MATERIALI PIEZOELETTRICI E LORO APPLICAZIONI

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DEL SANNIO FACOLTA D INGEGNERIA Seminario MATERIALI PIEZOELETTRICI E LORO APPLICAZIONI Prof.Ing Ing.. Leonardo LECCE Ord.. di Strutture Aeronautiche DIPARTIMENTO DI PROGETTAZIONE AERONAUTICA UNIVERSITA DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II 1 Benevento, 8 Maggio 2002

2 ælab Vibrations and Acoustics Laboratory Dipartimento di Progettazione Aeronautica Università degli Studi di Napoli "Federico II" Via Claudio 21, NAPOLI (+39, for Italy): (Secretary) (Prof. L.Lecce) (Prof. F. Marulo and Ing. S. De Rosa) (Ph.D. Students) : or

3 EC Funded Projects Participation Past Projects & Network RHINO - Noise Prediction and Control in Helicopter (Agusta) ASANCA II - Active Noise Control in Turboprop Aircraft (Dornier) ECAMMA - Cocerted Action on Giant Magnetostritive Materials and Appl. (Vdi/vde) MADAVIC - Magnetostrictive Actuators for Damage Analysis and Vibration Control (DPA) ENOVNET - Active Noise and Vibration Control (Euresis) PLAN - Plant Life Assesement Network (JRC-Petten) SEANET - SEA Net work (LMS) 3 New Project & Network ADTURBO II - Aeroelastic Design of Turbine Blade II (Rolls-Royce) MESA - Magnetostrictive Actuators for More Electric Aircraft (Saarbrucken Univ.) ENABLE - Boundary Layer Noise Prediction and Control (Dassault) DAMOCLES - Damage Analysis of Critical Structures (DPA) in evaluation!!? CAPECON - Civil UAV APplications & Economic Effectivity of Potential CONfiguration Solutions (IAI Israel)

4 INDICE MATERIALI E LORO CARATTERIZZAZIONE PROCESSI DI FABBRICAZIONE E TIPOLOGIE REALIZZATIVE DI SENSORI ED ATTUATORI 4 APPLICAZIONI GENERICHE SVILUPPATE IN PROPRIO: INIETTORI PER MOTORI CONTROLLO ATTIVO DELLE VIBRAZIONI E DEL RUMORE; SPEAKING PANEL DAMAGE DETECTION & HEALTH MONITORING

5 TECNOLOGIA DEI MATERIALI PIEZOELETTRICI LA TECNOLOGIA DEI MATERIALI PIEZOELETTRICI SPAZIA DA APPLICAZIONI LE PIU COMUNI A QUELLE PIU SOFISTICATE: ACCENDINO A GAS ; SUONERIE OROLOGI; CARTOLINE CON MUSICA, ETC. POSIZIONAMENTO LASER; ALLINEAMENTO FIBRE OTTICHE; OLOGRAFIA; NANOTECNOLOGIA (MEMS); TECNOLOGIE GENETICHE; CACELLAZIONE DEL RUMORE E DELLE VIBRAZIONI, ETC. NELL AMBITO DEI COSIDDETTI MATERIALI INTELLIGENTI E SENZA DUBBIO QUELLA CHE E ATTUALMENTE PIU SVILUPPATA E CHE PRESENTA IL PIU AMPIO CAMPO DI APPLICAZIONE. 5 P.S. Altri materiali intelligenti (materiali che sono in grado di svolgere sia funzioni di sensori che di attuatori e che quindi possono essere condizionati da un elettronica di controllo), sono : Magnetostrittivi, Materiali a Memoria di Forma(SMA), fluidi magneto o elettro-reologici (MRF o ERF), etc;

6 MATERIALI PIEZOELETTRICI (Storia) 6 Piezo in greco significa pressione ; Nel 1880 i fratelli CURIE scoprirono che applicando una pressione (sollecitazione meccanica) ad un cristallo di quarzo, questo sviluppava una carica elettrica superficiale, cioè si veniva a creare un campo elettrico, effetto piezo diretto ; altri materiali naturali con questa proprietà sono : la tormalina, il sale di Rochelle. Introno al 1930 fu scoperto che anche i materiali ceramici ferroelettrici, sviluppati per realizzare le capacità, godono di questa proprietà quando vengono sottoposti al processo di polarizzazione, cioe l applicazione di un forte campo elettrico ( 1-2 kv/mm) ; tra questi i più conosciuti (sviluppati nel 1945) sono il titanato di bario BaTiO 3 ed il zirconato titanato di piombo (PZT), opportunamente dopati. Recentemente sono stati messi a punto materiali piezoelettrici a matrice plastica (PVDF) e continui sviluppi sono in corso per trovare nuovi materiali e processi di fabbricazione sempre più avanzati.

7 MATERIALI PIEZOELETTRICI (polarizzazione) Zirconato Titanato di Piombo (PZT): Al di sotto di una data temperatura (Temperatura di Curie) tale composto artificiale, se sottoposto al processo di polarizzazione, presenta l effetto piezo diretto, ma anche l effetto piezo indiretto, cioè se applicata una tensione elettrica, il materiale si deforma 7

8 MATERIALI PIEZOELETTRICI (sensori ed attuatori) (Conversione di energia elettrica in meccanica e viceversa) effetto piezoelettrico diretto (comportamento da sensore) effetto piezoelettrico indiretto (comportamento da attuatore) 8

9 MATERIALI PIEZOELETTRICI (anisotropia e caratterizzazione) I materiali piezo hanno un comportamento anisotropo, quindi la necessità di definire un sistema di riferimento (IEEE Standards). La direzione di polarizzazione è sempre coincidente con l asse 3. Le costanti del materiale che caratterizzano le proprietà di relazione fra campi elettrici e sollecitazioni meccaniche si esprimono con due indici: Es. d 31 costante di deformazione nella direzione 1 per unità di campo elettrico applicato in direzione 3; La relazione energetica costitutiva dei materiali piezo è : du = Qds + E i dd i + T l ds l Polarizzazione 1 3 4, 5 e 6 rotazioni 2 9

10 10 MATERIALI PIEZOELETTRICI (parametri caratteristici)

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12 MATERIALI PIEZOELETTRICI (tipologie costruttive) Le forme realizzative più comuni sono le seguenti: attuatori e sensori monolitici e/o sovrapposti (stacked) (ad effetto d 33 ed alta tensione) ; attuatori e sensori sottili (effetto d 31 ) (piezo-patches); attuatori e sensori multistrato ( a bassa tensione) (CMA: Ceramic Multilayer Actuator) 12

13 13 ACTIVE FIBER COMPOSITES

14 14 ACTIVE FIBER COMPOSITES

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16 16 PRODUTTORI DI MATERIALI E SISTEMI PIEZO

17 Problematiche applicative Deviazioni dal comportamento lineare Relazione non lineare fra deformazione e tensione elettrica applicata Isteresi Creep (effetto del tempo sulle proprietà, dei collanti, etc.) Depolarizzazione Deviazione dalla isotropia trasversale Influenza delle frequenza Effetti della temperatura 17

18 Problematiche applicative Isteresi Eccitazione elettrica monopolare Eccitazione elettrica bipolare 18

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22 22 Diagramma caratteristico dei piezo attuatori

23 APPLICAZIONI TECNOLOGIA PIEZO 23 ATTUATORI VALVOLE POMPE & COMPRESSORI POSIZIONATORI INTERRUTTORI MOTORI LINEARI E ROTANTI ECCITATORI DI VIBRAZIONE STRUTTURE INTELLIGENTI AGITATORI/MIXER SEPARATORI/FILTRI UMIDIFICATORI/ATOMIZZATORI TRASDUTTORI ULTRASONICI (ECOGRAFIA) PULITORI AD ULTRASUONI SALDATORI AD ULTRASUONI TAGLIO AD ULTRASUONI CONTROLLO ATTIVO DELLE VIBRAZIONI E DEL RUMORE SOPPRESSORI DI JITTER CONTROLLO DEL FLUSSO D ARIA SCANSIONE ELETTRO-OTTICA SONAR SENSORI DI PRESSIONE, FORZA, FLUSSO, URTO, LIVELLO, MOTO, POSIZIONE ACCELEROMETRI IDROFONI HEALTH MONITORING STRUTTURE E SISTEMI INTELLIGENTI

24 APPLICAZIONI (SENSORI ACCELEROMETRICI) Accelerometro piezoelettrico 24

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27 Applicazioni: Combustione ad iniezione diretta Principio Prototipo di iniettore-pompa 27

28 Applicazioni: Combustione ad iniezione diretta Valvola-iniettore 28

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31 31 Applicazioni: Controllo attivo delle vibrazioni e del rumore

32 32 Caratteristiche elettriche di un piezo-patch

33 33 GENERALITA SUL CONTROLLO ATTIVO

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35 35 CONTROLLO ATTIVO DELLE VIBRAZIONI CON SISTEMA COLLOCATO IN FEEDBACK

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37 37 Controllo passivo delle vibrazioni con piezo-shunt

38 38 SPECIFICHE DI UN ATTUATORE PIEZO-PATCH

39 CONTROLLO ATTIVO DELLE VIBRAZIONI E DEL RUMORE (TECNICA FEEDFORWARD MIMO) Curved stiffened panel : 1.2 x 1.7 m SINGLE OR DOUBLE PIEZO PATCHES : 25 x 25 x 1 mm 39

40 Scanning Laser Vibrometer Results at Hz 40 CONTROL OFF CONTROL ON 40

41 A.T.P. Active trim panels Control effected Noise field at 1mt, 41

42 42 Fuselage mock-up alenia atr 42 turboprop. aircraft

43 ACTIVE NOISE AND VIBRATION CONTROL (asanca2) Fuselage mock-up alenia atr 42 turboprop. aircraft Piezo performance Vs. location 43

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46 46 PROVE IN VOLO DI CONTROLLO ATTIVO DEL RUMORE (asanca II)

47 47 High speed gt car ferrari f-50

48 48 On-going activities

49 INDIVIDUAZIONE DEI DANNEGGIAMENTI STRUTTURALI E MONITORAGGIO DELLO STATO DI SALUTE DELLE STRUTTURE Curved stiffened panel : 1.2 x 1.7 m SINGLE OR DOUBLE PIEZO PATCHES : 25 x 25 x 1 mm 49

50 INDIVIDUAZIONE DEI DANNEGGIAMENTI STRUTTURALI E MONITORAGGIO DELLO STATO DI SALUTE DELLE STRUTTURE (HEALTH MONITORING) PIEZO PATCHES and DAMAGE POSITIONS 5 Rivet on stringer PIEZO ACTUATORS POSITIONS ANVC CONSIDERATIONS FROM DAMAGE POSITION FROM DAMAGE TOLERANCE CONSIDERATIONS st, 2 nd and 3 rd rivet on shear clip 50

51 COMPARISON OF HEALTHY AND DAMAGED STRUCTURE FRFs FOR DIFFERENT AMOUNT OF DAMAGE 1 RIVET Removed 2 RIVETS removed 3 RIVETS removed 51

52 Damage Indices (DIs) formulations Damage Index (1): Damage Index (2): n i= 1 n i= 1 FI n i= 1 i FD FI i FI i i FD FI n i FI i and FD i are respectively the n values of the integer and damaged structure s FRFs Amplitudes n is the spectral lines number. i DIs values bigger then zero should theoretically represent an occurred damage on the structure 52

53 DAMAGE LOCALISATION 53 ACTUATOR n. 6 DI from FRF Hz 1 Rivet removed 2 Rivets removed 53 3 Rivets removed

54 54 AUTOSENSING per applicazioni di Health Monitoring

55 55 Corrosive damage identification

56 56 Bridge damage detection using magnetostrictive actuators (MADAVIC Brite/Euram project)

57 APPLICATION TO A REAL AIRCRAFT 57 57

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59 Università degli Studi di Napoli Federico II Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale. Anno Accademico Progettazione strutturale di un profilo alare transonico per prove in galleria con elementi adattivi integrati in materiale piezoelettrico Relatore: Ch.mo Prof. Ing. L. Lecce Correlatori: Dott. Ing. A. Concilio Ing. S. Ameduri Candidato: A. Perrotta

60 Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale. Progettazione strutturale di un profilo alare transonico per prove in galleria con elementi adattivi integrati in materiale piezoelettrico Profilo alare in campo transonico 60

61 Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale. Progettazione strutturale di un profilo alare transonico per prove in galleria con elementi adattivi integrati in materiale piezoelettrico Modello Smart Airfoil 61

62 Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale. Progettazione strutturale di un profilo alare transonico per prove in galleria con elementi adattivi integrati in materiale piezoelettrico Modello sperimentale Smart Airfoil 62

63 Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale. Progettazione strutturale di un profilo alare transonico per prove in galleria con elementi adattivi integrati in materiale piezoelettrico Prototipo sperimentale del bump 63

64 Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale. Progettazione strutturale di un profilo alare transonico per prove in galleria con elementi adattivi integrati in materiale piezoelettrico Configurazioni dei piezoattuatori 64

65 Tesi di Laurea in Ingegneria Aerospaziale. Progettazione strutturale di un profilo alare transonico per prove in galleria con elementi adattivi integrati in materiale piezoelettrico Modello sperimentale Smart Airfoil 65