Click here to load reader

Materiale Compozite Inteligente

  • View
    31

  • Download
    4

Embed Size (px)

DESCRIPTION

d

Text of Materiale Compozite Inteligente

Materialelor compozite inteligenteProf. ing. Nicolae Gheorghe Grupul colar Costeti, e-mail: [email protected] Sisteme i structuri inteligente1.1. Definirea sistemelor i structurilor inteligenteDefiniia de structuri inteligente a fost o tem controversat ntre anii 1970 i 1980. n anul

1988, US Army Reserch Office a ajuns la un consens n ceea ce privete terminologia de

sensors, actuators, control mechanism i timely response (rspusul n timp util) ce caracterizeaz sistemele i structurile inteligente. Aceti termeni au fost adoptai n special n laboratoarele, atelierele i fabricile care se ocupau cu cercetarea, producerea i utilizarea structurilor i sistemelor inteligente.

Acel sistem sau material care ncastreaz (include), un senzor sau mai muli senzori, un actuator sau mai muli actuatori i un mecanism de control sau mai multe mecanisme de control, cu care este capabil s sesizeze anumii stimuli, s rspund ntr-o manier rapid, i s revin la structura, forma, starea iniial, ntr-un timp ct mai scurt, dup ce stimulii au fost ndeprtai, se numete sistem sau structur inteligent.Acordul de la Vardan and Vardan (2000), se refer la smart system (sisteme inteligente)

ca fiind nite dispozitive care pot sesiza schimbri ale mediului exterior i pot da un rspuns optim prin schimbarea proprietilor materialului, geometriei, mecanicii sau printr-un rspuns electromagnetic.

Cele dou funcii de senzor i de actuator, cu propriul lor feedback, trebuie s fie bine integrate la nivelul structurii. Ar trebui de asemenea s fie urmrit faptul dac rspunsul este prea ncet sau prea rapid, cazuri n care sistemul i-ar pierde aplicabilitatea sau ar deveni periculos (Takagi. 1990).

n prealabil, cuvntul intelligent, adaptive i organic a fost de asemenea folosit pentru a caracteriza materialele i sistemele inteligente. Spre exemplu, Crawley i de Luis (1987) introduceau termenii de intelligent structures deoarece aceste structuri posedau caliti de actuator, senzor i reele de procesare (processing networks).

Similar, profesorul H. H. Robertshaw prefer termenul organic (Rogers 1988) care sugereaz similitudinea cu procesele biologice. Braul omului, de exemplu, are o rigiditate variabil ca actuator, a crei micare este controlat dup o lege inteligent coordonat de creier.

Cercettorii de la US Army Research Office au studiat diferenele dintre termenii

intelligent, adaptive i organic fa de termenul smart, constatnd diferenieri subtile.

Termenul inteligence spre exemplu, este asociat cu abstractele cuvinte, gndire sau nvare, i pn la aceast dat nu a fost implementat n vreo form adoptiv la un material sensibil sau structur. Oricum, muli cercettori folosesc termenul smart i intelligent ca dou cuvinte interschimbabile, iar termenii adaptive i organic au rmas fr popularitate.

Ideea de smart sau intelligent pentru structuri a fosr adoptat i pentru natur, unde toate organismele vii posed stimuli rspuns (stimules response), ca o mare capabilitate (Rogers,

1990). inta pentru cercetarea viitorului n acest cmp al structurilor i sistemelor inteligente

(smart systems/structures), este posibilitatea de a copia sistemele structurale ale organismelor vii,

care posed un vast sistem de senzori neuronali distribuii pe tot corpul, fiind monitorizai de creier, n diverse condiii i n toate punctele corpului.

Oricum, sistemele inteligente smart sistems, sunt mult inferioare materiei vii respectiv fiinelor, ntruct nivelul lor de inteligen este mult mai primitiv.

n legtur cu smart sau intelligent structures, Rogers (1990) gsete definiia mbuntit a termenilor, care a nsemnat o clasificare mai complet a structurilor inteligente, la un nivel mai sofisticat. Relaiile ntre aceste tipuri de structuri este clar explicat de Fig.1.

(a) Structuri senzoriale (Sensory Structures): Aceste structuri posed senzori capabili s monitorizeze sisteme structurale respectiv caracteristici.

(b) Structuri adaptive (Adaptive Structures): Aceste structuri posed actuatori capabili s modifice sisteme structurale sau caracteristici n mod controlat.

(c) Structuri controlate (Controlled Structures): Acestea rezult dintr-o intersecie (combinare) a senzorilor cu structurile adaptive ( (a) + (b)). Acestea posed senzori i actuatori integrai prin feedback intr-o arhitecturcu scopul de a controla structura sistemului sau caracteristicile.

(d) Structuri active (Active Structures): Aceste structuri posed att senzori ct i actuatori cu o nalt (superioar) integrare n cadrul structurii i etaleaz o structur funcional avnd n plus un control al funcionalitii.

(e) Structuri inteligente (Intelliget Structures): Aceste structuri sunt bazate pe structuri active, posednd o nalt (superioar) integrare a controlului logic i electronic, acesta furniznd elementele cognitive n distribuia ierarhic a arhitecturii de control.

A - Structuri senzoriale; B - Structuri adaptive; C - Structuri controlate; D - Structuri active; E - Structuri inteligente.

Fig.1 Clasificarea Smart StructuresAcestea pot fi considerate drept o combinaie sensor actuator controller, care poate fi realizat fiecare, la nivel macroscopic (structur) sau la nivel microscopic (material).

n consecin, putem avea structurile i materialele respective. Conceptul de material inteligent este introdus n seciunea urmtoare.

1.2. Materiale inteligente (Smart Materials)Materialele inteligente sunt noua generaie de materiale excepionale. Aceste materiale posed capabiliti adaptive la stimuli externi cum ar fi ncrcrile, sau la mediul nconjurtor, cu o inteligen intrinsec.

La US Army Research Office Wokshop (1988), materialele inteligente (smart materials) se defineau ca: materiale care posed abiliti pentru a-i schimba proprietile ntr.o manier specific cu un rspuns specific la stimulii de intrare. Stimulii ar putea fi: presiunea, temperatura, cmpul electric i cmpul magnetic, radiaiile chimice sau radiaiile nucleare. Prin asocierea schimbrilor proprietilor fizice, se poate schimba forma, rigiditatea, vscozitatea sau vibraia.

Programarea inteligenei materialului depinde de compoziia materialului, procesarea specific a acestuia, introducerea de defecte sau modificnd microstructura, astfel nct s se adapteze la diferite niveluri de stimuli ntr-un mod controlat.

Takagi (1990) definea ca material inteligent acel material care rspunde la schimbrile mediului nconjurtor n condiiile cele mai optime cu ajutorul funciilor proprii, n raport cu mediul nconjurtor. Funciile feedback-ului din cadrul materialului sunt combinate cu proprietile i funciile materialului.

Fibrele optice, polimerii piezoelectrici i ceramicele piezoelectrice, fluidele electro-

.rheologice (ER), materialele magnetostrictive i aliajele cu memoria formei (SMA), fac parte din categoria materialelor inteligente. Fig.2 ne arat asocierea stimuli i rspuns ale materialelor inteligente. Datorit acestor abiliti speciale de a rspunde la stimuli, s-a gsit pentru ele un cmp larg de aplicaii ca senzor i actuator. O foarte detaliat descriere a materialelor inteligente (smart materials) este acoperit de Gandhi i Thompson (1992).

1.3. Materiale inteligente (Smart Materials) active i pasiveMaterialele inteligente pot fi active sau pasive. Fairweather (1998) definea ca materiale inteligente active, acele materiale care posed capacitatea de modificare a propriei geometri sau a proprietilor materiale sub aciunea electric, termic sau a cmpului magnetic, prin aceasta achiziionnd o inerent capacitate de transformare a energiei.

Materialele piezoelectrice, SMAs, fluidele ER, i materialele magneto-strictive sunt materiale inteligente (Smart Materials) active.

Caracterul activ al lor este exprimat prin transformarea ntr-o for actuatoare. Spre exemplu SMAs au o mare for de revenire la forma iniial de ordinul a700 Mpa care pot fi utilizai ca for actuatoare. Similar, materialele piezoelectrice, care transform energia electric n energie mecanic (for mecanic) sunt de asemenea active.

Materialele inteligente, care nu sunt active, se numes materiale inteligente (Smart Materials) pasive. Dei inteligent (smart), acest neajuns de a nu fi activ, care este inerent, nu d capabilitatea de transformare a energiei. Materialul fibrei optice este un bun exemplu de material inteligent (smart material), pasiv. Aceste materiale pot fi folosite ca senzori dar nu ca actuatori.

Fig. 2. Asocierea stimuli rspuns la Smart Material1.4. Aplicaii ale materialelor piezoelectricentruct aceast tem este de mare interes, vom prezenta cteva aplicaii pe scurt, ale acestor materiale piezoelectrice. Tradiional, materialele piezoelectrice au fost cunoscute pentru utilizarea lor pentru accelerometre, senzori de tensiune (Sirohi i Chopro,2000), emisia i recepia undelor ca rezultat al solicitrilor (Giurgiutiu 2000 i Boller 2002), senzori de distribuie a vibraiilor (Choi i Chang1996, Kaviecki,1998), actuatori (Sirohi i Chopra, 2000), i traductoare de presiune (Zhu,2003). n deceniile din urm materialele piezoelectrice, dispozitive i structuri derivate ale acestora au fost angajate ntr-o dezvoltare continu sub form de actuatori pentru turbo-maini, amortizarea vibraiilor i controlul activ static i dinamic al vibraiilor structurilor (helicopter blades, Chopra, 2000). Materialele piezoelectrice s-au artat foarte promotoare n controlul activ al structurilor. Controlul structural al marilor structuri este de asemenea o mare tentaie (Kamada, 1997). Alte noi aplicaii se refer la absorbia (amortizarea) acustic subacvatic (underwater acoustic absorbtion), robotic, poziio

Search related