Ceramici a memoria di forma SMC Viscoelastici Martensitici Ferroelettrici Ferromagnetici
Vetroceramici a base mica SMC Viscoelastici Ripristinano la forma fino ad un 0.5% di deformazione Come per i polimeri a memoria di forma il processo avviene nei seguenti steps: deformazione plastica ad alta temperatura Hanno una eterostruttura composta da: mica per il 40-60% volumetrico matrice vetrosa per il resto raffreddamento a temperatura ambiente per congelare la forma riscaldamento per riassumere la forma originaria
Recupero deformazione: mica vetroceramico Deformato in compressione assiale a 773K
Vetroceramico a base mica Si deforma plasticamente per deformazione del piano basale sopra i 573K La matrice vetrosa accomoda la deformazione elasticamente -> presenza sforzi residui Dopo raffreddamento a bassa T (ambiente) la deformazione è mantenuta anche per temperature elevate Bisogna salire ben oltre la T di deformazione per il recupero, alla T per cui l energia elastica della matrice riesce ad attivare lo slittamento dei piani basali della mica Il recupero dipende da diversi fattori come: entità, temperatura e velocità di deformazione, temperatura e tempi di riscaldamento nel recupero
Altri SMC viscoelastici Non sono solo i vetroceramici con mica a mostrare memoria di forma, ma pure: vetroceramici con!-spomudene o 2ZnO-B2O3 ceramici contenenti una piccola percentuale di fase vetro come mica, nitruro di silicio, nitruro di carbonio, zirconia e allumina Il recupero possibile dei ceramici è molto inferiore (circa 0.1%) Si osserva rilassamento delle tensioni residue durante il recupero L energia di attivazione per il recupero è molto bassa rispetto al vetroceramico con mica
SMC martensitici In questo caso il fenomeno è analogo alle SMA Trasformazione martensitica: Materiali ceramici a base zirconia e zirconia stabilizzata Trasformazione martensitica e riarrangiamento dei domini ferroelastici: Alcuni materiali ionici come Pb 3(PO4)2 e LnNbO4 (Ln=La, Nd) Alcuni superconduttori come V-Si, Zr-Hf-V, Y-Ba-Cu-O, Bi-(Pb)- Sr-Ca-Cu-O e Ti-Ba-Ca-Cu-O Tutti mostrano sia memoria di forma che deformazione pseudoelastica
Zirconia-stabilizer phase diagram Stabilizzatori: Y 2O3 CeO 2 MgO CaO... TZP, CZP, Ce-TZP...
Zirconia stabilizzata
Zirconia: meccanismo memoria
Zirconia stabilizzata Ce NiTinol
Ferroelettrici PLZT-(Pb, La)(Zr, Ti)O 3, PZST-Pb(Zr,Sn,Sn,Ti)O3, PLSnZT- (Pb, La)(Zr, Sn, Ti)O3, (Pb, Nb)(Zr, Sn, Ti)O3 (Sr,Ba)Nb 2O6 Manganiti esagonali RMnO 3 (R=Ho, Y)
Trasformazioni di fase PZTs
Ferroelettrici e antiferroelettrici Ferroelettrico Ferroelettrico-antiferroelettrico metastabile Nel caso di metastabilità della fase antiferroelettrica, si ottiene una forma ferroelettrica o antiferroelettrica a campo zero a seconda del campo elettrico applicato; una deformazione consistente è associata. Con la temperatura si riporta il materiale nella fase stabile con conseguente recupero della deformazione.
Pb0.99Nb0.02((Zr0.6Sn0.4)0.94Ti0.06)0.98O3 Deformazione elastica indotta da campo elettrico a diverse temperature
SMC ferromagnetici Manganiti tetragonali (spinelli: Mn x(zn,cd)1-xmn2o4) Ortomanganiti non stechiometriche: (RMnO 3+x, R=Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy)
Comparison SMA-Piezo-Magnetic Properties Shape-memory alloy Piezoelectric Magnetostrictive (Ti Ni) (PZT) (Terfenol-D) Compressive stress (MPa) 800 60 700 Tensile strength (MPa) 800 1000 30 55 28 35 Young s modulus (GPa) 50 90 (P) 60 90 (Y ) 25 35 (Y ) 10 35 (M) 110 (Y ) 50 55 (Y ) Maximum strain 0.1 0.001 0.01 Frequency (Hz) 0 100 1 20 000 1 10 000 Coupling coefficient 0.75 0.75 Efficiency (%) 3 5 50 80 Energy density (kj m ) 300 600 1.0 14 25 modulus for constant electric field modulus for constant electric displacement modulus for constant magnetizing field modulus for constant induction field
Comparison different actuator types PZT5H PMN PLZT PVDF Terfinol-D SMA (NiTi) Conducting Polymer Polymer Hydro-gel Human Muscle Max strain (! 10 6 ) 300 Max stress (MPa) 19 Density (kg/m 3 ) 7500 Modulus (GPa) 62 Efficiency (%) 56 Bandwidth (Hz) 1000 Energy density (KJ/m 3 ) 2.9 600 72 7500 120 75 1000 22 3000 180 ~7500 ~60??? 200 ~1 1780 3 2 1000 ~1 1800 90 9250 40 40 100 19 70000 190 6450 78 >3 3 >10 20000 180 ~1500 5 >30 >1 >1 400000 0.3 ~1300 <0.1 30.1 0.4 400000 0.3 1037.06 >35 4 0.8