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Alcune slides - Università degli Studi di Firenze

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Corso di dottorato: “Metodi variazionali per la
meccanica e i materiali”
Lezione 20: Il giro del mondo dell’isteresi in 80 (o quasi) applicazioni
seconda parte: materiali multifunzionali
Michela Eleuteri
Università degli Studi di Milano (ancora per poco...)
Università degli Studi di Firenze
February 26, 2014
Shape memory alloys: definizione e proprietà
Le leghe con memoria di forma (Shape Memory Alloys - SMA): classe
particolare di leghe metalliche con la proprietà di ricordare la loro forma
originaria dopo essere state piegate o distorte (effetto memoria di
forma).
Come vedere questo effetto: applicare una deformazione ad un filo
metallico di questa lega e poi andare a riscaldarlo per effetto Joule: il filo
metallico riprende la sua forma originaria.
Questa proprietà e quella correlata della pseudo-elasticità usate per
molti scopi: medico, auronautico, civile e in particolare nel campo dei
sensori.
Le proprietà delle SMA sono possibili a causa di una trasformazione di
fase allo stato solido (riarrangiamento molecolare che avviene nella
lega): trasformazione di tipo dislocativo - caratterizzate da piccoli
movimenti degli atomi rispetto alla loro posizione originaria.
La natura chimica del materiale non viene alterata - reticolo cristallino si
dispone in una configurazione più stabile.
Migrazione degli atomi non richiesta: il processo dipende solo dalla
temperatura e non dal tempo.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Shape memory alloys: definizione e proprietà
Le leghe con memoria di forma (Shape Memory Alloys - SMA): classe
particolare di leghe metalliche con la proprietà di ricordare la loro forma
originaria dopo essere state piegate o distorte (effetto memoria di
forma).
Come vedere questo effetto: applicare una deformazione ad un filo
metallico di questa lega e poi andare a riscaldarlo per effetto Joule: il filo
metallico riprende la sua forma originaria.
Questa proprietà e quella correlata della pseudo-elasticità usate per
molti scopi: medico, auronautico, civile e in particolare nel campo dei
sensori.
Le proprietà delle SMA sono possibili a causa di una trasformazione di
fase allo stato solido (riarrangiamento molecolare che avviene nella
lega): trasformazione di tipo dislocativo - caratterizzate da piccoli
movimenti degli atomi rispetto alla loro posizione originaria.
La natura chimica del materiale non viene alterata - reticolo cristallino si
dispone in una configurazione più stabile.
Migrazione degli atomi non richiesta: il processo dipende solo dalla
temperatura e non dal tempo.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Shape memory alloys: definizione e proprietà
Le leghe con memoria di forma (Shape Memory Alloys - SMA): classe
particolare di leghe metalliche con la proprietà di ricordare la loro forma
originaria dopo essere state piegate o distorte (effetto memoria di
forma).
Come vedere questo effetto: applicare una deformazione ad un filo
metallico di questa lega e poi andare a riscaldarlo per effetto Joule: il filo
metallico riprende la sua forma originaria.
Questa proprietà e quella correlata della pseudo-elasticità usate per
molti scopi: medico, auronautico, civile e in particolare nel campo dei
sensori.
Le proprietà delle SMA sono possibili a causa di una trasformazione di
fase allo stato solido (riarrangiamento molecolare che avviene nella
lega): trasformazione di tipo dislocativo - caratterizzate da piccoli
movimenti degli atomi rispetto alla loro posizione originaria.
La natura chimica del materiale non viene alterata - reticolo cristallino si
dispone in una configurazione più stabile.
Migrazione degli atomi non richiesta: il processo dipende solo dalla
temperatura e non dal tempo.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Shape memory alloys: definizione e proprietà
Le leghe con memoria di forma (Shape Memory Alloys - SMA): classe
particolare di leghe metalliche con la proprietà di ricordare la loro forma
originaria dopo essere state piegate o distorte (effetto memoria di
forma).
Come vedere questo effetto: applicare una deformazione ad un filo
metallico di questa lega e poi andare a riscaldarlo per effetto Joule: il filo
metallico riprende la sua forma originaria.
Questa proprietà e quella correlata della pseudo-elasticità usate per
molti scopi: medico, auronautico, civile e in particolare nel campo dei
sensori.
Le proprietà delle SMA sono possibili a causa di una trasformazione di
fase allo stato solido (riarrangiamento molecolare che avviene nella
lega): trasformazione di tipo dislocativo - caratterizzate da piccoli
movimenti degli atomi rispetto alla loro posizione originaria.
La natura chimica del materiale non viene alterata - reticolo cristallino si
dispone in una configurazione più stabile.
Migrazione degli atomi non richiesta: il processo dipende solo dalla
temperatura e non dal tempo.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Shape memory alloys: definizione e proprietà
Le leghe con memoria di forma (Shape Memory Alloys - SMA): classe
particolare di leghe metalliche con la proprietà di ricordare la loro forma
originaria dopo essere state piegate o distorte (effetto memoria di
forma).
Come vedere questo effetto: applicare una deformazione ad un filo
metallico di questa lega e poi andare a riscaldarlo per effetto Joule: il filo
metallico riprende la sua forma originaria.
Questa proprietà e quella correlata della pseudo-elasticità usate per
molti scopi: medico, auronautico, civile e in particolare nel campo dei
sensori.
Le proprietà delle SMA sono possibili a causa di una trasformazione di
fase allo stato solido (riarrangiamento molecolare che avviene nella
lega): trasformazione di tipo dislocativo - caratterizzate da piccoli
movimenti degli atomi rispetto alla loro posizione originaria.
La natura chimica del materiale non viene alterata - reticolo cristallino si
dispone in una configurazione più stabile.
Migrazione degli atomi non richiesta: il processo dipende solo dalla
temperatura e non dal tempo.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Shape memory alloys: definizione e proprietà
Le leghe con memoria di forma (Shape Memory Alloys - SMA): classe
particolare di leghe metalliche con la proprietà di ricordare la loro forma
originaria dopo essere state piegate o distorte (effetto memoria di
forma).
Come vedere questo effetto: applicare una deformazione ad un filo
metallico di questa lega e poi andare a riscaldarlo per effetto Joule: il filo
metallico riprende la sua forma originaria.
Questa proprietà e quella correlata della pseudo-elasticità usate per
molti scopi: medico, auronautico, civile e in particolare nel campo dei
sensori.
Le proprietà delle SMA sono possibili a causa di una trasformazione di
fase allo stato solido (riarrangiamento molecolare che avviene nella
lega): trasformazione di tipo dislocativo - caratterizzate da piccoli
movimenti degli atomi rispetto alla loro posizione originaria.
La natura chimica del materiale non viene alterata - reticolo cristallino si
dispone in una configurazione più stabile.
Migrazione degli atomi non richiesta: il processo dipende solo dalla
temperatura e non dal tempo.
Michela Eleuteri
Lezione 20
La trasformazione di fase allo stato solido:
austenite-martensite
Tutte le SMA propongono due fasi cristalline distinte, la cui presenza è
funzione della temperatura e degli stress applicati.
Queste fasi sono di tipo martensitica a bassa temperatura e austenitica
ad alta temperatura.
La martensite non deformata (twinned) ha la stessa forma e volume
della fase austenite (cubica) su scala macroscopica, e non ci sono
cambiamenti visibili finché non diventa martensite deformata
(detwinned).
La proprietà della lega dipenderà evidentemente dalla quantità relativa
di fase presente.
Michela Eleuteri
Lezione 20
La trasformazione di fase allo stato solido:
austenite-martensite
Tutte le SMA propongono due fasi cristalline distinte, la cui presenza è
funzione della temperatura e degli stress applicati.
Queste fasi sono di tipo martensitica a bassa temperatura e austenitica
ad alta temperatura.
La martensite non deformata (twinned) ha la stessa forma e volume
della fase austenite (cubica) su scala macroscopica, e non ci sono
cambiamenti visibili finché non diventa martensite deformata
(detwinned).
La proprietà della lega dipenderà evidentemente dalla quantità relativa
di fase presente.
Michela Eleuteri
Lezione 20
La trasformazione di fase allo stato solido:
austenite-martensite
Tutte le SMA propongono due fasi cristalline distinte, la cui presenza è
funzione della temperatura e degli stress applicati.
Queste fasi sono di tipo martensitica a bassa temperatura e austenitica
ad alta temperatura.
La martensite non deformata (twinned) ha la stessa forma e volume
della fase austenite (cubica) su scala macroscopica, e non ci sono
cambiamenti visibili finché non diventa martensite deformata
(detwinned).
La proprietà della lega dipenderà evidentemente dalla quantità relativa
di fase presente.
Michela Eleuteri
Lezione 20
La trasformazione di fase allo stato solido:
austenite-martensite
Tutte le SMA propongono due fasi cristalline distinte, la cui presenza è
funzione della temperatura e degli stress applicati.
Queste fasi sono di tipo martensitica a bassa temperatura e austenitica
ad alta temperatura.
La martensite non deformata (twinned) ha la stessa forma e volume
della fase austenite (cubica) su scala macroscopica, e non ci sono
cambiamenti visibili finché non diventa martensite deformata
(detwinned).
La proprietà della lega dipenderà evidentemente dalla quantità relativa
di fase presente.
Michela Eleuteri
Lezione 20
La trasformazione di fase allo stato solido:
austenite-martensite
Figura: Vista macroscopica e microscopica delle due fasi delle SMA.
Michela Eleuteri
Lezione 20
L’effetto di memoria di forma
Figura: L’effetto di memoria di forma si ottiene raffreddando la lega
finché diventa solo martensite e può essere deformata. La forma
originaria può essere recuperata scaldando opportunamente la lega; il
calore è il responsabile del riarrangiamento molecolare.
Michela Eleuteri
Lezione 20
L’effetto di memoria di forma
Figura: Effetto di memoria di forma: al termine del processo di carico e
scarico (ABC) a temperatura costante, il materiale presenta una
deformazione residua che può essere recuperata tramite un ciclo
termico (CDA).
Michela Eleuteri
Lezione 20
La pseudo-elasticità
Figura: Pseudo-elasticità (o super-elasticità): il materiale caricato a
temperatura costante (ABC) mostra un comportamento non lineare.
Durante lo scarico (CDA) si ha la trasformazione inversa, con
deformazioni residue nulle. Si noti l’isteresi.
Michela Eleuteri
Lezione 20
La pseudo-elasticità
Si ha pseudoelasticità quando la lega è completamente composta da
austenite (quindi al di sopra di una certa soglia di temperatura).
Diversamente dall’effetto di memoria di forma, la pseudoelasticità
avviene senza un cambiamento nella temperatura.
Il processo di carico nella lega viene portato avanti finché l’austenite
non si è trasformata tutta in martensite.
Non appena il processo di carico viene interrotto, la martensite viene
ritrasformata di nuovo in austenite, perché la temperatura a cui avviene
il processo è sempre sopra una opportuna soglia critica e la lega torna
ad assumere la sua forma originaria.
Michela Eleuteri
Lezione 20
La pseudo-elasticità
Si ha pseudoelasticità quando la lega è completamente composta da
austenite (quindi al di sopra di una certa soglia di temperatura).
Diversamente dall’effetto di memoria di forma, la pseudoelasticità
avviene senza un cambiamento nella temperatura.
Il processo di carico nella lega viene portato avanti finché l’austenite
non si è trasformata tutta in martensite.
Non appena il processo di carico viene interrotto, la martensite viene
ritrasformata di nuovo in austenite, perché la temperatura a cui avviene
il processo è sempre sopra una opportuna soglia critica e la lega torna
ad assumere la sua forma originaria.
Michela Eleuteri
Lezione 20
La pseudo-elasticità
Si ha pseudoelasticità quando la lega è completamente composta da
austenite (quindi al di sopra di una certa soglia di temperatura).
Diversamente dall’effetto di memoria di forma, la pseudoelasticità
avviene senza un cambiamento nella temperatura.
Il processo di carico nella lega viene portato avanti finché l’austenite
non si è trasformata tutta in martensite.
Non appena il processo di carico viene interrotto, la martensite viene
ritrasformata di nuovo in austenite, perché la temperatura a cui avviene
il processo è sempre sopra una opportuna soglia critica e la lega torna
ad assumere la sua forma originaria.
Michela Eleuteri
Lezione 20
La pseudo-elasticità
Si ha pseudoelasticità quando la lega è completamente composta da
austenite (quindi al di sopra di una certa soglia di temperatura).
Diversamente dall’effetto di memoria di forma, la pseudoelasticità
avviene senza un cambiamento nella temperatura.
Il processo di carico nella lega viene portato avanti finché l’austenite
non si è trasformata tutta in martensite.
Non appena il processo di carico viene interrotto, la martensite viene
ritrasformata di nuovo in austenite, perché la temperatura a cui avviene
il processo è sempre sopra una opportuna soglia critica e la lega torna
ad assumere la sua forma originaria.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Processo di carico-scarico su un filo di lega Ni-Ti:
risultati sperimentali
Evidenza sperimentale del processo di carico-scarico su un filo di lega
Nichel-Titanium (lega con memoria di forma). In ascissa abbiamo la
deformazione (strain), in ordinata il carico (stress)
500
σ [MPa]
400
300
200
1st cycle
10th cycle
100
30th cycle
50th cycle
0
0
1
2
3
Michela Eleuteri
ε [%]
4
Lezione 20
5
6
7
Processo di carico-scarico su un filo di lega Ni-Ti:
simulazioni
Simulazione numerica del processo di carico-scarico su un filo di lega
Nichel-Titanium (lega con memoria di forma). In ascissa abbiamo la
deformazione (strain), in ordinata il carico (stress)
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Le SMA vengono definiti materiali funzionali in quanto sono
maggiormente importanti per quello che fanno (una azione) che per
quello che sono (una proprietà).
Tuttavia, benché una notevole ricerca sia stata portata avanti negli ultimi
anni, non vengono ancora sfruttate appieno le potenzialità che questo
materiale presenta.
Uno dei principali motivi di questa situazione, è che questi materiali sono
stati visti come sostitutivi rispetto ad alcune applicazioni e non come
materiali diversi e innovativi in cui è necessario per sfruttarne appieno le
possibilità progettare il componente tenendo conto delle peculiarità.
Questa sostituzione ha comportato una bassa diffusione dell’uso di
queste leghe ed il loro alto prezzo.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Le SMA vengono definiti materiali funzionali in quanto sono
maggiormente importanti per quello che fanno (una azione) che per
quello che sono (una proprietà).
Tuttavia, benché una notevole ricerca sia stata portata avanti negli ultimi
anni, non vengono ancora sfruttate appieno le potenzialità che questo
materiale presenta.
Uno dei principali motivi di questa situazione, è che questi materiali sono
stati visti come sostitutivi rispetto ad alcune applicazioni e non come
materiali diversi e innovativi in cui è necessario per sfruttarne appieno le
possibilità progettare il componente tenendo conto delle peculiarità.
Questa sostituzione ha comportato una bassa diffusione dell’uso di
queste leghe ed il loro alto prezzo.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Le SMA vengono definiti materiali funzionali in quanto sono
maggiormente importanti per quello che fanno (una azione) che per
quello che sono (una proprietà).
Tuttavia, benché una notevole ricerca sia stata portata avanti negli ultimi
anni, non vengono ancora sfruttate appieno le potenzialità che questo
materiale presenta.
Uno dei principali motivi di questa situazione, è che questi materiali sono
stati visti come sostitutivi rispetto ad alcune applicazioni e non come
materiali diversi e innovativi in cui è necessario per sfruttarne appieno le
possibilità progettare il componente tenendo conto delle peculiarità.
Questa sostituzione ha comportato una bassa diffusione dell’uso di
queste leghe ed il loro alto prezzo.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Le SMA vengono definiti materiali funzionali in quanto sono
maggiormente importanti per quello che fanno (una azione) che per
quello che sono (una proprietà).
Tuttavia, benché una notevole ricerca sia stata portata avanti negli ultimi
anni, non vengono ancora sfruttate appieno le potenzialità che questo
materiale presenta.
Uno dei principali motivi di questa situazione, è che questi materiali sono
stati visti come sostitutivi rispetto ad alcune applicazioni e non come
materiali diversi e innovativi in cui è necessario per sfruttarne appieno le
possibilità progettare il componente tenendo conto delle peculiarità.
Questa sostituzione ha comportato una bassa diffusione dell’uso di
queste leghe ed il loro alto prezzo.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Ingegneria Meccanica: attuatori e microvalvole di controllo,
applicazioni in impianti nucleari, esplosione rocce, giunzione fibre
ottiche, cuscinetti, microattuatori.
Ingegneria Elettronica: circuiti di frenata, connettori, valvole per gas.
Sicurezza: protezioni contro sovrattemperature, elementi sensitivi
riutilizzabili, valvole per olio, sistemi di apertura valvole contro incendi.
Sensori di temperatura e ventilazione: apertura e chiusura flap aria,
ventilazione automatica, attuatori solari per controllare posizione
veneziane, valvola bollitore, aperture automatiche per scaricare il
vapore.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Ingegneria Meccanica: attuatori e microvalvole di controllo,
applicazioni in impianti nucleari, esplosione rocce, giunzione fibre
ottiche, cuscinetti, microattuatori.
Ingegneria Elettronica: circuiti di frenata, connettori, valvole per gas.
Sicurezza: protezioni contro sovrattemperature, elementi sensitivi
riutilizzabili, valvole per olio, sistemi di apertura valvole contro incendi.
Sensori di temperatura e ventilazione: apertura e chiusura flap aria,
ventilazione automatica, attuatori solari per controllare posizione
veneziane, valvola bollitore, aperture automatiche per scaricare il
vapore.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Ingegneria Meccanica: attuatori e microvalvole di controllo,
applicazioni in impianti nucleari, esplosione rocce, giunzione fibre
ottiche, cuscinetti, microattuatori.
Ingegneria Elettronica: circuiti di frenata, connettori, valvole per gas.
Sicurezza: protezioni contro sovrattemperature, elementi sensitivi
riutilizzabili, valvole per olio, sistemi di apertura valvole contro incendi.
Sensori di temperatura e ventilazione: apertura e chiusura flap aria,
ventilazione automatica, attuatori solari per controllare posizione
veneziane, valvola bollitore, aperture automatiche per scaricare il
vapore.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Ingegneria Meccanica: attuatori e microvalvole di controllo,
applicazioni in impianti nucleari, esplosione rocce, giunzione fibre
ottiche, cuscinetti, microattuatori.
Ingegneria Elettronica: circuiti di frenata, connettori, valvole per gas.
Sicurezza: protezioni contro sovrattemperature, elementi sensitivi
riutilizzabili, valvole per olio, sistemi di apertura valvole contro incendi.
Sensori di temperatura e ventilazione: apertura e chiusura flap aria,
ventilazione automatica, attuatori solari per controllare posizione
veneziane, valvola bollitore, aperture automatiche per scaricare il
vapore.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Ingegneria aerospaziale: telescopio Hubble, meccanismi di rilascio
apparati meccanici, apertura antenna, parti per assorbimento vibrazioni.
Industria automobilistica: sistemi per favorire la partenza a freddo,
sistemi iniezione carburante, ventilazione e climatizzazione, riduzione
rumori.
Arte e gadgets: sculture, modellini, scatole a memorie di forma, motori.
Applicazioni mediche: fili per ortodonzia, impianti dentali per il
raddrizzamento, armature in filo per il fissaggio dell’anca con correzione
automatica nel tempo e altre applicazioni ortopediche (graffette per
favorire la giunzione di arti rotti), correzione scogliosi, sistemi per
montaggio, lenti intraoculari, filtri transvenerei.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Ingegneria aerospaziale: telescopio Hubble, meccanismi di rilascio
apparati meccanici, apertura antenna, parti per assorbimento vibrazioni.
Industria automobilistica: sistemi per favorire la partenza a freddo,
sistemi iniezione carburante, ventilazione e climatizzazione, riduzione
rumori.
Arte e gadgets: sculture, modellini, scatole a memorie di forma, motori.
Applicazioni mediche: fili per ortodonzia, impianti dentali per il
raddrizzamento, armature in filo per il fissaggio dell’anca con correzione
automatica nel tempo e altre applicazioni ortopediche (graffette per
favorire la giunzione di arti rotti), correzione scogliosi, sistemi per
montaggio, lenti intraoculari, filtri transvenerei.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Ingegneria aerospaziale: telescopio Hubble, meccanismi di rilascio
apparati meccanici, apertura antenna, parti per assorbimento vibrazioni.
Industria automobilistica: sistemi per favorire la partenza a freddo,
sistemi iniezione carburante, ventilazione e climatizzazione, riduzione
rumori.
Arte e gadgets: sculture, modellini, scatole a memorie di forma, motori.
Applicazioni mediche: fili per ortodonzia, impianti dentali per il
raddrizzamento, armature in filo per il fissaggio dell’anca con correzione
automatica nel tempo e altre applicazioni ortopediche (graffette per
favorire la giunzione di arti rotti), correzione scogliosi, sistemi per
montaggio, lenti intraoculari, filtri transvenerei.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Applicazioni
Ingegneria aerospaziale: telescopio Hubble, meccanismi di rilascio
apparati meccanici, apertura antenna, parti per assorbimento vibrazioni.
Industria automobilistica: sistemi per favorire la partenza a freddo,
sistemi iniezione carburante, ventilazione e climatizzazione, riduzione
rumori.
Arte e gadgets: sculture, modellini, scatole a memorie di forma, motori.
Applicazioni mediche: fili per ortodonzia, impianti dentali per il
raddrizzamento, armature in filo per il fissaggio dell’anca con correzione
automatica nel tempo e altre applicazioni ortopediche (graffette per
favorire la giunzione di arti rotti), correzione scogliosi, sistemi per
montaggio, lenti intraoculari, filtri transvenerei.
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi elettroreologici: definizione
I fluidi elettroreologici sono speciali fluidi viscosi che sono caratterizzati
dalla capacità di cambiare le loro proprietà meccaniche in maniera
considerevole sotto l’azione di un campo elettrico
Fondamentalmente questi fluidi sono sospensioni estremamente fini di
particelle non conduttrici (del diametro fino a 50 micrometri) in un fluido
elettricamente isolante
La viscosità apparente di questi fluidi cambia in modo sensibile fino
all’ordine di 100.000 in risposta a un campo elettrico
Per esempio, un tipico fluido ER può andare dalla consistenza di liquido
a quella di gel e tornare nella condizione originaria con un tempo di
risposta dell’ordine di millisecondi
Questo effetto è talvolta chiamato “effetto Winslow”, dopo la sua
scoperta da parte dell’inventore americano Willis Winslow, che ha
ottenuto un brevetto americano nel 1947 e ha pubblicizzato i suoi
risultati nel 1949
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi elettroreologici: definizione
I fluidi elettroreologici sono speciali fluidi viscosi che sono caratterizzati
dalla capacità di cambiare le loro proprietà meccaniche in maniera
considerevole sotto l’azione di un campo elettrico
Fondamentalmente questi fluidi sono sospensioni estremamente fini di
particelle non conduttrici (del diametro fino a 50 micrometri) in un fluido
elettricamente isolante
La viscosità apparente di questi fluidi cambia in modo sensibile fino
all’ordine di 100.000 in risposta a un campo elettrico
Per esempio, un tipico fluido ER può andare dalla consistenza di liquido
a quella di gel e tornare nella condizione originaria con un tempo di
risposta dell’ordine di millisecondi
Questo effetto è talvolta chiamato “effetto Winslow”, dopo la sua
scoperta da parte dell’inventore americano Willis Winslow, che ha
ottenuto un brevetto americano nel 1947 e ha pubblicizzato i suoi
risultati nel 1949
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi elettroreologici: definizione
I fluidi elettroreologici sono speciali fluidi viscosi che sono caratterizzati
dalla capacità di cambiare le loro proprietà meccaniche in maniera
considerevole sotto l’azione di un campo elettrico
Fondamentalmente questi fluidi sono sospensioni estremamente fini di
particelle non conduttrici (del diametro fino a 50 micrometri) in un fluido
elettricamente isolante
La viscosità apparente di questi fluidi cambia in modo sensibile fino
all’ordine di 100.000 in risposta a un campo elettrico
Per esempio, un tipico fluido ER può andare dalla consistenza di liquido
a quella di gel e tornare nella condizione originaria con un tempo di
risposta dell’ordine di millisecondi
Questo effetto è talvolta chiamato “effetto Winslow”, dopo la sua
scoperta da parte dell’inventore americano Willis Winslow, che ha
ottenuto un brevetto americano nel 1947 e ha pubblicizzato i suoi
risultati nel 1949
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi elettroreologici: definizione
I fluidi elettroreologici sono speciali fluidi viscosi che sono caratterizzati
dalla capacità di cambiare le loro proprietà meccaniche in maniera
considerevole sotto l’azione di un campo elettrico
Fondamentalmente questi fluidi sono sospensioni estremamente fini di
particelle non conduttrici (del diametro fino a 50 micrometri) in un fluido
elettricamente isolante
La viscosità apparente di questi fluidi cambia in modo sensibile fino
all’ordine di 100.000 in risposta a un campo elettrico
Per esempio, un tipico fluido ER può andare dalla consistenza di liquido
a quella di gel e tornare nella condizione originaria con un tempo di
risposta dell’ordine di millisecondi
Questo effetto è talvolta chiamato “effetto Winslow”, dopo la sua
scoperta da parte dell’inventore americano Willis Winslow, che ha
ottenuto un brevetto americano nel 1947 e ha pubblicizzato i suoi
risultati nel 1949
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi elettroreologici: definizione
I fluidi elettroreologici sono speciali fluidi viscosi che sono caratterizzati
dalla capacità di cambiare le loro proprietà meccaniche in maniera
considerevole sotto l’azione di un campo elettrico
Fondamentalmente questi fluidi sono sospensioni estremamente fini di
particelle non conduttrici (del diametro fino a 50 micrometri) in un fluido
elettricamente isolante
La viscosità apparente di questi fluidi cambia in modo sensibile fino
all’ordine di 100.000 in risposta a un campo elettrico
Per esempio, un tipico fluido ER può andare dalla consistenza di liquido
a quella di gel e tornare nella condizione originaria con un tempo di
risposta dell’ordine di millisecondi
Questo effetto è talvolta chiamato “effetto Winslow”, dopo la sua
scoperta da parte dell’inventore americano Willis Winslow, che ha
ottenuto un brevetto americano nel 1947 e ha pubblicizzato i suoi
risultati nel 1949
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: figure
Figura: Due fotografie di un fluido ER: la prima rappresenta una
situazione senza campo elettrico applicato e le particelle sono libere di
muoversi nel liquido, nella seconda le particelle sono legate in catene e
limitano la viscosità del fluido (Stefano Giordano: “Caratterizzazione
elettromagnetica di materiali lineari e non lineari”, Ph.D. thesis).
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: video
FLUDICON GmbH - www.fludicon.com
R - Il fluido ER consiste in particelle PU polarizzate in un fluido inerte.
RheOil
R cambia la sua
Se sottoposto all’azione di un campo elettrico, RheOil
consistenza entro qualche millisecondo
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: video
FLUDICON GmbH - www.fludicon.com
R - Il fluido ER consiste in particelle PU polarizzate in un fluido inerte.
RheOil
R cambia la sua
Se sottoposto all’azione di un campo elettrico, RheOil
consistenza entro qualche millisecondo
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: applicazioni tecnologiche
La normale applicazione dei fluidi ER sta nella veloce azione di
elettrovalvole e frizioni, con la separazione tra i piatti dell’ordine di 1 mm
e il potenziale applicato dell’ordine di 1 kV
Più semplicemente, quando un campo elettrico è applicato,
un’elettrovalvola ER si chiude o i piatti della frizioni sono agganciati
assieme; quando il campo elettrico viene rimosso, l’elettrovalvola si apre
o i piatti della frizione sono sganciati
Altre applicazioni comuni stanno nei freni ER (si può pensare a un freno
come a una frizione con un lato fissato) e negli ammortizzatori (che
possono essere pensati come sistemi idraulici chiusi, in cui lo shock
viene usato per pompare e svuotare il fluido attraverso la valvola)
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: applicazioni tecnologiche
La normale applicazione dei fluidi ER sta nella veloce azione di
elettrovalvole e frizioni, con la separazione tra i piatti dell’ordine di 1 mm
e il potenziale applicato dell’ordine di 1 kV
Più semplicemente, quando un campo elettrico è applicato,
un’elettrovalvola ER si chiude o i piatti della frizioni sono agganciati
assieme; quando il campo elettrico viene rimosso, l’elettrovalvola si apre
o i piatti della frizione sono sganciati
Altre applicazioni comuni stanno nei freni ER (si può pensare a un freno
come a una frizione con un lato fissato) e negli ammortizzatori (che
possono essere pensati come sistemi idraulici chiusi, in cui lo shock
viene usato per pompare e svuotare il fluido attraverso la valvola)
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: applicazioni tecnologiche
La normale applicazione dei fluidi ER sta nella veloce azione di
elettrovalvole e frizioni, con la separazione tra i piatti dell’ordine di 1 mm
e il potenziale applicato dell’ordine di 1 kV
Più semplicemente, quando un campo elettrico è applicato,
un’elettrovalvola ER si chiude o i piatti della frizioni sono agganciati
assieme; quando il campo elettrico viene rimosso, l’elettrovalvola si apre
o i piatti della frizione sono sganciati
Altre applicazioni comuni stanno nei freni ER (si può pensare a un freno
come a una frizione con un lato fissato) e negli ammortizzatori (che
possono essere pensati come sistemi idraulici chiusi, in cui lo shock
viene usato per pompare e svuotare il fluido attraverso la valvola)
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: Elettrovalvole
Figura: Un’elettrovalvola che controlla il flusso di un fluido
elettroreologico sfruttando la possibilità di aumentare la viscosità con
campo elettrico applicato (Stefano Giordano: “Caratterizzazione
elettromagnetica di materiali lineari e non lineari”, Ph.D. thesis).
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: frizione
Figura: Una frizione basata sulla viscosità dei fluidi reologici. Il campo
elettrico applicato mediante spazzole e collettori agli alberi di ingresso e
di uscita modula la fluidità del mezzo che si trova tra i due alberi stessi
controllando l’attrito fra essi: (Stefano Giordano: “Caratterizzazione
elettromagnetica di materiali lineari e non lineari”, Ph.D. thesis).
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: applicazioni tecnologiche
Altri usi potenziali stanno nell’accurata pulizia abrasiva oppure
nell’interfaccia aptica e dei display tattili
I fluidi ER sono anche stati proposti per avere potenziali applicazioni
nell’elettronica flessibile, con il fluido incorporato in quegli elementi,
come per esempio nei cosiddetti “rollable screens” e nei tastierini
numerici (keypads), in cui la rapidità del cambio della viscosità permette
a questi elementi di essere rigidi al momento dell’uso per diventare poi
flessibili, per essere arrotolati o messi via, quando non sono utilizzati
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: applicazioni tecnologiche
Altri usi potenziali stanno nell’accurata pulizia abrasiva oppure
nell’interfaccia aptica e dei display tattili
I fluidi ER sono anche stati proposti per avere potenziali applicazioni
nell’elettronica flessibile, con il fluido incorporato in quegli elementi,
come per esempio nei cosiddetti “rollable screens” e nei tastierini
numerici (keypads), in cui la rapidità del cambio della viscosità permette
a questi elementi di essere rigidi al momento dell’uso per diventare poi
flessibili, per essere arrotolati o messi via, quando non sono utilizzati
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: vantaggi e svantaggi
Principale vantaggio: velocità di risposta; ci sono pochi altri effetti capaci
di controllare un numero così ampio di applicazioni tecnologiche e
meccaniche in modo così rapido
Altro vantaggio: un fluido ER può controllare una quantità molto più
ampia di potenza meccanica rispetto alla potenza elettrica utilizzata per
controllare l’effetto, (di fatto agisce come amplificatore)
Problema: i fluidi ER sono sostanzialmente delle sospensioni di
particelle, quindi nel tempo esse tendono a depositarsi sul fondo. Quindi
i fluidi ER avanzati cercano di superare questo problema, cercando di
accoppiare in modo opportuno le densità delle componenti solide e
liquide, oppure attraverso l’uso delle nanoparticelle, che portano i fluidi
ER sullo stesso livello dei fluidi magnetoreologici
Cambiamento di viscosità che si sperimenta in molti dei fluidi ER è
ancora piuttosto limitato (liquido-budino)
Una più completa transizione liquido-solido può essere ottenuta con
l’azione di compressione (effetto utilizzato per ottenere dei buoni display
Braille e alcuni tipi di frizioni veramente funzionali)
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: vantaggi e svantaggi
Principale vantaggio: velocità di risposta; ci sono pochi altri effetti capaci
di controllare un numero così ampio di applicazioni tecnologiche e
meccaniche in modo così rapido
Altro vantaggio: un fluido ER può controllare una quantità molto più
ampia di potenza meccanica rispetto alla potenza elettrica utilizzata per
controllare l’effetto, (di fatto agisce come amplificatore)
Problema: i fluidi ER sono sostanzialmente delle sospensioni di
particelle, quindi nel tempo esse tendono a depositarsi sul fondo. Quindi
i fluidi ER avanzati cercano di superare questo problema, cercando di
accoppiare in modo opportuno le densità delle componenti solide e
liquide, oppure attraverso l’uso delle nanoparticelle, che portano i fluidi
ER sullo stesso livello dei fluidi magnetoreologici
Cambiamento di viscosità che si sperimenta in molti dei fluidi ER è
ancora piuttosto limitato (liquido-budino)
Una più completa transizione liquido-solido può essere ottenuta con
l’azione di compressione (effetto utilizzato per ottenere dei buoni display
Braille e alcuni tipi di frizioni veramente funzionali)
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: vantaggi e svantaggi
Principale vantaggio: velocità di risposta; ci sono pochi altri effetti capaci
di controllare un numero così ampio di applicazioni tecnologiche e
meccaniche in modo così rapido
Altro vantaggio: un fluido ER può controllare una quantità molto più
ampia di potenza meccanica rispetto alla potenza elettrica utilizzata per
controllare l’effetto, (di fatto agisce come amplificatore)
Problema: i fluidi ER sono sostanzialmente delle sospensioni di
particelle, quindi nel tempo esse tendono a depositarsi sul fondo. Quindi
i fluidi ER avanzati cercano di superare questo problema, cercando di
accoppiare in modo opportuno le densità delle componenti solide e
liquide, oppure attraverso l’uso delle nanoparticelle, che portano i fluidi
ER sullo stesso livello dei fluidi magnetoreologici
Cambiamento di viscosità che si sperimenta in molti dei fluidi ER è
ancora piuttosto limitato (liquido-budino)
Una più completa transizione liquido-solido può essere ottenuta con
l’azione di compressione (effetto utilizzato per ottenere dei buoni display
Braille e alcuni tipi di frizioni veramente funzionali)
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: vantaggi e svantaggi
Principale vantaggio: velocità di risposta; ci sono pochi altri effetti capaci
di controllare un numero così ampio di applicazioni tecnologiche e
meccaniche in modo così rapido
Altro vantaggio: un fluido ER può controllare una quantità molto più
ampia di potenza meccanica rispetto alla potenza elettrica utilizzata per
controllare l’effetto, (di fatto agisce come amplificatore)
Problema: i fluidi ER sono sostanzialmente delle sospensioni di
particelle, quindi nel tempo esse tendono a depositarsi sul fondo. Quindi
i fluidi ER avanzati cercano di superare questo problema, cercando di
accoppiare in modo opportuno le densità delle componenti solide e
liquide, oppure attraverso l’uso delle nanoparticelle, che portano i fluidi
ER sullo stesso livello dei fluidi magnetoreologici
Cambiamento di viscosità che si sperimenta in molti dei fluidi ER è
ancora piuttosto limitato (liquido-budino)
Una più completa transizione liquido-solido può essere ottenuta con
l’azione di compressione (effetto utilizzato per ottenere dei buoni display
Braille e alcuni tipi di frizioni veramente funzionali)
Michela Eleuteri
Lezione 20
Fluidi ER: vantaggi e svantaggi
Principale vantaggio: velocità di risposta; ci sono pochi altri effetti capaci
di controllare un numero così ampio di applicazioni tecnologiche e
meccaniche in modo così rapido
Altro vantaggio: un fluido ER può controllare una quantità molto più
ampia di potenza meccanica rispetto alla potenza elettrica utilizzata per
controllare l’effetto, (di fatto agisce come amplificatore)
Problema: i fluidi ER sono sostanzialmente delle sospensioni di
particelle, quindi nel tempo esse tendono a depositarsi sul fondo. Quindi
i fluidi ER avanzati cercano di superare questo problema, cercando di
accoppiare in modo opportuno le densità delle componenti solide e
liquide, oppure attraverso l’uso delle nanoparticelle, che portano i fluidi
ER sullo stesso livello dei fluidi magnetoreologici
Cambiamento di viscosità che si sperimenta in molti dei fluidi ER è
ancora piuttosto limitato (liquido-budino)
Una più completa transizione liquido-solido può essere ottenuta con
l’azione di compressione (effetto utilizzato per ottenere dei buoni display
Braille e alcuni tipi di frizioni veramente funzionali)
Michela Eleuteri
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