el mechero.
Otra de las aplicaciones más extendidas de este tipo de cristales son los encendedores electrónicos. En su interior llevan un cristal piezoeléctrico que es golpeado de forma brusca por el mecanismo de encendido. Este golpe seco provoca una elevada concentración de carga eléctrica, capaz de crear un arco voltaico o chispa que encenderá el mechero.
METALES CON EFECTO DE MEMORIA
El efecto térmico de memoria es un efecto propio de los materiales llamados inteligentes, como los músculos artificiales y otros materiales, que producen una reacción ante un estímulo dado.
El efecto unidireccional de memoria fue observado por primera vez por Chand y Read en 1951 en una aleación de Oro-Cadmio, y en 1963 Buehler et al. describieron este efecto para nitinol, que es una aleación equiatómica de Níquel-Titanio.
Este efecto en metales y cerámicas está basado en un cambio en la estructura cristalina, llamado transición martensítica de fases. La desventaja de estos materiales es que es una mezcla equitaómica y desviaciones de 1% en la composición modifican la temperatura de transición aproximadamente en 100 K.
Algunos metales y cerámicas presentan el efecto bidireccionalmente, lo que quiere decir que a cierta temperatura se tiene una forma y esta puede cambiarse al cambiar la temperatura, mas si la primera temperatura es recuperada, también la primer forma se recupera. Esto se logra entrenando el material para cada forma en cada temperatura.
Los metales y cerámicas con efecto bidireccional térmicamente inducido de memoria han tenido gran aplicación en implantes médicos, sensores, transductores, etc. Muchos presentan sin embargo un riesgo debido a su alta toxicidad.
Esquema general del efecto de memoria térmicamente inducido en metales.
Este efecto en metales y cerámicas está basado en un cambio en la estructura cristalina, llamado transición martensítica de fases. La desventaja de estos materiales es que es una mezcla equitaómica y desviaciones de 1% en la composición modifican la temperatura de transición aproximadamente en 100 K.
Algunos metales y cerámicas presentan el efecto bidireccionalmente, lo que quiere decir que a cierta temperatura se tiene una forma y esta puede cambiarse al cambiar la temperatura, mas si la primera temperatura es recuperada, también la primer forma se recupera. Esto se logra entrenando el material para cada forma en cada temperatura.
Los metales y cerámicas con efecto bidireccional térmicamente inducido de memoria han tenido gran aplicación en implantes médicos, sensores, transductores, etc. Muchos presentan sin embargo un riesgo debido a su alta toxicidad.
Esquema general del efecto de memoria térmicamente inducido en metales.
Historia
Las aleaciones con memoria de forma (SMA) han cobrado gran interés comercial en los últimos años debido al amplio rango de funciones que pueden cumplir en el área de la medicina, la odontología y las aplicaciones electrónicas. Dentro del grupo de aleaciones que presenta el fenómeno de memoria de forma se destacan las que son aleaciones de Níquel y Titanio. El efecto de memoria de forma y súper elasticidad en las aleaciones de Níquel-Titanio fue descubierta por Büehler y colaboradores en 1963 La más famosa 
de estas aleaciones fue diseñada y dada a conocer por los laboratorios de la marina de EE.UU. en la década del 70 y lleva su nombre en referencia a los laboratorios de dicha institución: Nitinol (Níquel Titanium Naval Ordenance Laboratories). En el mundo, existen numerosas compañías que se dedican a la producción de la aleación. Sin embargo, las empresas que fabrican productos ingenieriles de alto valor agregado son muy pocas. Como ejemplo se puede citar la producción de tubos de Nitinol que está reducida a cinco empresas en todo el mundo. La complejidad para el trabajado y las complicaciones a la hora de la producción hacen que los productos requieran muchas horas de ingeniería de diseño de proceso, además de tiempos usualmente largos de puesta a punto. Si bien las SMA son estudiadas por la ciencia en su carácter de ciencia básica y aplicada, las publicaciones al respecto suelen mostrar un carácter excesivamente físico-básico, o en ocasiones, cuando se refieren a datos industriales, son mezquinos e inexactos. Las primeras piezas de Nitinol se fabricaron en 1991 por Raychep corp. en un conjunto de dispositivos periscópicos guiables. Hoy por hoy en el mercado se encuentran stents1 con comportamientos superelástico que suplen las funciones de los stents existentes. Algunas otras aplicaciones que son fabricados de Nitinol pueden ser, catéteres, componentes de ortodoncia en general, entre otros dispositivos que pueden nombrarse.
de estas aleaciones fue diseñada y dada a conocer por los laboratorios de la marina de EE.UU. en la década del 70 y lleva su nombre en referencia a los laboratorios de dicha institución: Nitinol (Níquel Titanium Naval Ordenance Laboratories). En el mundo, existen numerosas compañías que se dedican a la producción de la aleación. Sin embargo, las empresas que fabrican productos ingenieriles de alto valor agregado son muy pocas. Como ejemplo se puede citar la producción de tubos de Nitinol que está reducida a cinco empresas en todo el mundo. La complejidad para el trabajado y las complicaciones a la hora de la producción hacen que los productos requieran muchas horas de ingeniería de diseño de proceso, además de tiempos usualmente largos de puesta a punto. Si bien las SMA son estudiadas por la ciencia en su carácter de ciencia básica y aplicada, las publicaciones al respecto suelen mostrar un carácter excesivamente físico-básico, o en ocasiones, cuando se refieren a datos industriales, son mezquinos e inexactos. Las primeras piezas de Nitinol se fabricaron en 1991 por Raychep corp. en un conjunto de dispositivos periscópicos guiables. Hoy por hoy en el mercado se encuentran stents1 con comportamientos superelástico que suplen las funciones de los stents existentes. Algunas otras aplicaciones que son fabricados de Nitinol pueden ser, catéteres, componentes de ortodoncia en general, entre otros dispositivos que pueden nombrarse.Transformaciones sin difusión
Es conocido en materiales más comunes como el acero, que las transformaciones sin difusión de tipo martensíticas tienen un grado de avance que depende solamente de la temperatura. Esto es, superada cierta velocidad de enfriamiento necesaria para que no nucleen y crezcan las fases de equilibrio, la fase de alta temperatura (austenita en el acero) transforma sin difusión a una nueva fase (martensita BCT). El porcentaje de material transformado está relacionado con la temperatura a la que finaliza el enfriamiento. Dentro del grupo de aleaciones que presentan cambios de fase sin difusión, la temperatura a la cual comienza la transformación mientras la aleación se enfría, se denomina Ms (martensite start) y la temperatura a la que ya no se evidencian cambios de fase, siempre y cuando el proceso de enfriamiento continúe, se denomina Mf (martensite finish). Si el enfriamiento se interrumpe, esto es, si la temperatura se mantiene constante durante un tiempo finito, la transformación no evoluciona, sino que mantiene los porcentajes de fases que corresponden a dicha temperatura. En sentido contrario (ya no en el caso del acero, sino en general), cuando calentamos la aleación, y se supera una temperatura As (austenite start) la aleación comienza a transformar a la fase primaria, o de alta temperatura y termina de transformar cuando se supera una temperatura Af (austenite finish) o lo que es lo mismo, cuando la temperatura es mayor que Af toda la aleación se encuentra en la fase primigenia de alta temperatura.
Comportamiento súper elástico-memoria de forma
Las SMA tienen dos tipos de comportamientos especiales, que en realidad son dos expresiones del mismo fenómeno [1]: La memoria de forma y la súper elasticidad. En ambos casos, el comportamiento es el producto de una transformación de fases sin difusión, de tipo martensítica, en el que el orden a primeros vecinos no se pierde. Estrictamente hablando el orden sí se pierde, lo que no se pierden son los átomos vecinos. Si en un estado un átomo tiene un grupo de primeros vecinos, su posición en el segundo estado es diferente, pero los vecinos no cambian.
Una forma de ver este efecto de memoria de forma es en la El material en principio se encuentra en su fase de alta temperatura. Al descender la temperatura se produce
la transformación a martensita. Si el material ahora es deformado dicha deformación se produce por maclado, es decir, nuevamente el orden a corto alcance no se pierde y los primeros vecinos siguen siendo los mismos como se observa en la figura. Cuando la temperatura del material aumenta nuevamente, el material retoma la fase de alta temperatura con la forma que tenía antes de la deformación. Si este mismo proceso se mira en un gráfico de tensión contra deformación, luego del enfriamiento, en una primera etapa, el comportamiento es lineal que da cuenta de un comportamiento elástico. Alcanzada una tensión crítica, la deformación continúa sin aumento de tensión o con un aumento de tensión muy suave.
En una tercera etapa, luego de alcanzada una deformación crítica, la tensión comienza nuevamente a aumentar de forma lineal con una pendiente similar a la que mostraba en un principio.
Si antes de alcanzar la deformación crítica, la tensión se relaja la probeta conserva una deformación permanente. Ahora bien, si la probeta es calentada hasta superar cierta temperatura característica de la aleación (As), comienza a recuperarse la deformación que permanecía hasta que, cuando la temperatura supera otra temperatura crítica (Af) que también depende de la aleación y los tratamientos térmicos, encontramos que ya no queda deformación y la probeta se encuentra en sus dimensiones originales. A este comportamiento se lo conoce como “Memoria de Forma”.
En el mismo tipo de aleación pero con tratamientos termo mecánicos diferentes o, con el agregado de muy pequeñas cantidades de aleantes, puede suceder que en el ensayo de tracción, a temperatura ambiente, el comportamiento de la probeta sea como se ve en la figura. Al igual que en el caso del comportamiento de memoria de forma, también aquí vemos como a partir de alcanzado una cierta tensión, la deformación continua sin aumento significativo de la tensión. Solo que en este caso, al relajar la tensión, vemos un lazo de histéresis que concluye con una deformación permanente casi nula. A este comportamiento de deformación aparentemente plástica que luego se recupera por completo se la llama “Súper Elasticidad” o “Pseudo plasticidad”.
Una forma de ver este efecto de memoria de forma es en la El material en principio se encuentra en su fase de alta temperatura. Al descender la temperatura se produce
la transformación a martensita. Si el material ahora es deformado dicha deformación se produce por maclado, es decir, nuevamente el orden a corto alcance no se pierde y los primeros vecinos siguen siendo los mismos como se observa en la figura. Cuando la temperatura del material aumenta nuevamente, el material retoma la fase de alta temperatura con la forma que tenía antes de la deformación. Si este mismo proceso se mira en un gráfico de tensión contra deformación, luego del enfriamiento, en una primera etapa, el comportamiento es lineal que da cuenta de un comportamiento elástico. Alcanzada una tensión crítica, la deformación continúa sin aumento de tensión o con un aumento de tensión muy suave.En una tercera etapa, luego de alcanzada una deformación crítica, la tensión comienza nuevamente a aumentar de forma lineal con una pendiente similar a la que mostraba en un principio.
Si antes de alcanzar la deformación crítica, la tensión se relaja la probeta conserva una deformación permanente. Ahora bien, si la probeta es calentada hasta superar cierta temperatura característica de la aleación (As), comienza a recuperarse la deformación que permanecía hasta que, cuando la temperatura supera otra temperatura crítica (Af) que también depende de la aleación y los tratamientos térmicos, encontramos que ya no queda deformación y la probeta se encuentra en sus dimensiones originales. A este comportamiento se lo conoce como “Memoria de Forma”.
En el mismo tipo de aleación pero con tratamientos termo mecánicos diferentes o, con el agregado de muy pequeñas cantidades de aleantes, puede suceder que en el ensayo de tracción, a temperatura ambiente, el comportamiento de la probeta sea como se ve en la figura. Al igual que en el caso del comportamiento de memoria de forma, también aquí vemos como a partir de alcanzado una cierta tensión, la deformación continua sin aumento significativo de la tensión. Solo que en este caso, al relajar la tensión, vemos un lazo de histéresis que concluye con una deformación permanente casi nula. A este comportamiento de deformación aparentemente plástica que luego se recupera por completo se la llama “Súper Elasticidad” o “Pseudo plasticidad”.
Referencias
http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/diccionario/materiales_inteligentes.htm
http://www.engr.utexas.edu/wep/COOL/Eng_adv/Spanish/Observando_el_Futuro/eye_tech_mmetal.htm
http://www.solociencia.com/quimica/07050207.htm
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/sacaleE_M2/Piezoelectricidad/Piezoelctricidad.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Materiales_inteligentes
http://www.engr.utexas.edu/wep/COOL/Eng_adv/Spanish/Observando_el_Futuro/eye_tech_mmetal.htm
http://www.solociencia.com/quimica/07050207.htm
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/sacaleE_M2/Piezoelectricidad/Piezoelctricidad.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Materiales_inteligentes
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