Materiały inteligentne typu smart w mechatronice. Funkcje, rodzaje, zastosowanie.
Materiały typu SMART posiadają cechy sensorów (element, który odp. na określony bodziec zewnętrzny wysyłając odpowiedni sygnał) i aktywatorów (element, który wykonuje jakąś akcję po otrzymaniu odpowiedniego sygnału).
temperatura, pole magnetyczne,
ciśnienie, pole elektrostatyczne,
wilgotność, światło
Materiały piezoelektryczne (zastosowanie: czujniki, siłowniki, generatory wysokich napięć, wtryskiwacze, aktywne systemy kontroli drgań i dźwięków) to takie materiały które pod wpływem naprężeń mechanicznych powodują pojawienie się na ich powłoce ładunków elektrycznych. Zjawisko to może zachodzić również w drugą stronę.
Materiały magnetostrykcyjne (przetworniki, generatory ultradźwięków) wykorzystuję zjawisko powstawania odkształceń w ferromagnetykach pod wpływem działania pola magnetycznego lub odwrotnie. (stopy żelaza, niklu, kobaltu z krzemem borem i fosforem)
Ciecze elektroreologiczne i magnetoreologiczne – składają się z zawiesiny drobin przewodnika, przez co jej lepkość ulega zmianie pod wpływem pól elektrycznych. (zastosowanie: inteligentne układy hamulcowe, układy amortyzujące)
Nanotechnologia i miomimedyka w mechatronice. MENS i NENS.
MEMS (micro electro-mechanical systems) są to układy elektryczne I mechaniczne, z których przynajmniej jeden jest w skali mikro. Z tego typu układami można się spotkać w głowicach drukarek atramentowych i projektorach wideo (zwierciadła DLP), w przemyśle motoryzacyjnym (czujniki przyśpieszeniowe), elektronice użytkowej (mikrożyroskopy) oraz przemyśle mechanicznym (mikromechanizmy i silniki).
Miniaturyzacja zmieniła te układy w NENS (Nano elektro-mechanic systems) układy te mogą być używane w przyszłych urządzeniach do przechowywania danych.
Biomimedyka (inżynieria tkankowa) daje możliwości naprawcze tkanek i narządów człowieka. Tzw. Skafoldy przed implantacją są posiewane one komórkami, które w odpowiednich warunkach i przy dostępie pożywki ulegają namnożeniu i zróżnicowaniu. Dopiero takie można zaimplementować do ubytku w ludzkim organizmie.
Diagnostyka niedostępnych miejsc do badania endoskopowego
Walka z rakiem- nanoperator polujący na komórki rakowe, po ich odkażeniu zostaje wprowadzona antynowotworowa substancja, która eksploduje niszcząc komórki rakowe.
Wiele różnych przyszłościowych zastosowań.
Stopy metali z pamięcią kształtu w technologii.
Wyróznia się dwa główne typy efektów pamięci kształtów ze względu na zjawiska je indukujące:
Odwracalna przemiana martenzytyczna indukowana cieplnie,
Zmiana orientacji krystalicznej martenzytu indukowana zewnętrznym polem magnetycznym.
Najczęściej spotykane stopy z I grupy to Ni-Ti, Cu-Al, Cu-Zn-Al. – termosprężyste stopy z pamięcią kształtu.
Z drugiej grupy to stop Ni-Mn-Ga – magnetyczny stop z p. kształtu
Wykorzystanie tych materiałów:
Zastosowanie termosprężystych stopów z pamięcią kształtu
Złącza rur złączka w kształcie tuleji zostaje odkształcona w stanie martenzytycznym przez rozparcie dla zwiększenia jej średnicy. Przechowywana jest w ciekłym azocie. W odkształconą tuleję wsuwane są końce łączonych rur. Przeprowadza się nagrzewanie do temperatury otoczenia. Ten zakres temperatur powinien w stopie z pamięcią kształtu wypadać między temperaturą As, a Af. Następuje przemiana fazowa objawiająca się skurczem złączki. Uzyskuje się trwałe i szczelne połączenie pozbawione wad metalurgicznych. Metoda eliminuje potrzebę wykorzystania technologii takich jak spawanie, czy lutowanie. Złączki znalazły zastosowanie głównie w przemyśle lotniczym oraz stoczniowym.
Złącza elektryczne i optyczne Wtyk jest oziębiany, aby był w stanie martenzytycznym. Wprowadzany jest do gniazda i podgrzewany do temperatury otoczenia. Przemiana fazowa uniemożliwia jego rozłączenie. Dodatkowo na gniazdo nasuwa się pierścień ochronny, również wykonany z materiału z pamięcią kształtu. Zaletą złącz jest odporność na wstrząsy, duża wytrzymałość mechaniczna, stabilny opór elektryczny złącza.
Zaciski i nity Nit o odgiętych końcówkach jest oziębiany do stanu martenzytycznego. Następnie mechanicznie końcówka jest prostowana. Tak przygotowany element wsuwa się do miejsca połączenia. Po wsunięciu do łączonych elementów nit jest podgrzewany w wyniku czego końcówki z powrotem odginają się.
Termoregulatory Stopy z pamięcią kształtu znalazły zastosowanie jako czujniki temperatury oraz układy czynnie reagujące. Zadaniem takiego mechanizmu jest reagowanie na zadany przedział temperaturowy, od skrajnie wysokiego do niskiego.
zawór odcinający dopływ gazu w przypadku pożaru Technologia zaworu opiera się na działaniu sprężyny śrubowej wykonanej ze stopu z pamięcią kształtu. W przypadku wzrostu temperatury sprężyna wywiera nacisk na zawór kulisty odcinając dopływ gazu.
Samoczynne otwieranie okien/drzwi Urządzenie spełniające owe czynności jest zawias zaopatrzony w stalową sprężynę utrzymującą okno w stanie zamkniętym oraz w sprężynę wykonaną z materiału z pamięcią kształtu. Stop jest tak dobrany, aby występowanie stanu martenzytycznego wypadało w temperaturze, w której okno jest zamknięte, a sprężyna ściśnięta. Przy wzroście temperatury materiał wykazujący efekt pamięci kształtu pokonuje opór stawiany przez stalową sprężynę i pozwala otworzyć okno. Przy spadku temperatury okno samoczynnie zamyka się.
Elementy pojazdów: termostat samochodowy, sprzęgło wentylatora, regulacja dopływu paliwa do gaźnika.
Tłumienie drgań Materiały wykazujące efekt pamięci kształtu mają duży współczynnik tłumienia drgań i hałasu w stanie martenzytycznym. Wartość tłumienia jest zależna od temperatury i od amplitudy odkształceń. Im temperatura jest niżej od Ms, tym materiał charakteryzuje się lepszym tłumieniem.
Osteosynteza Elementy do osteosyntezy wykonane z materiałów wykazujących efekt pamięci kształtu: klamry (Stopy z pamięcią kształtu znajdują zastosowanie jako klamry Blounta. Wymiana tradycyjnych materiałów na SMA pozwala uzyskać ścisłe i mocne połączenie złamanych kości.)
Gwoździe (Do leczenia gładkich zamkniętych złamań stosuje się najczęściej gwoździe wbijane do szpiku. W cylindryczny otwór w szpiku kostnym wbija się gwóźdź o delikatnie większej średnicy. Tradycyjne materiały wymagały użycia dużej siły i pojawiały się problemy z wyciągnięciem implantu. Gwoździe wykonane ze stopów z pamięcią kształtu mogą być wprowadzone i usunięte dużo łagodniej.)
Filtr skrzepów krwi Filtr wykonany z materiału wykazującego efekt pamięci kształtu wprowadza się do głównej żyły. Jego zadaniem jest wychwytywanie skrzepów krwi powstałych w wyniku urazów. Element w stanie martenzytycznym jest odkształcany w celu uzyskania prostego kształtu.
Transplantologia (mięśnie sztucznego serca, mikropompa dla sztucznej nerki)
Zastosowanie magnetycznych stopów z pamięcią kształtu
Siłownik bazujący na efekcie pamięci kształtu.
Czujniki - Idea czujników opierających się na magnetycznym efekcie pamięci kształtu polega na zaobserwowaniu zmian orientacji bliźniaków w strukturze materiału pod wpływem odkształcenia.
Zbiorniki energii Zmiana gęstości strumienia magnetycznego wywołanego zewnętrznym naprężeniem może zostać spożytkowana na wygenerowanie napięcia lub może posłużyć do zakumulowania energii. Zmiana kształtu spowodowana przyłożonym naprężeniem jest odwracalny w przypadku zastosowania zewnętrznego pola magnetycznego. Z tego powodu możliwe jest zastosowanie cyklicznych zmian orientacji bliźniaków w strukturze materiału. Stopy MSM są wstanie zakumulować więcej energii, niż konkurencyjne materiały piezoelektryczne i magnetostrykcyjne.