Biomimetica Sistemului Locomotor

5/27/2018 Biomimetica Sistemului Locomotor

1/76

Biomimetica sistemului locomotor

C1. Introducere

Istoric

Biomimetica (de asemenea cunoscuta si sub denumirile de bionica, biognoza sau

inginerie creativa bionica) este aplicarea metodelor si sistemelor biologice existente in

natura, la proiectarea sistemelor ingineresti si a tehnologiilor moderne.Cuvantul Bionica a fost introdus de Jack E. Steele in 1958, avand ca origine

cuvantul grec bion care inseamna unitate vie si sufixul -ic care inseamna

asemenea cu. Bionica inseamna deci asemanator cu viul. Unele dictionare explica insacuvantul ca insemnand biologie+electronica. Termenul biomimetica a fost utilizat

prima data de Otto Schmitt in anii 1950. Totusi, in lumea tehnologica, este mai folosit

cuvantul biomimetica, pentru a evita confuzia cu termenul medical bionica.

Transferul de tehnologie dinspre formele de viata spre constructiile sintetice este

de dorit, deoarece organismele vii sunt fortate de fortele evolutive, incluzand fauna siflora, sa devina inalt optimizate si eficiente. Un exemplu clasic este vopseaua la care nu

adera murdaria si apa. Aceasta vopsea a fost devzoltata pornind de la observatia ca desuprafata frunzei de lotus nu se lipeste nimic (efectul lotus).

Fig. 1 - Vedere microscopica a suprafetei frunzei de lotus

Alte exemple de biomimetica in inginerie sunt: carcasa barcilor care imita pielea

groasa a delfinilor; sonarul, radarul si imagistica medicala cu ultrasunete, care imita

ecolocatia liliecilor.In domeniul stiintei computerelor, biomimetica a produs neuronii artificiali, retele

neuronale artificiale si inteligenta colectiva.

Julian Vincent, profesor de biomimetica la University of Bath din Regatul Unit alMarii Britanii, estimeaza ca in prezent este o suprapunere de doar 10% intre biologie sitehnologie, in termeni de mecanisme utilizate.

Metode

Adesea, studiul biomimeticii evidentiaza implementarea unei functii din natura

decat doar imitarea structurilor biologice. De exemplu, in stiinta computerelor,


2/76

cibernetica incearca sa modeleze mecanismele de feedback si control, care sunt necesare

in comportarea inteligenta, in timp ce inteligenta artificiala incearca sa modeleze functiainteligenta fara sa tina cont de modul in care ea poate fi obtinuta.

Copierea constienta a exemplelor si mecanismelor de la organismele naturale,

trateaza natura ca pe o baza de date cu solutii care deja functioneaza, minimizand astfel

esecurile.In mare, se pot deosebi trei nivele biologice din fauna si flora, dupa care

tehnologia poate fi modelata:

- imitarea metodelor naturale de a produce;- imitarea mecanismelor gasite in natura;

- studierea principiilor de organizare din comportarea sociala a organismelor, cum

ar fi comportarea stolurilor de pasari, comportarea albinelor si furnicilor si inteligenta degrup a unui banc de pesti.

Exemple de biomimetica

- Velcro este cel mai faimos exemplu de biomimetica. In 1984, inginerul elvetianGeorge de Mestral isi curata cainele de scaii culesi dupa o plimbare cand a descoperit

cum carligele scailor se agata de blana.- Ochii reflectorizanti de pisica au fost inventati de Precy Shaw in 1935 dupa ce a

studiat mecanismul ochilor de pisica. El a descoperit ca pisicile au un sistem de celule

reflectorizante ce sunt capabile sa reflecte cea mai mica cantitate de lumina.- Masinile zburatoare si vasele lui Leonardo Da Vinci sunt cele mai timpurii

exemple de imitare inginereasca a naturii.

- Julian Vincent a dezvoltat in 2004 imbracamintea "inteligenta" bazandu-se pestudiul conurilor de brad. Acestea raspund la temperaturi crescute prin deschiderea

solzilor. Imbracamintea "inteligenta" face acelasi lucru.

- Aripile de avion care isi schimba forma in concordanta cu viteza si duratazborului au fost proiectate in 2004 de savanti de la Penn State University. Acestea au fost

inspirate de diferite specii de pasari la care forma aripii se schimba in functie de viteza de

zbor.- Unele vopsele si tigle de acoperis au fost proiectate sa se curete singure, copiind

mecanismul frunzei de lotus.

- Nanostructurile si mecanismele care produc culoarea stralucitoare a aripii defluture au fost reproduse de savanti de la University of Southampton, folosind fotoni care

transporta informatii in loc de electroni.

- Structura aripii unui fluture si modul in care ea reflecat lumina au fost imitatepentru a crea un obiect de identificare prin radio-frecventa, care poate fi citit prin apa sau

metal. Obiectul de identificare prin radio-frecventa este un obiect care poate fi incorporatintr-un produs, animal sau persoana cu scopul identificarii sau urmaririi, folosind underadio.

- Cipurile neuromorfice, retina de silicon sau cohleea de silicon, au retele care

sunt modelate dupa retelele neuronale reale.

- Vegetatia sintetica sau "robotica", ce ajuta in conservare si restaurare, suntmasini proiectate sa imite multe din functiile vegetatiei vii.


3/76

- Adezivii medicali sunt dezvoltati pe baza structurii fizice gasite in picioarele

soparlii gecko.

Termeni specifici

Bionica este un termen ce desemneaza transferul conceptului din biologie catreinginerie si invers.

In medicina bionica inseamna inlocuirea organelor naturale cu versiuni mecanice.

Implanturile bionice difera de cele mai multe proteze prin faptul ca imita functia originalafoarte bine sau chiar o depasesc (implant cohlear, inima artificiala, celule rosii artificiale).

In sens mai larg, bionica inseamna dezvoltarea de solutii ingineresti urmand

modele biologice.Intr-un sens mai restrans, bionica este o tehnica creativa care foloseste prototipuri

biologice pentru a obtine idei pentru solutii ingineresti. Aceasta abordare e motivata de

faptul ca organismele biologice si organele lor au fost optimizate foarte bine de catre

evolutie.

Un sens mai recent al bionicii se refera la organismele hibrid (organism viu-masina). Acestea sunt un sistem hibrid care combina parti biologice si parti tehnice

(organism cibernetic).


4/76


C2. Sistem locomotor. Exemple de biomimetica a sistemului locomotor

Sistemul lococmotor este structura dintr-un organism viu, responsabila pentru

locomotie. La om, aceasta structura consta din muschi, articulatii si ligamente, ca si vene,artere si nervi.

In incercarea sa de a crea masini mai performante, omul imita fiziologia

locomotiei diverselor vietuitoare: pasari, patrupede, insecte, reptile, pesti etc. Ca aplicatiiale biomimeticii sistemului locomotor pot fi enumerate:

- aeronautica;

- roboti mobili;- medicina (proteze).

In ceea ce priveste aplicatiile biomimeticii sistemului locomotor in aeronautica, se

pot aminti exemplele urmatoare:

Cercetatori de la University of Missouri-Rolla lucreaza la dezvoltarea primului

avion care bate din aripi, in intregime actionat de energia solara. Actionarea aripii nu vafi efectuata cu mecanisme conventionale ci cu ajutorul unui material care se deformeaza

in campul electric, asemenea unui muschi artificial. Avionul va avea o anvergura de

aproximativ 3 metri, iar aripile vor fi membranoase, zburand asemenea unui vultur.

Cercetatori de la NASA Institute for Advanced Concepts, studiaza posibilitatea

crearii unei aripi care isi schimba forma, cu ajutorul materialelor inteligente. Insamaterialele inteligente nu sunt singura cale de a fabrica o aripa care isi schimba forma.

Cercetatori de laPenn State University lucreaza la cearea unei aripi care are suprafata

exterioara asemanatoare solzilor de peste. Sub aceasta suprafata se afla un scheletmecanic format din unitati ce imita structura cristalina a diamantului, conectate intre ele

prin tendoane din aliaje cu memoria formei. Tendoanele interne vor modifica forma aripii

tragand unitatile in directia dorita. (http://www.wired.com/science/discoveries/news/2004/05/63361?currentPage=all).

Ca aplicatii ale biomimeticii sistemului locomotor in domeniul robotilor mobili,sunt prezentate in continuare urmatoarele exemple:

Un robot cu capacitatea de a face salturi uriase a fost proiectat de catre cercetatoriielvetieni. Aparatul arata precum mecanismul unui banal ceas, fiind insa echipat cu doua

picioare mecanice. Micul robot nu cantareste mai mult de sapte grame si poate facesalturi de 1,4 metri, de zece ori mai mult decat robotii precursori acestui prototip.Mecansimul care-i asigura acestuia proprietatea de a sari a fost inspirat de capacitatea

biomecanica a lacustelor. Pentru a imbunatati performantele deplasarii, cele doua

membre ale robotului isi pot ajusta dimensiunile in functie de lungimea salturilor alese de

mini computerul cu care acesta este echipat. O mica baterie atasata pe spatele robotului ilalimenteaza cu energia necesara pentru a efectua 360 de salturi cu o pauza de 3 secunde

intre fiecare salt. Acest tip de robot se poate deplasa peste acele forme de teren unde
http://www.niac.usra.edu/http://www.aero.psu.edu/http://www.aero.psu.edu/http://www.niac.usra.edu/


5/76

robotii cu roti sau senile nu ar reusi. (http://www.descopera.ro/dnews/2666297-un-robot-

lacusta-poate-sari-de-27-de-ori-propria-lungime)

Savanti de la Montreal's McGill University au realizat robotul Aqua. Acesta este

un robot submersibil de dimensiunile unui cuptor cu microunde. Este dotat cu 6

inotatoare, fiecare controlata individual. Aceste inotatoare ii permit robotului sa inoate, sase scufunde, sa mearga si sa stea nemiscat pe fundul marii. Spre deosebire de alti roboti

marini, actionati prin jet de apa, acest tip de robot nu consuma foarte multa energie si nu

perturba activitatea vietuitoarelor marine din preajma sa. Robotul Aqua imita o insecta cu6 picioare. (http://www.wired.com/science/discoveries/news/2004/03/62612)

Fig. 1 - Robotul AQUA (http://quintessence.cim.mcgill.ca:8080/AQUA/project.htm)

Fig. 2 - Robotul AQUA in apa (http://www.martinbuehler.net/pubs/2004_UUVS.pdf)

Un robot de forma sferica a fost conceput de o echipa de la MassachusettsInstitute of Technology, condusa de catre Steven Dubowsky. Are forma unei sfere cu un

diametru de 10 cm. Pentru deplasare este dotat cu un picior care face sfera sa sara.

Piciorul este actionat de un muschi artificial", mai precis un servomecanism cuelastomer dielectric ce se contracta atunci cand pe doua suprafete opuse este aplicata o

diferenta de potential. Astfel, microrobotul poate efectua salturi cu lungimea de


6/76

aproximativ 1,5 m, dupa care se rostogoleste. Energia electrica pentru alimentarea

"muschiului artificial" este furnizata de o pila de combustie cu hidrogen. Pentrucomunicare foloseste un sistem similar telefoniei mobile. Este dotat si cu doua mini-

videocamere pentru "vedere stereoscopica". Mai poate fi dotat cu microscop in infrarosu,

sau spectrometru miniatural, sau diversi senzori (de presiune, temperatura,

accelerometre). Una din utilizarile acestui tip de robot este explorarea extraterestra.(Cristian Roman, Microroboti pe Marte, Stiinta si Tehnica, Iulie-August 2006)

(https://reader003.{domain}/reader003/html5/0305/5a9d311e0b6e8/5a9d312312ddb.jpg)

( https://reader003.{domain}/reader003/html5/0305/5a9d311e0b6e8/5a9d3123a5f6c.jpg )

(http://www.redorbit.com/news/space/324438/exploring_other_worlds_with_hopping_microbots/ )
http://www.technovelgy.com/graphics/content08/hopping-microrobot2.jpghttp://www.technovelgy.com/graphics/content08/hopping-microrobot2.jpghttp://www.technovelgy.com/graphics/content08/hopping-microrobot2.jpghttp://www.technovelgy.com/graphics/content08/hopping-microrobot2.jpg


7/76

(http://phys.org/news8957.html)

(http://robots.mit.edu/projects/microbots/)

De asemenea, mai pot fi amintiti robotii pasitori, care au 4, 6 sau 8 picioare.Acestia imita mersul patrupedelor sau al insectelor.

Tot din categoria robotilor mobili fac parte si robotii care imita deplasarea printarare a reptilelor.

Robotii mobili sunt utilizati in:- intretinerea mediilor nucleare;

- explorari spatiale;

- explorari forestiere;- explorari submarine;

- actiuni umanitare (deminare);

- roboti cataratori;- roboti pentru divertisment;

- roboti pentru servicii.

In ceea ce priveste aplicatiile biomimeticii sistemului locomotor in medicina, se

pot mentiona protezele de membre superioare sau inferioare, sau proteze ale diferitelor

organe interne.
http://phys.org/news8957.htmlhttp://phys.org/news8957.htmlhttp://phys.org/news8957.htmlhttp://robots.mit.edu/projects/microbots/http://robots.mit.edu/projects/microbots/http://robots.mit.edu/projects/microbots/http://robots.mit.edu/projects/microbots/http://phys.org/news8957.html


8/76


C3. Modelarea sistemelor biomecanice

Modelele care pot simula comportarea sistemelor biomecanice reale sunt de 2 categorii:

modele experimentale modele analitice

Conditiile pe care trebuie sa le indeplineasca un model experimental pentru a raspunde la fel

la aceasi stimuli, ca si sistemul real, sunt date de teoria modelelor.

Modelarea analitica inseamna parcurgerea a 2 etape:

modelarea fizica modelarea matematica

Modelarea fizicapresupune formularea unui model fizic, a carui comportare sa aproximeze

cat mai bine pe cea a sistemului real. Modelul fizic se aseamana cu sistemul real in cea ce priveste

caracteristicile de baza, dar este mai simplu si deci mai usor de analizat. Astfel, elementele

componente ale unei structuri mecanice pot fi modelate ca: bare, placi, tuburi, corpuri masive,

arcuri, etc. Actiunea reciproca a 2 corpuri poate fi schematizata prin forte concentrate, cupluriconcentrate, sarcini distribuite, etc. In multe cazuri, raspunsul dinamic al structurii biomecanice

poate fi reprezentat printr-un model cu parametri concentrati, compus din mase, arcuri si

amortizoare. Aproximarile care se fac la formarea modelelor fizice se refera la:

neglijarea efectelor secundare; neglijarea unor interactiuni cu mediul ambiant; inlocuirea caracteristicilor distribuite cu parametri concentrati similari;

liniarizarea relatiilor cauza-efect intre variabilele fizice; neglijarea variatiei in timp a unor parametri; neglijarea caracterului aleator al unui fenomen.Pe masura imbunatatirii modelului si a definirii mai precise a problemei studiate, se renunta

la o parte dintre aceste aproximari.

Modelarea matematica presupune elaborarea unui model matematic care sa reprezinte

modelul fizic, adica scrierea ecuatiilor care caracterizeaza sistemul fizic. Trecerea de la modelul

fizic la modelul matematic, se face in 4 etape succesive:1. alegerea variabilelor care descriu starea sistemului la un moment dat;2. stabilirea ecuatiilor de echilibru pentru sistemul in ansamblu sau pt fiecare


9/76

componenta in parte;

3. stabilirea ecuatiilor de compatibilitate, care exprima legatura intre miscareacomponentelor interconectate;

4. scrierea legilor fizice, adica a relatiilor constitutive pentru fiecare elementcomponent.

Aspecte ale teoriei modelarii

Datorita complexitatii fenomenelor biomecanice precum si a dificultatii matematice care

apar la scrierea si rezolvarea ecuatiilor de miscare ale aparatului locomotor, este necesar a fi

utilizate, metode experimentale de studiu. Experimentele pot fi facute fie direct pe subiect atunci

cand este posibil, fie pe modele (cel mai adesea). De obicei nu este posibil sa se efectueze

experiente asupra fenomenului studiat la scara reala si este necesar sa se faca experiente pe un

model redus geometric asemenea cu structura reala. Teoria similitudinii si a incercarilor pe modele

stabileste conditiile care trebuie sa fie respectate pentru ca fenomenul model sa fie asemenea cu cel

real. Incercarile pe modele furnizeaza informatii deosebit de utile pentru intelegerea functionarii

structurii reale. Modelul care reprezinta structura reala se executa la o anumita scara geometrica

astfel: daca se doreste de exemplu studierea presiunii exercitate intr-o anumita articulatie in timpul

alergarii, se poate concepe un model asemenea geometric structurii reale si apoi pe baza principiilor

de modelare se pot efectua cercetarile dorite. Scara geometrica a modelului este in general

subunitara dar poate fi in unele cazuri si supraunitara. Exista situatii in care nu poate fi respectata

similitudinea geometrica completa intre model si structura reala. In aceste cazuri se realizeaza

modele distorsionate sau deformate, caracterizate de faptul ca au lungimile orizontale si verticale

reduse la scari diferite. In general raportul de distorsiune definit prin raportul dintre scara lungimii

verticale si scara lungimii orizontale este cuprins intre 1/3 si 1/10, coborand numai pentru anumite

probleme cu totul speciale pana la 1/25. Marimea raportului de distorsiune se fixeaza la o valoare

care sa asigure o functionare satisfacatoare a modelului pentru ca un model sa raspunda asemenea

structurii reale, este necesar sa fie satisfacute 2 conditii principale:

modelul si structura reala trebuie sa fie realizate din acelasi material. Datorita faptului caaceasta conditie este restrictiva pentru structurile biologice se poate accepta un model

distorsionat in privinta densitatii de material. In aceasta situatie se pot gasi materialele

necesare modelului care sa satisfaca aceasta conditie daca densitatea este aceasi pentru

model si structura reala.

necesitatea coincidentei scarii fortelor de inertie cu scara tipului predominant de fortedin incercarea respectiva, adica cu scara tipului de forte care influenteaza covarsitor

incercarea respectiva. Aceasta conditie rezulta din teoria miscarii centrului de masa:


10/76

G i a p ext m a F F F F = = + = ,

in care in membrul drept figureaza diverse tipuri de forte, fiecare din ele caracterizata printr-un

anumit coeficient fizic, acelasi in structura reala si model. De exemplu: aceeasi constanta pentru

fortele elastice. Datorita acestor constante fizice, diferite la fiecare tip de forta, este imposibila

coincidenta scarilor fortelor de inertie, figurand in membrul stang al relatiei de mai sus, cu scara

tuturor tipurilor de forte din membrul drept, urmand ca aceasta coincidenta sa se faca numai cu un

singur tip de forta si anume acea care este predominanta in incercarea respectiva.

Daca sunt indeplinite aceste 2 conditii principale, intre fenomenul studiat pe model si cel

existent in structura reala va exista o similitudine dinamica. Aceasta similitudine dinamica

presupune:

similitudine cinematica, daca este realizata similitudinea geometrica (in modelelegeometrice distorsionate, poarta denumirea de similitudine afina) si daca exista un raport

constant al tuturor timpilor sau intervalelor de timp in care se produc pe model si

structura reala;

raportul intensitatii fortelor omologe este constant.


11/76


C4. Aspecte ale teoriei modelarii (continuare)

Un exemplu de similitudine dinamica este urmatorul:

In timpul mersului sau al alergarii, lucrul mecanic efectuat este necesar pentru a accelera si

incetini miscarea picioarelor. In acest caz, grupe de muschi lucreaza antagonist pentru a mari

energia cinetica a piciorului de la viteza 0, cand piciorul atinge solul, la energia cinetica maxima,

1

2m v

2

, cand piciorul este ridicat si accelerat spre inainte, pentru a ajunge din urma corpul; apoi, de

la energia cinetica maxima se ajunge inapoi la 0. Variatia energiei cinetice 21

02

mv

, este egala

cu lucrul mecanic efectuat de grupa de muschi care se contracta cu o lungime d, actionand cu o

forta medie Fm:

Fm

d=1

2m v

2

Din aceasta relatie rezulta viteza de mers sau de alergare:

2m

F dv =

m

prin forta exercitata de muschii care determina miscarea, distanta pe care se contracta acestia si

masa piciorului pus in miscare. Daca se considera un model al alergarii unui anumit subiect uman,

trebuie ca:'

d= k

d,

Fm

F 'm

= k2

,m

m '= k

3

.

In aceste conditii, viteza modelului este:

2

3

2 mF d

k kv' = = v

m

k

deci egala cu viteza subiectului uman. Asadar, numai in aceste conditii de similitudine, modelul va

avea aceasi comportare energetica cu a subiectului uman.

Modelarea unor raspunsuri dinamice pe baza testarilor clinice

Cauza raspunsului unui sistem mecanic o constituie, in general, sarcinile sau deplasarile

impuse sistemului, variabile in timp, denumite si excitatii sau perturbatii. Miscarile diverselor

puncte ale sistemului si eforturile dinamice din elementele acestuia, reprezinta efectele de natura

mecanica ale acestor perturbatii, fiind denumite in mod obisnuit raspunsuri. Astfel, kinemograma


12/76

mersului normal, reprezinta efectul sau raspunsul activitatii neuro-musculare a aparatului locomotor

uman.

In patologia deficientelor musculare, mecanismele de deplasare se modifica atat segmentar,

cat si in totalitate, determinand o reactie de adaptare, pentru utilizarea unor forte musculare restante

si punerea in joc a mecanismelor de stabilizare pasiva. Aceasta este posibila deoarece mersul

pretinde o utilizare minima de forta in care un mare rol, dupa inceperea miscarii, il au fortele

exterioare si in special inertia. In alergare, centrii de greutate nu se deplaseaza rectiliniu, descriind o

traiectorie sinusoidala, in plan vertical si orizontal.

Spre deosebire de mers, in alergare corpul se detaseaza de sol, inainte ca piciorul anterior sa-

l fi atins. Raspunsul este asadar conditionat atat de parametrii excitatiei, cat si de caracteristicile

mecanice ale sistemului. Relatia cauza-efect depinde de sistem.

Studiul raspunsului dinamic al unui sistem mecanic, in particular biomecanic, cuprinde 2

categorii mari de probleme:

problema directa problema inversaDaca ecuatiile care descriu comportarea dinamica a sistemului sant cunoscute, atunci

problema directa consta in determinarea raspunsului sistemului la o excitatie cunoscuta.

In problema inversa, sau se cunoaste raspunsul sistemului la o excitatie data, insa fie

ecuatiile de miscare, fie configuratia, fie unii parametri ai sistemului mecanic sant necunoscuti si

trebuie determinati sau se cunoaste sistemul si se cere determinata excitatia. Problema inversa poate

fi deci impartita in 3 subprobleme:

a) Sinteza sau proiectarea date fiind excitatia si raspunsul, se cauta un sistem realizabilfizic care sa aproximeze cat mai bine relatia excitatie-raspuns. Ca exemplu, poate fi dat

orice dispozitiv sau aparat de recuperare kineziologica.

b) Comanda sau masurarea se cunoaste sistemul si raspunsul acestuia. Se cauta excitatiacare produce raspunsul dat. Este cazul identificarii fortelor excitatoare.

c) Identificarea sistemului se cunosc o serie de functii ale excitatiei si functiilecorespunzatoare ale raspunsului. Se cauta o descriere matematica sau un model analitic

al sistemului. Relatiile dintre excitatie si raspuns se determina experimental.


13/76


C5. Aspecte ale teoriei modelarii (continuare)

Identificarea sistemului se poate defini ca procesul de determinare a ecuatiilor

diferentiale sau cu diferente finite care descriu comportarea unui sistem, in concordanta cu

criteriile de performanta prestabilite pe baza unor relatii intre marimile care caracterizeaza

excitatia si cele care caracterizeaza raspunsul (determinat experimental). In general, un proces

de identificare cuprinde 3 etape:

alegerea structurii modelului: in care se aleg pe baza experientei prealabileecuatiile diferentiale pentru un model propus astfel comparand curbele de raspuns

ale sistemului studiat cu cele determinate analitic pentru o serie de modele, se

poate stabili numarul gradelor de libertate semnificative, tipul amortizarii,

oportunitatea introducerii elementelor neliniare, etc., putandu-se face o

prestructurare a sistemului.

Alegerea criteriului de comparatie a modelului cu structura reala: in care sespecifica criteriul matematic ce trebuie optimizat pentru a realiza indentificarea. In

forma cea mai simpla se recurge la compararea directa a curbelor de raspuns ale

structurii si ale modelului, deobicei in cateva puncte date critice.

Estimarea parametrilor modelului: in care se alege un algoritm pentru ajustareaparametrilor necunoscuti, care este folosit la evaluarea acestora a.i. criteriul deidentificare sa fie minimizat.

Elementele de analiza dimensionala

Teorema produselor.

Se considera un fenomen fizic oarecare in care o marime dimensionala a fenomenului

fizic F, este o functie de marimile dimensionale independente intre ele:

1 2( , ,..., )nF f a a a=

Se considera ca primele k marimi au dimensiuni independente si se aleg acestea ca

marimi fundamentale. In acest caz, dimensiunile marimilor F, a k+1, ... an, pot fi exprimate in

functie de dimensiunile marimilor a1, a2, ... ak.

Prima etapa de lucru necesara teoremei produselor consta in stabilirea marimilor care

participa la desfasurarea fenomenului studiat. Aceasta etapa are deobicei un caracter

experimental. A doua etapa consta in alegerea marimilor care pot fi considerate fundamentale.

Ca marimi fundamentale pot fi alese fie marimile fundamentale ale sistemului de unitati de

masura (deobicei sistemul international) fie un numar oarecare de marimi care intervin in

fenomen, in acest al doilea caz marimile fundamentale alese trebuie sa indeplineasca

urmatoarele doua conditii:


14/76

sa fie independente din punct de vedere dimensional (dimensiunea unei marimifundamentale sa nu poata fi obtinuta printr-o relatie a dimensiunilor celorlalte

marimi fundamentale);

dimensiunile marimilor fundamentale sa permita exprimarea dimensionala atuturor celorlalte marimi derivate.

Dimensiunile marimilor fundamentale a1, a2,... ak, se noteaza astfel:

[ ]1 1a A= , [ ]2 2a A= , ..., [ ]k ka A= .

Dimensiunile marimilor F, ak+1, ... an, sunt date de formulele:

[ ]1 2

1 2 ...n n nk

kF A A A=

[ ] 1 21 1 2 ...p p pk

k ka A A A+ =

.

.

.

[ ] 1 2

1 2 ...q q qk

n ka A A A=

Daca se schimba unitatile de masura ale marimilor fundamentale a1, a2, ... ak, de

exemplu se maresc sau se micsoreaza de 1, 2, , k ori, atunci valorile numerice ale

acestor marimi si ale marimilor F, ak+1, ..., anin noul sistem de unitati vor fi:

1 1 1'a a=

2 2 2'a a=

.

.

.

'k k ka a=

1 2

1 2' ...

n n nk

kF F =

1 2

1 1 2 1' ...

p p pk

k k ka a + +=

.

.

.1 2

1 2' ...q q qk

n k na a =

In noul sistem de unitati de masura avem asadar relatia:

1 2

1 2' ...

n n nk

kF F = (1)

Aceasta egalitate arata ca functia f este omogena in raport cu coeficientii de scara

independenti 1, 2, , k.

Alegerea acestor coeficienti se face astfel incat sa se obtina micsorarea numarului de

argumente ale functiei f.


15/76

Se scrie:

1

1

1

a = ; 2

2

1

a = ; ...;

1k

ka = ,

deci se alege un sistem al unitatilor de masura in asa fel incat valorile primelor kargumente

din prima parte a relatiei (1) sa fie egala cu unitatea. Prin acest sistem de unitati de masura,

valorile numerice ale parametrilor F, ak+1, ..., ansunt determinate de formulele:

1 2

1 2 ...n n nk

k

F

a a a =

; 1

1 1 2

1 2 ...

k

p p pk

k

a

a a a

+ =

; ...;1 2

1 2 ...

nn k q q qk

k

a

a a a =

Se verifica usor ca marimile , 1, ..., n-ksunt adimensionale.

Relatia initiala:

1 2( , ,..., )nF f a a a=

se poate scrie sub forma:

1 1 1 2(1,1,..., ,..., ) ( , ,..., )n k nf f = =

In felul acesta, relatia dintre cele n+1 marimi dimensionale F, a 1, , an, independenta

de alegerea sistemului de unitati de masura, se poate scrie sub forma unei relatii intre n+1-k

marimi , 1, ..., n-kadimensionale.

Acest rezultat este cunoscut sub denumirea de Teorema sau Teorema

produselor.

Exemplu: Consideram solicitarea de rezistenta de amortizor a unui muschi uman ca

fiind dependenta de viteza relativa a punctelor de insertie musculara, de densitatea musculara,

de acceleratia gravitationala si de varsta individului prin timpul t.Forta de amortizare va avea expresia:

( , , , )aR f v t g= .

Se aleg marimile v, si t ca marimi fundamentale si se construiesc produsele

adimensionale:

1 2 3

a

n n n

R

v t =

; 1 1 2 3r r r

g

v t =

.

Formula ce stabileste legatura functionala intre cele cinci marimi fizice dimensionale:

( , , , )aR f v t g= se reduce, datorita aplicarii teoremei produselor, la o formula intre doua produse

adimensionale:

1 1( )f = .

Se determina exponentii n isi ri, cu i=1,2,3, din conditia ca produsele si 1sa fie

adimensionale.

Pentru se obtine:

[ ]

( ) ( )

21 2 1 1 3 2 2 1 3

1 21 3 3

n n n n n

n nn

M L TM L T

L T M L T

+ +

= =

Se impune conditia:


16/76

1 2 0

1 1 3 2 0

2 1 3 0

n

n n

n n

=

+ = + =

1 4

2 1

3 2

n

n

n

=

= =

Pentru 1se obtine:

[ ]( ) ( )

22 1 1 3 2 2 1 3

1 1 21 3 3

r r r r r

r rr

L TM L T

L T M L T

+ +

= =

Se impune conditia:

2 0

1 1 3 2 0

2 1 3 0

r

r r

r r

=

+ = + =

1 1

2 0

3 1

r

r

r

=

= =

Rezulta in final pentru expresia fortei de amortizare expresia:

4 2

1( )ag tR v t f

v = .


17/76


C6. Materiale inteligente. Generalitati

Materialele inteligente ncorporeaz caracteristicile de adaptabilitate si demultifunctionalitate, fiind capabile s prelucreze informatiile, utiliznd exclusivcaracteristicile intrinseci ale materialelor.

Spre deosebire de structurile conventionale, care au doar rolul de-a suportasarcinile statice si dinamice, structurile adaptive si pot modifica caracteristicile n functiede solicitri, putnd face fat, de exemplu unor modificri de form. Preocuparea de-acrea structuri adaptive dateaz de cel mult dou decenii. Primele eforturi n acest sens s-au semnalat la nceputul anilor '80, cnd S.U.A. au sponsorizat cercetrile de integrare aproiectoarelor luminoase n nvelisul exterior al avioanelor de lupt. A rezultat"Programul nvelisului Inteligent" (Smart Skin Program) care s-a derulat timp de aproapeun deceniu. Ulterior, cercetrile s-au extins n mod considerabil dar au fost axate tot pe

tehnologiile aeronautice si spatiale.In Japonia eforturile au fost, de la bun nceput, axate pe dezvoltarea binestructurat si pe scar larg a materialelor multifunctionale. n 1985 s-a nfiintat"Forumul Sticlei Noi" (New Glass Forum) destinat dezvoltrii de materiale ceramicesenzoriale, prin modificarea propriettilor chimice, mecanice sau optice. n 1987 forumula fost nlocuit de "Asociatia Sticlei Noi" (New Glass Association) care reunea peste 200de companii din diverse domenii de activitate. Ulterior au mai functionat: "Consiliulpentru Aeronautic, Electronic si alte Stiinte Avansate" (1987-1989) si "Agentia deStiint si Tehnologie" (nfiintat n 1989) care au reunit, pentru prima oar, specialisti dinmedicin, farmacie, stiine ingineresti, fizic, biologie, electronic si informatic.

n Germania studiul materialelor adaptive s-a axat initial exclusiv pe controlul

vibratiilor din aero- si astronave. n 1990 aceste preocupri au atras atentia institutiilor destat intrnd sub coordonarea Centrului de Tehnologie din Dsseldorf. Acesta a organizatun colocviu, n toamna anului 1991 cnd, n limba german, a fost adoptat termenul de"adaptronic".

Prin analogie cu stiintele biologice, sistemele inteligente pot ndeplini functii deactivatori (muschi), de senzori (nervi) sau de control (creier).

Notiunea de material inteligent poate fi extins la un nivel mai nalt de inteligentartificial, prin ncorporarea unei "functii de nvtare". Rezult un material foarteinteligent care poate detecta variatiile mediului si-si poate modifica caracteristicile propriiastfel nct s controleze variatiile care au generat aceast modificare. S-au dezvoltat,astfel, notiunile de "inteligent pasiv" (care permite doar reactia la mediu) si de

"inteligent activ" (care reactioneaz n mod discret la constrngeri mecanice, termicesau electrice exterioare, ajustndu-si caracteristicile printr-un sistem de feed-back).Actuatorii (care ar trebui s se cheme actionatori, deoarece termenul actuator a

fost preluat n mod automat din limba englez fr s existe o actiune corespunztoaren limba romn a actua - asa cum exist n limba francez actionneur de la actionner =a actiona) sunt constituiti din materiale inteligente capabile s efectueze o actiune. Ei aucapacitatea de a-si modifica: 1-forma (genernd lucru mecanic); 2-rigiditatea; 3-pozitia;4-frecventa vibratiilor interne; 5-capacitatea de amortizare; 6-frecarea intern sau 7-


18/76

vscozitatea, ca reactie la variatiile de temperatur, cmp electric sau magnetic. Cele mairspndite materiale pentru actuatori (numite si materiale reactive sau adaptive) sunt:

-materialele cu memoria formei,-materialele piezoelectrice,-materialele electro- si magnetostrictive precum si

-materialele electro- si magnetoreologice.Senzorii (captatori) sunt sisteme de detectie ce traduc modificrile mediului prinemiterea unor semnale cu ajutorul crora este descris starea structurii si a sistemuluimaterial. Printre functiile lor se numr: controlul defectelor, amortizarea vibratiilor,atenuarea zgomotului si prelucrarea datelor. Unei structuri i se pot atasa senzori externisau i pot fi ncorporati senzori. Cele mai rspndite materiale senzoriale sunt:

-materialele cu memoria formei,-materialele piezoelectrice,-materialele electrostrictive,-fibrele optice,-particulele de marcare.

Sistemele de control (dispozitive de transfer) se bazeaz pe asa-numitele "reteleneurale" care au rolul de-a asigura comunicarea complex, prelucrarea semnalului simemoria prin evaluarea stimulilor primiti de sistem si controlul reactiei acestuia.

Prelucrarea semnalului si actiunea rezultat se fac dup o anumita "arhitectur"care include: 1-organizarea global; 2-organizarea local; 3-ierarhia simpl si 4-multiierarhia.

Dup acest model, informatiile mai putin importante, care nu necesit preciziifoarte ridicate, pot fi prelucrate la un nivel inferior, fr a mai trebui s treac prin nivelulcentral. Rezult att reducerea timpului de stimulare-actiune, ct si reducerea consumuluienergetic. n felul acesta este prelungit "viata" sistemului de control care trebuie s fiemai lung dect duratele de functionare ale oricruia dintre componentele sale.

Materialele inteligente, care au mai fost numite: senzoriale, adaptive,metamorfice, multifunctionale sau destepte (smart), sunt fructul colaborrii specialistilordin trei domenii: stiina materialelor, inginerie mecanic si constructii civile si potcombina functia de actuator cu cea de senzor. Cea mai eficace metod de obtinere amaterialelor inteligente este asamblarea de particule (particle assemblage) care se poaterealiza fie prin atasarea, fie prin integrarea elementelor active ntr-o structur unitar.

Conceptul de asamblare de particule presupune: 1-producerea unui amestecordonat de diferite particule; 2-manipularea particulelor cu o microsond si 3-aranjareaparticulelor pe substraturi. Metoda de aranjare pe substraturi presupune parcurgerea a treietape (dup modelul copierii xerografice): desenarea, developarea si fixarea. Cu ajutorulsistemelor materiale inteligente au fost concepute sisteme de prelucrare mecanic

inteligent cum ar fi, de exemplu, ndoirea precis "n L" a tablelor subtiri.Un ansamblu de materiale inteligente, analizat la scar macroscopic dar integratla scar microscopic poart denumirea de structur inteligent. Ea se poate auto-monitoriza, reactionnd unitar la orice stimul extern. Cea mai simpl structur materialinteligent este alctuit dintr-un senzor, un actuator si un amplificator de feed-back.ntre senzor si actuator poate s existe sau nu un cuplaj mecanic, prima variant fiindmult mai eficace, deoarece culegerea informatiei si actionarea se produc n acelasi punct.n urma studiului, dezvoltrii si implementrii materialelor inteligente n diverse sisteme


19/76

materiale a aprut notiunea de "viat artificial" (a-life) dedicat crerii si studiului unororganisme si sisteme de organisme construite de oameni. n conformitate cu conceptul de"viat artificial", sistemele materiale inteligente sunt astfel concepute nct s poatmanifesta att caracteristici adaptive (pot fi "educate" sau pot reactiona n mod spontan lamediu) ct si posibilitatea de-a transmite informatii la proiectant si utilizator.

Domenii de aplicabilitate

Pot exista numeroase aplicatii comerciale ale materialelor inteligente, dar cea maivaloroas dintre acestea este posibilitatea de-a studia si ntelege o serie de fenomenefizice complexe, n special din domeniul fizicii fundamentale. Principalele domenii deaplicabilitate ale materialelor inteligente sunt urmtoarele:1 controlul vibratiilor la structurile spatiale flexibile mari (cu dimensiuni pn la cea aunui teren de fotbal), care trebuie s-si mentin o precizie dimensionala ridicat;2 controlul miscrii instabile a tronsoanelor si a sistemelor de legtur ale subsatelitiloraflati pe orbit circumterestr;

3 controlul geometriei aripilor de avion, a palelor de elicopter si a elicelor sau velaturiinavelor prin ameliorarea aero- sau a hidrodinamicii n scopul reducerii/suprimriivibratiilor produse de curentii turbionari din aer sau ap;4 controlul nivelului intensittii luminoase (lentile fotocromatice, geamuri cu indice derefractie autoreglabil);5 chirurgie (filtre sangvine, muschi, membre si organe artificiale), ortopedie(implanturi) sau oftalmologie (retin artificial);6 monitorizarea continua a strii de sntate (toalete inteligente care analizeazdejectiile, avertiznd depsirile limitelor admise);7 modificarea adaptiv a formei suprafetelor-oglind ale antenelor conventionale deprecizie sau ale telescoapelor de nalta rezolutie;

8 conectic (asamblri nedemontabile rezistente la vibratii);9 reducerea activ a concentratorilor de tensiuni, din vecintatea gurilorsi a crestturilor, prin intermediul activatorilor ncorporati, cu deformatie impus;10 cadre (corsete) cu geometrie variabil care pot modifica impedanta structurilor mari(control antiseismic);11 controlul acustic structural activ (cu ajutorul vibratorilor cu oscilatii transversale);12 controlul distributiei si dozrii medicamentelor;13 micromotoare;14 robotic;15 reducerea semnturii (zgomotului) torpilelor;16 protectia la supracurent;

17 controlul atmosferei din incinte (umiditate, nivel de oxigen, etc.).Prin aportul sistemelor materiale inteligente proiectantii nu vor mai trebui sadauge mas si energie, pentru a mri fiabilitatea produselor. Experienta nu se va maidobndi prin studii de caz si anchete, dup producerea accidentului (rupere la oboseala),ci chiar n timpul functionrii sistemelor materiale inteligente, prin monitorizareareactiilor si a adaptabilittii acestora.

Piata mondial a materialelor inteligente depseste 1 miliard $ anual dintre care75% reprezint materialele piezoelectrice si electrostrictive, cte 10% materialele


20/76

magnetostrictive si cele cu memoria formei si restul de 5% materialele electro- simagnetoreologice.

(Bujoreanu Leandru-Gheorghe, Materiale inteligente, Editura Junimea, Iasi, 2002)


21/76


C7. Materiale inteligente. Generalitati

2. MATERIALE CU MEMORIA FORMEIDup ce o scurt perioad au fost numite aliaje cu memorie piezomorfic,termomorfic sau feroelastic, aliajele cu memoria formei au fost cunoscute la nceputulanilor 70 sub denumirea de marmem-uri (care sublinia legtura dintre martensit simemorie).

La ora actual, la aliajele obtinute prin tehnologia clasic (bazat pe topire-turnare-deformare) s-au adugat cele obtinute prin metalurgia pulberilor si prinsolidificare ultrarapid.

Mai mult chiar, au aprut si o serie de materiale nemetalice cu memoria formeicare cuprind:1-materiale ceramice, cum ar fi bioxidul de zirconiu policristalin stabilizat,

2-polimeri, cum ar fi polielectrolitii cu grupuri ionizabile sau hidrogelurile polimerice curetele interpenetrante si materiale compozite.n aceste conditii, s-a generalizat denumirea de materiale cu memoria formei.

2.1 Aparitie si dezvoltare

Se consider ca istoria materialelor cu memoria formei a nceput n 1932, odat cudescoperirea unui aliaj Au-Cd care prezenta la temperatura camerei o elasticitatesurprinztoare de aprox. 8 % - care a fost numit de "tip cauciuc". Efectul propriu-zisde memoria formei a fost descoperit mai nti la Au-Cd n 1951 si apoi la In-Ti n 1953.

La acestea s-au adugat si alte aliaje neferoase dintre care cele mai importante

sunt: Cu-Zn (1956), Ti-Ni (1963), Cu-Al-Ni (1964) si Cu-Zn-Al (1970) precum si o seriede aliaje feroase cum ar fi: Fe-Mn-Si, Fe-Ni-Co-Ti si Fe-Ni-C.Prima aplicatie a materialelor cu memoria formei a fost expus n 1958 la Trgul

International de la Bruxelles. Este vorba despre un dispozitiv ciclic de ridicare actionat deun monocristal de Au-Cd care ridica o greutate dac era nclzit si o cobora dac erarcit.

Primele experimente legate defenomenele de memoria formei (pseudoelasticitate,efect simplu de memoria formei, efect de memoria formei n dublu sens, efect deamortizare a vibratiilor, efecte premartensitice, etc.) au fost efectuate pe monocristale.Cum monocristalele aliajelor pe baza de cupru se obtin mai usor, acestea au fostmaterialele experimentale care au permis, n anii 70, stabilirea att a originii

microstructurale a fenomenelor de memoria formei ct si a legturii dintre acestea sitransformarea martensitic. "Vedeta" materialelor cu memoria formei este n modincontestabil aliajul NITINOL, numit astfel dup Ni-Ti si Naval Ordnance Laboratory(actualmente Naval Surface Warfare Center) locul unde a fost descoperit. Aliajul Ni-Tiprezint n stare policristalin excelente caracteristici legate de fenomenele de memoriaformei, cum ar fi capacitatea de nmagazinare a energiei elastice la ncrcarea izoterm(42 MJ/m3) sau deformatiile maxime care pot fi recuperate n cadrul memoriei mecanice


22/76

(10%) sau termice (8%). S-a calculat c n 50 l de Nitinol se poate nmagazina tot attaenergie ct n motorul unei masini.

n anii 80 s-a manifestat cea mai intens activitate legat de inventica aplicatiilormaterialelor cu memoria formei, media numrului de brevete prezentate la niveluldeceniului respectiv fiind de dou pe zi. Ulterior, preocuparea de-a gsi noi aplicatii

pentru aceste materiale "revolutionare" considerate drept o "solutie care si cautproblema" s-a redus n mod simtitor, numrul total de cereri de brevete depsind de-abia15000 n anul 1996.

Compania american RAYCHEM a fost timp de 20 de ani liderul mondial absolutal industriei materialelor cu memoria formei. n anii 90 compania si-a limitat activitatea,n mod exclusiv, la colaborarea cu Pentagonul.

Strnit de americani, interesul pentru aceste materiale s-a transmis mai ntimarilor companii transnationale cum ar fi General Electrics, IBM, Boieng, TexasInstruments sau General Motors si apoi altor tri din "Zona Pacificului" JaponiaChina, Taiwan, Australia. n Europa primele dispozitive electrice actionate prin materialecu memoria formei au fost produse de firma elvetian ASEA BROWN BOVERY (1970).

La ora actual se consider ca trile europene cele mai implicate n industriamaterialelor cu memoria formei sunt Franta (unde societatea IMAGO produce exclusivdispozitive pe baz de Cu-Zn-Al) si Germania.

n Romnia nu se poate vorbi, din pcate despre o "industrie" a materialelor cumemoria formei, desi exist firme care comercializeaz de exemplu tuburi dinpolimeri termocontractabili pentru conductorii electrici de fort sau rame de ochelari dinmetale cu memorie. Din punct de vedere al cercetrii, ns, se poate vorbi despre unmult mai viu interes, mai ales n marile centre universitare (Bucuresti, Timisoara, etc.)printre care si Iasi. La Iasi cercetrile au demarat n 1994 la Facultatea de tiinta siIngineria Materialelor de la Universitatea Tehnic "Gh.Asachi", de unde s-au extins mainti la alte facultti si apoi la alte institutii, att de nvtmnt superior (cum ar fi

Universitatea de Medicin si Farmacie) ct si de cercetare, cum ar fi Institutul Nationalpentru Cercetare-Dezvoltare n Fizic Tehnic. Lista aliajelor cu memoria formei (AMF)este impresionant ns de uz comercial au devenit numai aliajele pe baz de Ni-Ti, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni si Fe-Mn-Si.

Principalul fenomen care a fost pus n legtura cu comportamentul de memoriaformei este cunoscut de peste 100 de ani si perpetueaz amintirea ilustrului metalografgerman Von Martens transformarea martensitic.

2.2 Transformarea martensitic

Denumirea transformrii provine de la produsul de reactie martensita "un

microconstituentdin otelul clit caracterizat printr-un model acicular sau aciform",obtinut dintr-o solutie solid stabil la temperaturi nalte, - austenita pe baz de Fe, cureteaua cristalin cubic cu fete centrate (cfc) si a fost observat pentru prima dat laotelurile-carbon.


23/76

2.2.1 Transformarea martensitic din otelurile-carbon

Martensita din otelurile-carbon este cunoscut nc din 1895 ca o solutie solidsuprasaturat, instabil, de carbon dizolvat n Fe si obtinut la viteze foarte mari dercire. Caracteristicile transformrii martensitice din otelurile-carbon pot fi prezentate

att la nivel macroscopic ct si la nivel microscopic.La nivel macroscopic, transformarea martensitic din otelurile-carbon, cu maimult de 0,2% C, se caracterizeaz prin:1 variatie de volum de cca. 4%, nsotit de aparitia microreliefului pe suprafeteleprobelor lustruite si clite;2 degajarea unei importante cantitti de cldur latent asociat cu transformareamartensitic ( transformare exoterm);3 necesitatea depsirii unei viteze critice de rcire pentru mpiedicarea produceriitransformrilor intermediare (de exemplu transformarea bainitic);4. transformarea este de tip exploziv, viteza ei fiind limitat doar de viteza de propagarea sunetului prin otel, astfel nct clirea unei piese mici n apa dintr-un vas Dewar duce la

spargerea acestuia, din cauza undei de soc creat de transformare;5 durificarea materialului;6 transformarea se compune dintr-o forfecare simpl (cca. 0,19), de aprox. 20 de orimai mare dect deformatia elastic si o alungire sau contractie pe o directieperpendicular (0,09);7 lipsa reversibilittii (la nclzire intervine difuzia);8 transformarea se produce numai n timpul rcirii continue, cu viteze de minimum6000C/s, prin germinarea si cresterea de noi plci de martensit (si nu prin cresterea celorvechi), n intervale de timp de ordinul a 10-7 s, deci nu este necesar activarea termic(transformarea este atermic) deoarece cantitatea de martensit nu depinde de durata dementinere la o anumit temperatur;

9 transformarea este n primul rnd indus termic (prin variatia temperaturii) dar poatefi cauzat si de deformarea plastic (transformare indus mecanic sau sub tensiune).La nivel microscopic, transformarea martensitic se caracterizeaz prin:

1 Aparitia martensitei cu form platiform-lenticular si cu dou morfologii tipice:(i) n sipci (masiv sau cu defecte interne), cu dimensiuni de ordinul a 200 x 4 x

0,410-6m si densitti foarte mari de dislocatii, care apare ntre 0,2-0,6 %C si(ii) n plci, cu o nervur central si cu att mai multe macle interne ca ct contine

mai mult carbon.2 Existenta unei relatii de orientare ntre austenita cu structur cubic cu fetecentrate (cfc) si martensita de clire ' cu structur tetragonal cu volum centrat (tvc) asociat cu aparitia unui plan nedeformat si nerotit (plan habital invariant) care asigur un

mecanism de crestere rapid a martensitei. Aparitia planului habital a fost explicat prinasa-numitele teorii fenomenologice care au scopul de-a descrie transformareamartensitic fr a preciza nici mecanismele fizice de transformare si nici ordineaproducerii acestora. Teoriile cristalografice ale martensitei care explic invariantaplanului habital prin minimizarea energiei libere interfaciale consider c mecanismulmicrostructural presupune producerea a patru deformatii elementare. Acestea sunt:

(i) o deformatie omogen simpl (distorsiunea Bain);(ii) o forfecare neomogen invariant prin alunecare sau maclare;


24/76

(iii) rotatia retelei transformate si (iv) dilatarea uniform a interfetei austenit-martensit (A/M).

Primele dou teorii fenomenologice sunt ilustrate n Fig.2.1. Mecanismul Baindin Fig.2.1(a) este foarte util pentru c permite stabilirea, n general, a relatiei deorientare dintre austenit si martensit. Tot el d o structur teoretic a martensitei dar nu

poate explica modificarea celulei elementare exclusiv printr-o deformare omogen.

Pe baza mecanismului Bain s-a determinat orientarea planului habital dinotelurile-carbon, n raport cu austenita (), sub forma familiilor {225}pentru otelurile cucel mult 1,4 %C si {259}pentru cele cu 1,5-1,8 %C. Modelul Greninger-Troiano dinFig.2.1(b) combin deformarea omogen cu forfecarea neomogen (prin alunecare saumaclare) si cu rotatia retelei transformate, pentru a asigura invarianta planului habital (H).3 Transformarea se produce fr difuzie deci austenita si martensita au aceeasicompozitie chimic.4 Aparitia unor unghiuri caracteristice ntre plcile de martensit, drept consecint arelatiei de orientare ntre austenit si martensit, care face ca martensita s poat aprea

numai n 24 de variante cristalografice.5 Acomodarea martensitei (cu volum mai mare dect austenita) prin deformareaireversibil a matricei austenitice ceea ce duce la pierderea coerentei dintre cele doufaze.6 Martensita are o substructur fin n care se regsesc n special dislocatii si n maimic msura macle si defecte de mpachetare.

Asadar martensita otelurilor-carbon devine tetragonal din cauza suprasaturrii ncarbon, care deformeaz celula elementar cubic.


25/76

Cercetrile au artat c, de fapt, suprasaturarea este mult mai redus, la zececelule elementare de martensit dintr-un otel cu 0,9 %C revenind doar un singur atom decarbon.

Prelund principalele caracteristici ale transformrii martensitice din otelurile-carbon absenta difuziei si prezenta relatiilor de orientare ntre faza initial si produsul

de reactie s-a convenit ca toate transformrile n stare solid de tip "militar", prin carese realizeaz formarea coerent a unei faze dintr-alta n urma deplasrii simultane (prinforfecare) a tuturor atomilor pe distante inferioare celei de salt difuziv, s fie consideratede tip martensitic.

Pe baza considerentelor de mai sus, transformarea martensitic a fost identificatla un numr mare de materiale, ce includ: metale pure, aliaje, materiale ceramice,minerale, compusi anorganici, sticle solidificate si binenteles aliajele cu memoria formei(AMF).

n aceste conditii s-au propus o larg varietate de criterii de clasificare atransformrii martensitice care au fost sistematizate pentru aliajele feroase si pentru celeneferoase. ntre aceste criterii se remarc structura cristalin a austenitei care la AMF

poate fi cubic cu volum centrat (de tip ) sau cubic cu fete centrate (de tip ).



26/76


C8. Materiale inteligente. Fenomenele de memoria formei

Cele mai importantefenomene de memoria formei sunt:1-efectul pseudoelastic sau pseudoelasticitatea (PSE);2-efectul simplu de memoria formei (EMF);3-efectul de memoria formei n dublu sens (EMFDS) si4-efectul de amortizare a vibratiilor.

Pseudoelasticitatea (PSE), asociat cu memoria mecanic, defineste oriceneliniaritate de pe portiunea de descrcare a unei curbe tensiune-deformatie. Lamaterialele clasice, portiunea de descrcare este paralel cu portiunea elastic de lancrcare (BC // 0A, dup cum s-a ilustrat cu linie continu n Fig.2.71.

S-a ales exemplul tractiunii deoarece este cea mai concludent metod de analiza deformrii materialului. Celelalte dou curbe din Fig.2.71 sunt reprezentative pentrucele dou tipuri principale de pseudoelasticitate: superelasticitate (0A1B1C1D10) sipseudomaclare (0A2B2C2). Acelasi AMF poate prezenta, pe diverse domenii detemperatur, fie pseudomaclare fie superelasticitate. n principiu, superelasticitatea aparen intervalul termic definit prin Af < T < Md, unde Md este temperatura maxim pn la

care se poate obtine martensit indus prin tensiune (peste Md intervine difuzia). Exist siexceptii, reprezentate prin asa-numitele ferestre de superelasticitate, sub forma unorintervale termice din domeniul martensitic n cadrul crora poate apreasuperelasticitatea. Si pseudomaclarea poate exista att n domeniul martensitic, la T < Asct si n cel austenitic, la T > Md.

Efectul simplu de memoria formei (EMF) reprezint redobndirea unic sispontan a formei calde n urma nclzirii materialului aflat n forma rece. Forma


27/76

cald este caracteristic domeniului austenitic iar forma rece celui martensitic. Cea maiclar evidentiere a EMF se realizeaz prin intermediul variatiei alungirii n raport cutensiunea si temperatura.

Efectul de memorie a arestului termic (EMAT) const din amintirea

temperaturii de ntrerupere a transformrii din ciclul termic precedent. EMAT este oconsecint a energiei de deformare care, n momentul ntreruperii transformriimartensitice, rmne blocat n structura autoacomodant a martensitei. EMAT semanifest n mod diferit n functie de starea materialului (de exemplu: recopt + clit,deformat la rece + restaurat) sau de natura lui (de exemplu: Ni-Ti, Cu-Zn-Al).

Efectul de memoria formei n dublu sens (EMFDS) reprezint redobndireaspontan att a formei calde ct si a celei reci, la nclzire respectiv rcire. Cele douforme, reproduse la sfrsitul nclzirii si respectiv rcirii, nu sunt formele cald sirespectiv rece, initiale, deoarece se caracterizeaz prin deformatii mai mari.

Efectul de memorie a formei complet rotunde (EMFCR) este asemntorEMFDS dar nu apare dect la AMF Ni-Ti care contin peste 50,5 % at. de Ni. Memoriaformei complet rotunde presupune interventia difuziei atomice deoarece aliajului i seimprim o form rotund, n stare martensitic, dup care este mbtrnit n stareaustenitic, fr a i se permite recuperarea formei calde. Tratamentul termic tipic, curevenire retinut dureaz pn la 50 de ore. La rcirea pn n domeniul martensitic, dupndeprtarea constrngerii aplicate si eliberarea materialului, se constat curbarea n sensexact opus, astfel nct straturile exterioare, care erau comprimate, devin alungite si vice-versa. La ciclarea termic ulterioar ntre domeniile martensitic si austenitic materialul simodific spontan forma ntre cele dou moduri opuse de curbare.

Originea efectului de amortizare a vibratiilor este una dintre caracteristicileAMF pseudoelastice, datorit att reducerii treptate a modulului de elasticitate ladescrcare, ct si absorbirii energiei mecanice prin frecare intern. Pe o scarconventional a indicilor de amortizare, otelul are un indice de 0,1; aluminiul un indicede 0,3; AMF Ni-45% at. Ti poate atinge indicele de 30 iar AMF pe baz de Mn-Cu potatinge indicele maxim de 40. Aceste valori sustin afirmatia c AMF au o capacitate deamortizare a vibratiilor de pn la 200 de ori mai mare dect materialele clasice.Capacitatea de amortizare mecanic este adesea identificat cu frecarea intern, definitdrept efectul transformrii ireversibile a energiei mecanice n energie termic, disipat.Pentru caracterizarea frecrii interne (F) se utilizeaz un factor de calitate (Q) care esteinversul frecrii interne:

Q = 1/F (2.24)Frecarea intern este dependent de mai multi factori: 1-temperatur, 2-gradul dedeformare, 3-starea materialului, 4-frecventa oscilatiilor amortizate.

2.4 Materiale nemetalice cu memoria formeiDup cum s-a artat la nceputul capitolului 2, exist si materiale ceramice,

polimerice sau compozite cu memoria formei. Cteva exemple reprezentative suntprezentate n continuare.


28/76

2.4.1 Materiale ceramice cu memoria formeiPornind de la ideea c transformarea martensitic a fost observat si ntr-o serie

de materiale ceramice cum ar fi titanatii de strontiu (SrTiO3) si de bariu (BaTiO3) saubioxidul de zirconiu (ZrO2) s-au cutat modalitti de evidentiere si fructificare a unorfenomene de memoria formei si pe aceast clas de materiale.

Principala deosebire, fat de transformarea martensitic termoelastic esteforfecarea foarte redus de la transformare, care este de ordinul a 10-5, deci cu 2-3 ordinede mrime mai mic dect la AMF.

La materialele ceramice a fost dezvoltat un concept nou de memoria formei:transformrile de faz induse termic sau prin tensiune fiind nlocuite prin variatiadeformrii elastice produse de transformarea de faz indus de cmpul electric. Deoareceaceste fenomene fac parte din efectele piezoelectric si electrostrictiv, materialelerespective sunt considerate drept piezoelectrice si respectiv electrostrictive si nu dreptmateriale ceramice cu memoria formei, fiind prezentate n capitolele 3 si respectiv 4.

Primul material ceramic mediatizat, cu memoria formei, este bioxidul de zirconiu(ZrO2) sau zirconia. Acesta poate exista sub forma a trei stri alotropice: cubic (c),

tetragonal (t) si monoclinic (m). Transformarea tetragonal spre monoclinic se producencepnd de la 11500C si pn la 8800C si este de tip martensitic, asemntoare tranzitieidin aliajele metalice. Deoarece aceast transformare este nsotit de o crestere de volumde cca. 3 %, producerea ei duce la fisurarea bioxidul de zirconiu pur. Pentru reducereatendintei de fisurare se practic alierea cu oxizi stabilizatori care inhib transformareamartensitic permitnd aducerea fazei tetragonale pn la Tamb.

2.4.2 Polimeri cu memoria formein sectiunile urmtoare sunt prezentate sintetic cteva tipuri de polimeri care aucapacitatea de a-si redobndi o anumit form, prin nclzire. n aceast categorie au fostinclusi polimerii termoplastici si elastomerii cu memoria formei, polimerii cu retele

interpenetrante si polimerii ionici.2.4.2.1 Polimeri termoplastici si elastomeri cu memoria formei

n mod normal, atunci cnd sunt solicitati n intervalul termic localizat subtemperatura de curgere si peste temperatura de vitrifiere (Ta numit si temperatur deamorfizare) polimerii termoplastici si elastomerii prezint un comportament tipcauciuc. Rezult c aceste materiale nu pot fi deformate n mod permanent, fr a finclzite sau deteriorate (fisurate) ntr-o anumit msur. Prin urmare cea mai importantproblem, la obtinerea polimerilor termoplastici si a elastomerilor cu memoria formeieste imprimarea formei reci.

Metoda cea mai rspndit de imprimare a formei reci const din rcirea n stare

deformat, pn sub Ta. n felul acesta polimerul este nghetat n starea amorf,caracterizat printr-o form rece alungit. Ca si la AMF, desi nu este cristalin, polimerulcruia i s-a imprimat o form cald nmagazineaz o anumit cantitate de energie dedeformare, care va favoriza redobndirea formei calde, imediat ce mobilitateamoleculelor va permite aceste lucru (odat cu nclzirea peste Ta). n timpul nclzirii,lanturile macromoleculare interactioneaz prin formarea de microcristale sau prinmodificarea gradului de amorfizare. Asadar forma rece este amorf (deci rigid) iar ceacald este semicristalin (deci elastic) si aceasta este deosebirea major dintre polimerii


29/76

cu memoria formei si AMF (unde forma cald este mai rigid). Aceste materiale sebucur de avantajele polimerilor (densitate redus, fiabilitate, pret sczut) si au Ta nvecintatea temperaturii ambiante.

n cadrul polimerilor termoplastici cu memoria formei se numr polimeriitermocontractabili, folositi cu precdere la obtinerea mantalelor de la conductorii electrici

grei si n general la orice izolare electric eficace si operativ. Un exemplu de polimertermocontractabil este poliolefina bombardat cu electroni de mare energie. n urmaacestui tratament, poliolefina n mod normal un polimer termoplastic nu se mainmoaie la nclzire. La aplicarea unei nclziri, cu o lamp de benzin sau cu o suflantde aer cald, (pn la 1200C, n cazul poliolefinei) polimerii termocontractabili se strngasigurnd astfel, de exemplu, izolarea unui mnunchi de conductori electrici sau cuplareaa dou capete de conducte pneuno-hidraulice. Printre polimerii termoplastici cu memoriaformei se numr si poliizoprenul, copolimerul de butadien-stiren, poliuretanul,polietilena, etc. Poliizoprenul are temperatura de curgere de 670 C si un grad decristalinitate de 40 %. Forma rece este obtinut dup nclzire la 1450 C, mentinere 30min si rcire la Tamb. Redobndirea formei calde are loc la nclzire peste 800 C.

Poliizoprenul permite deformatii de 400 %, dezvoltnd tensiuni de recuperare de cca. 1-3MPa.

Un exemplu de elastomer cu memoria formei este NORSOREX R cruia i sepoate imprima o anumit form, nmagazinnd o cantitate apreciabil de tensiuni interne,chiar la temperatura ambiant. n momentul aparitiei acestei lucrri, elastomerii cumemoria formei nu aveau aplicatii industriale mediatizate ns n Japonia ei erau dejafolositi pentru confectionarea jucriilor-surpriz (gadget). Un alt exemplu l oferpolimerii cu structur de cauciuc celular care au servit pentru evidentierea unei memoriielastice hibernate (hibernated elastic memory). Acest polimer a fost dezvoltat deMitsubishi Heavy Industries si este conceput pe baz de poliuretan. Modulul de

elasticitate al acestui material n stare vitroas este de cca. 500 de ori mai mare dect celdin stare semicristalin (elastic).

2.4.2.2 Polimeri cu retele interpenetrantePrin copolimerizarea la 600 C, timp de 24 ore, a uracil acrilometilului (CH2=CH-

COO-CH2-C4N2-O2H2) cu o solutie de 10 % mol. acid acrilic (CH2-CH-COOH) si de 1% metilen biacrilamid (CH2=CH-CONH-CH2-NHCO-CH=CH2), se obtinepoliuracilacriloiloximetil, sub form de hidrogel.

2.4.2.3 Polimeri ioniciPolimerii ionici (cu ioni de schimb), dac sunt introdusi n mediu umed,

actioneaz ca si polielectroliti. Polielectrolitii contin, pe lanturile lor principale, grupuride ioni capabile s dezvolte cmpuri electrice cu intensitti de pn la 1010V/m. Laaplicarea unui cmp electric extern, acesta interactioneaz cu cmpul electric alpolimerului, producnd o deformatie electromecanic. Un exemplu de polielectrolit esteoferit de sistemul acid poliacrilic-policlorur de vinil. Atunci cnd unei benzi dinpolielectrolit i se aplic un cmp electric transversal, perpendicular pe axa benzii,contractia si alungirea diferentiale, ale fibrelor din straturile superficiale ale materialului,


30/76

pot produce ncovoierea. Deformatia poate fi amplificat dac n spatiul interstitial alretelei polielectrolitului se introduce un lichid care contine ioni. La ndeprtarea cmpuluiextern, polielectrolitul revine la forma initial, deci deformatia este reversibil. nparticular, atunci cnd se introduc ioni metalici, se obtin materiale compozite polimerionic-metal care sunt descrise pe scurt la sfrsitul sectiunii urmtoare.

2.4.3 Materiale compozite cu memoria formeiCele mai larg rspndite materiale compozite cu memoria formei sunt obtinute

prin laminarea ntr-o matrice polimeric (n general elastomeric) a unor elementeactuatoare (lamele, benzi, srme educate) din AMF. La proiectarea acestor materiale suntesentiale att investigarea transformrii (pre)martensitice ct si modelarea corect acomportamentului materialului compozit n zona de interactiune matrice-fibre. Modelareamicromecanic a materialelor compozite cu memoria formei porneste de la analogia cumaterialele compozite conventionale, ranforsate cu fibre distribuite n mod ntmpltor.La deformarea fibrelor, n zonele adiacente interfetei cu matricea polimeric, aceasta dinurm este puternic solicitat, deformatia fiind dependent de mai multi factori. Cei mai

importanti factori sunt: volumului fibrelor, elasticittile fibrelor si matricei, orientareafibrelor si geometria mpachetrii. Fibrele din AMF (Ni-Ti, Cu-Zn-Al sau Cu-Al-Ni)contribuie la obtinerea unor valori ridicate ale capacittii specifice de amortizare amaterialului compozit laminat care poate fi utilizat att ca actuator ct si senzor. Dinacest motiv, cel mai important parametru al analizei micromecanice este volumul relativ,ocupat de fibre n cadrul materialului compozit.

2.5 Fabricarea materialelor cu memoria formeiFabricarea unui material cu memoria formei presupune: 1-obtinerea acestuia la

forma dorit; 2-prelucrarea termic (tratamente termice) sau termomecanic (educare) nvederea evidentierii unui anumit fenomen de memoria formei si 3-verificarea

comportamentului materialului la cresterea numrului de cicluri (comportarea laoboseal). Aceste trei etape de mai sus sunt prezentate n continuare, cu referiri la celepatru tipuri de AMF de uz comercial (Ni-Ti, Cu-Zn-Al, Cu-Al-Ni si Fe-Mn-Si) dar si launele materiale compozite cu memoria formei.

2.5.1 Obtinerea materialelor cu memoria formein general, obtinerea AMF presupune parcurgerea urmtoarelor operatii

metalografice: 1-topirea, 2-alierea, 3-turnarea, 4-tratamentul termic primar, 5-deformareaplastic. n afar de obtinerea prin metode clasice, se mai pot aplica procedeeneconventionale legate de metalurgia pulberilor, solidificarea ultrarapid si ingineriasuprafetelor.

Principalele probleme ntlnite la obtinerea materialelor cu memoria formei suntlegate de controlul compozitiei chimice, deformarea plastic la rece si tratamentultermomecanic de imprimare a memoriei.



31/76


C9. Materiale inteligente. Aplicatiile materialelor cu memoria formei

2.6 Aplicatiile materialelor cu memoria formein functie de tipul de EMF care determin modul de obtinere a formei calde,aplicatiile bazate pe memoria termicpot fi: (i) cu revenire liber; (ii) cu revenire retinutsau (iii) generatoare de lucru mecanic.

Toate aplicatiile bazate pe memoria mecanic sunt pseudoelastice. Pe lngacestea exist si aplicatii medicale care pot fi ncadrate n toate categorii de mai sus.

2.6.1 Aplicatii cu revenire liber

Aplicatiile cu revenire liber au exclusiv functia de a produce miscare saudeformatie. Ele se pot regsi ntr-o serie de domenii specifice, cum ar fi:

- medicin (filtre sangvine ce deprteaz peretii venelor, oprind deplasarea cheagurilor desnge);- art (sculpturi metalice misctoare, statui ce deschid ochii la rsritul soarelui, flori cese deschid sau se nchid la lumin sau cldur);- lenjerie (inel de fixare a cupelor la sutiene, cmsi care-si recapt volumul dac suntpuse n ap cald);- jucrii (fluturi care bat din aripi);- obiecte de uz casnic (scrumiere care-si ridic marginile atunci cnd tigrile asezate peele ard pn la capt).

2.6.2 Aplicatii cu revenire retinut

La aceste aplicatii, materialelor cu memoria formei nu li se permite s-siredobndeasc forma cald, din cauza unei constrngeri externe si din acest motiv potdezvolta tensiuni de pn la 700 MPa. Aplicatiile cu revenire retinut pot fi de patrutipuri: (i) cuplaje hidro-pneumatice; (ii) conectori electrici; (iii) dispozitive de fixare si(iv) aplicatii spatiale.

2.6.2.1 Cuplaje hidro-pneumatice

Principiul de functionare a unui cuplaj hidro-pneumatic din material cu memoriaformei este ilustrat n Fig.2.140.

Cuplajului i se imprim forma cald (1), caracterizat printr-un diametru interiormai mic dect cel nominal, D0, al conductelor sau tevilor pe care urmeaz s le mbine.Dup rcire pn n domeniul martensitic (2), cuplajul, care acum s-a nmuiatconsiderabil, este expandat prin introducerea fortat a unui dorn cu diametrul mai maredect D0. n aceast stare (3), care este practic starea de livrare, cuplajul poate fidepozitat o perioad ndelungat. La instalare, cuplajul este montat rapid, fiind scos dinmediul de depozitare (de exemplu azot lichid) n atmosfer, unde se nclzeste pn ndomeniul austenitic (4) si prin EMF cu revenire retinut, asigur strngerea necesar


32/76

realizrii unei mbinri etanse ntre conducte. Pentru deschiderea cuplajului, este necesaro rcire puternic pn n domeniul martensitic (5). Din acest motiv, valoarea prescris alui Ms este destul de sczut: -400C la cuplajele industriale, de uz comercial si -900C lacele militare.

Primele cuplaje hidro-pneumatice s-au confectionat n 1967 din AMF Ni-(49-

50)Ti-(3-4)Fe (% at.) si au fost utilizate la legarea conductelor de rcire ale avioanelor delupt Gruman F14, care atingeau, n timpul zborului, o temperatur minim de -550C.Desi cunoscute nc din 1963 si exploatate n constructia cuplajelor hidro-

pneumatice din 1967, propriettile de memoria formei ale aliajelor Ti-Ni au fost ignoratede comunitatea stiintific international. n felul acesta se explic absenta oricrei referirila propriettile de memoria formei, n cadrul simpozionului de a Los Angeles, 1967,consacrat n mod special aplicatiilor aliajelor de titan (Applications Related Phenomenain Titanium Alloys, ASTM, 1968).

Alierea cu Fe, a AMF Ni-Ti, inhib foarte puternic transformarea martensitic,cobornd Ms pn la -1500C. Exemplul tipic de cuplaj hidro-pneumatic, confectionat din

AMF Ni-Ti-Fe, este CRYOFIT cu forma constructiv schitat n Fig.2.141.Pentru a evita dezavantajul pstrrii n azot lichid, s-au dezvoltat aliaje la care

histerezisul termic a fost majorat, pn la 80 sau chiar 1450C, prin adugarea a cca. 9 %Nb. Acesta mreste histerezisul termic prin introducerea unei componente ireversibile adeformatiei care ntrzietransformarea martensitic invers. Principalele avantaje alecuplajelor hidro-pneumatice din AMF pe baz de Ni-Ti sunt: compactitatea, instalareausoar si fiabilitatea.


33/76

Spre deosebire de AMF pe baz de Ni-Ti, care ofer cea mai bun combinatie defiabilitate si instalare nepretentioas (dar sunt si cele mai scumpe) AMF Cu-Zn-Al-Mn auforte si deformatii recuperabile mult mai reduse iar cele pe baz de Fe-Mn-Si dezvoltforte, prin EMF cu revenire retinut, care variaz foarte puternic n functie de deformatianerecuperat.

n ciuda dezavantajelor de mai sus, AMF pe baz de cupru s-au folosit laconfectionare unor cuplaje de uz militar n S.U.A. iar AMF pe baz de Fe-Mn-Si la

producerea unor cuplaje care se nfileteaz, n stare expandat, pe capetele conductelor siapoi, prin nclzire, dezvolt forte de strngere considerabile.O utilizare de perspectiv a AMF, la confectionarea cuplajelor hidropneumatice,

const din folosirea acestor materiale ca elemente de ntrire a unor mbinri existentedintre dou conducte sau tevi. Aceast tehnic utilizeaz srm din AMF Ni-Ti-Nb si seaplic la repararea operativ a legturilor dintre conductele din centralele nucleare, acuplajelor militare deteriorate dup lupt sau pur-si-simplu la ntrirea sudurii dintreconductele de diametre mari. n ultimul deceniu au fost fabricate si cuplaje hidro-pneumatice din polimeri cu memoria formei, care au avantajul densittii reduse si analtei rezistente la coroziune.

2.6.2.2 Conectori electrici

Conectorii electrici cu memoria formei se utilizeaz de peste 25 de ani. Spredeosebire de cuplajele hidro-pneumatice, conectorii electrici trebuie s fac fat unuinumr mult mai mare de cicluri de cuplare-decuplare.

Acesti conectori au urmtoarele caracteristici: 1-fort de cuplare nul; 2-rezistentla coroziune; 3-au carcase cu gabarit redus, deoarece nu trebuie s preia componente ale


34/76

fortelor de cuplare; 4-forta de retinere este foarte ridicat, 5-etansare perfect; 6-rezistent la socuri si vibratii.

Principalele tipuri de conectori electrici sunt CRYOCON si CRYOTACT.Principiul constructiv-functional al cuplajelor CRYOCON este ilustrat n

Fig.2.142.

Cuplajul este asamblat dup ce mufa din bronz cu beriliu (2) a fost lrgit,Fig.2.142(b) iar inelul din AMF Ni-Ti, aflat n stare austenitic, este introdus fortat pestemuf, Fig.2.142(d). Dac inelul nu este rcit pentru a se nmuia si a fi lrgit de muf,Fig.2.142(e), fisa nu poate fi introdus. n felul acesta se realizeaz conectarea electric,

fr fort de apsare. n timpul nclzirii cuplajului pn la temperatura camerei, fisa estestrns de muf care primeste forta de la inel, Fig.2.142(f), pe ntreaga ei suprafat.Pentru a mri cursa de strngere, evitnd curgerea austenitei, inelele active se fac dinAMF Ni-Ti-Cu.

Principalul dezavantaj al conectorilor electrici tip CRYOCON este precizia foarteridicat care se impune diametrului fisei pentru a asigura forta de strngere, n conditiilen care nsusi materialul fisei este deformat elastic si trebuie evitat suprasolicitareaelementului activ din AMF, care poate provoca deteriorarea memoriei termice si


35/76

reducerea rezistentei la oboseal. Pentru a mri flexibilitatea sistemului de contact, aufost dezvoltate cuplajele CRYOTACT ale cror form si functionare sunt descrise nFig.2.143.

Datorit prtii de compensare, (1) n Fig.2.143(a), o parte din energia de strngerea ramei (2), din AMF Ni-Ti, este disipat. Din acest motiv fisa care se introduce n zonade contact poate avea o precizie dimensional mult mai redus fat de cuplajeleCRYOCON. Introducnd n acelasi ansamblu cte dou rnduri de cte 12 cuplajeCRYOTACT, s-a obtinut un pachet dublu n linie (dual in-line package = DIP), care afost conceput initial pentru aplicatii militare, cum ar fi sistemele de control al rachetelor,care sunt supuse la mari forte de inertie. Fig.2.143(b) descrie modul de functionare alconectorilor electrici, ntre cele dou stri ale elementelor active din AMF: austenita simartensita. Curbele celor 2 faze sunt similare cu cele prezentate n Fig.2.94. n absentaoricrei constrngeri exterioare, n urma transformrii martensitice inverse, AMF sufer

EMF cu revenire liber, efectund o deplasare ntre punctele A si B. Dac se introduce unelement elastic de restabilire, deplasarea cuplajului se va face pe calea de operare AB1,deoarece, pe msur ce cuplajul ncearc s se deschid, forta dezvoltat de elementul derestabilire creste. Cum recuperarea formei calde este mpiedicat de o fort cresctoare,cursa conectorului (egal cu proiectia pe abscis a lui AB1) este mai mic dect larevenirea liber.

Atunci cnd n cuplaj se introduce o fis, ca n cazul conectorului CRYOCON, npunctul C2 elementul de restabilire ia contact cu un element mult mai rigid, astfel nct


36/76

deplasarea acestui tip de cuplaj se efectueaz pe calea AC2B2. Se observ c s-a obtinuto curs mult mai scurt. n cazul conectorului CRYOTACT, datorit portiunii decompensare, strngerea este mai flexibil iar cursa dezvoltat, AC3B3, este mai maredect la CRYOCON (deoarece proiectia pe abscis a lui AC3B3 este mai mare dectproiectia lui AC2B2).

La conectorii electrici tip CRYOCON si CRYOTACT, elementul din AMF estefolosit pentru a realiza contactul electric n stare austenitic.Exist si alte tipuri de conectori, cum ar fi BETAFLEX, la care contactul electric

se realizeaz cu elementul din AMF aflat n stare martensitic.nclzirea acestui element este fructificat pentru a deforma un resort,

nmagazinnd energie n acesta si deschiznd conectorul. La rcirea elementului dinAMF care are, n mod evident, Ms > Tamb, energia nmagazinat n resort renchideconectorul.

Tot n cadrul conectorilor electric dar de tip permanent, pot fi ncadrate si rameleconductoare din AMF Cu-Zn-Si-Sn, utilizate la asamblarea circuitelor integrate.Principiul constructiv-functional al uneia dintre aceste metodele de asamblare este ilustrat

n Fig.2.144.

Din band de AMF Cu-Zn-Si-Sn s-au fabricat, prin stampare si corodarefotochimic, ramele cu forma din Fig.2.144(a). Aripioarele centrale au fost ncovoiate la900, prin introducerea unui dorn, ceea ce corespunde unei deformatii de 7 % a fibreiexteriore. Apoi ramele au fost nclzite la 8300C si clite n ap. Dup clire, ramele aufost mai nti ndreptate si apoi aliniate deasupra unui chip, n pozitia reprezentat culinie ntrerupt n Fig.2.144(b). nclzind tot ansamblul la 2000C, aripioarele s-au ndoitintrnd n contact cu un aliaj de lipit. Dup rcire, aliajul de lipit se solidific retinndaripioarele n aceast pozitie.



37/76


C10. Materiale inteligente. Aplicatiile materialelor cu memoria formei

2.6.2.3 Dispozitive de fixareLa dispozitivele de fixare, materialele cu memoria formei se folosesc sub formde inele ce lucreaz n domeniul austenitic si care permit obtinerea unor asamblripermanente, nedemontabile. La nclzire, inelele sufer EMF cu revenire retinut si nu-simai modific forma la rcire.

Sistemele de fixare pe baz de AMF au urmtoarele avantaje:- controlul tensiunii de strngere (max. 400 MPa) prin deformatia de contact (max. 1,5%);- tolerante mai mari ale pieselor conjugate ce pot compensa abateri dimensionale maimari dect alte sisteme de fixare;- presiune radial uniform;

- temperatur sczut de instalare;- instalare usoar (ce poate fi automatizat);- temperaturi variate de functionare (-65300)C.

n plus, aceste inele pot fi instalate ntr-o pozitie foarte precis localizat, fixndanumite elemente (rulmenti, roti dintate, etc.) ntr-un loc prestabilit de-a lungul unui axsau arbore.

Prin marcarea inelului cu o vopsea termocromatic, se poate urmri dacnclzirea pentru instalarea lui s-a efectuat pn la temperatura corespunztoare.

Primele aplicatii ale dispozitivelor de fixare pe baz de materiale cu memoriaformei au fost inelele din Cu-Zn-Al-Mn, cu histerezis termic mrit prin preconditionare(mrirea temperaturii As n urma mbtrnirii n stare austenitic), utilizate la fixarea

mpletiturii de ecranare, din cupru cositorit, pe capetele mufelor adaptoare. Ulterioraceste inele s-au confectionat din srm de AMF Ni-Ti-Nb sudat, ceea ce a permisrenuntarea la preconditionare, temperatura de lucru lrgindu-se, ntre -65 si 150C.

Fixarea acestor inele se realizeaz printr-o simpl nclzire, cu ajutorul uneirezistente electrice.

Alte aplicatii ale materialelor cu memoria formei, ca dispozitive de fixare, suntinelele cu diverse sectiuni transversale, utilizate n domenii specifice cum ar fi: fixareaproiectilelor, sigilarea ermetic, prencrcarea rulmentilor, etc.

A. Inelul de fixare a ncrcturii proiectilelor este schematizat n Fig.2.145.

Pozitionarea ncrcturii explozive (4) se realizeaz prin intermediul inelului dinaluminiu (3) introdus n interiorul proiectilului. Inelul din AMF (2) fixeaz definitivinelul din aluminiu, controlnd forta de pretensionare axial a ncrcturii.


38/76

B. Inelul de fixare a sigiliilor ermetice este schematizat n Fig.2.146.Inelul din AMF (2) se monteaz peste recipientul pe care trebuie s-l etanseze (1).

Prin nclzirea inelului, acesta se strnge, deformnd plastic recipientul peste baza deprindere (3). Aceast tehnic de ermetizare se utilizeaz cu succes la etansarea de naltcalitate a giroscoapelor, a rachetelor, a detonatoarelor, etc.

n celelalte situatii larg rspndite, etansrile uzuale nu se fac prin sisteme defixare din materiale cu memoria formei din cauza costurilor prea ridicate.

2.6.2.4 Utilizarea revenirii retinute la aplicatii spatialeMulte dintre sistemele de control, sigiliile, ncuietorile, cuplajele si actuatorii

utilizati n tehnologiile spatiale, precum si satelitii nsisi (fie ei comercial, stiintifici saumilitari) se preteaz la utilizarea materialelor cu memoria formei.


39/76

Aplicatiile spatiale ale AMF au avantajul instalrii rapide n spatiul cosmic, undeeforturile si timpii de instalare trebuie s fie minime. n acest sens, NASA a dezvoltat oserie de sisteme de legare, bazate pe AMF, care usureaz cuplarea tubulaturii n spatiulcosmic. Aceste sisteme sunt de tip bil-soclu de retinere, de tip piedic pentru cuplareaconductelor coaxiale sau de tip zvor mecanic pentru cuplarea conductelor

perpendiculare.O aplicatie deosebit de performant si de eficace o reprezint scuturile auto-desfsurabile care asigur protectia satelitilor si a laboratoarelor spatiale geostationare,mpotriva asteroizilor si a meteorilor naturali sau artificiali (proveniti din resturilerachetelor purttoare, folosite la nceputurile astronauticii). Schema constructiv a unuiscut spatial, ilustrat n Fig.2.147(a), prezint plci (1) prinse prin intermediul unor barede torsiune din AMF (2) care, atunci cnd sunt activate termic, comand ridicareaansamblului.

ntre forma de depozitare (a) si cea complet desfsurat (c) un scut auto-ridicatorsi poate mri volumul de pn la 72 de ori, n cazul geometriilor paralelipipedice cumeste cea din Fig.2.147(a) si chiar de mai multe ori n cazul geometriilor circulare. nFig.2.147(b) si (c) sunt prezentate dou variante de cuplaje, ale conductelor din material

compozit, n spatiul cosmic. Un astfel de cuplaj se poate realiza n mod operativ prinnfsurarea unei srme sau prin montarea unei bucse din material cu memoria formei,care sunt ulterior nclzite. Aplicatiile spatiale ale materialelor cu memoria formei includsi amortizoarele de vibratii.


40/76

2.6.3 Aplicatii cu generare de lucru mecanicAcest tip de aplicatii se bazeaz pe EMF generator de lucru mecanic si este

fructificat n constructia dispozitivelor de actionare (actuatori), a senzorilor si amotoarelor termice. n functie de modul n care este furnizat energia care se transformn lucru mecanic, actuatorii pot fi termici sau electrici.

2.6.3.1 Actuatori termici cu memoria formeiAcest tip de aplicatii transform energia termic n energie mecanic.

Configuratia cea mai des utilizata, de actuator termic cu memoria formei, este cea deresort elicoidal. Actuatorii termici cu memoria formei pot fi utilizati n dou scopuri: (i)detectarea unei anumite temperaturi (cnd joac rol de senzori) sau (ii) efectuarea delucru mecanic atunci cnd ating o anumit temperatur. Energia termic, necesardeclansrii actuatorilor este transmis elementului cu memoria formei prin convectie(natural sau fortat, prin conductie termic sau chiar prin radiatie.

Principalii contracandidati ai actuatorilor termici cu memoria formei suntbimetalele termostatice si actuatorii cu parafin. Curbele deplasare-temperatur ale

acestor trei tipuri de actuatori sunt ilustrate n Fig.2.148

Termostatele bimetalice, produse de peste un secol, sunt materiale compoziteobtinute prin laminarea simultan a 2 materiale metalice (de obicei Fe-Ni, Mn-Cu-Ni sauotel inoxidabil) cu coeficienti net diferiti de dilatare termic. La variatia temperaturii,termostatele bimetalice clasice sufer o ncovoiere, deplasarea captului liber (relativredus) variind liniar cu temperatura, n intervalul termic uzual situat ntre -20 si 200C.

Atunci cnd se foloseste otel inoxidabil, limita superioar este de 600C. n afaraacestui interval variatia deplasare-temperatur este neliniar. n urma pretensionriibimetalelor care au anumite forme, (discuri profilate, bare cu configuratii speciale, etc.)se poate obtine o declansare brusc, de tipul celei reprezentate cu linie ntrerupt n Fig.2.148(a). Cursa util a termostatelor bimetalice cu declansare brusc are o valoare relativredus (sub 1 mm), intervalul termic de functionare este de -30350C iar histerezisullor termic se ncadreaz ntre 6 si 250C. Termostatele bimetalice pot fi utilizate att caactuatori termici ct si ca dispozitive de protectie la supranclzire a circuitelor electrice


41/76

si si gsesc cea mai bun fructificare n aplicatiile care necesit caracteristic liniar sauefectuarea de lucru mecanic n timpul rcirii.

Actuatorii cu parafin sunt mici containere cu pistoane mobile. La nclzire,parafina se topeste, procesul fiind nsotit de o nsemnat crestere de volum care

deplaseaz pistonul. La rcire are loc transformarea invers, cu un histerezis termic de 2-50C ns este necesar prezenta unui resort de restabilire (care consum cca. 30 % dinforta actuatorului) pentru readucerea pistonului n pozitia initial. n functie de tipul sicompozitia parafinei, deplasarea poate neproportional sau proportional cu temperatura,n ultimul caz proportionalitatea existnd pe un interval termic care poate fi redus (cca.150C) sau lrgit (aprox. 150C). n Fig.2.148(b) este ilustrat curba deplasare-temperatur a unui actuator proportional cu interval termic redus. Intervalul termic defunctionare a actuatorilor cu parafin este - 40180C, cursa maxim este deaproximativ 25 mm iar forta dezvoltat de 300 N. Cele mei reusite aplicatii aleactuatorilor cu parafin sunt termostatele auto din sistemul de rcire cu ap sau uleiprecum si supapele din sistemele de nclzire central.

n comparatie cu actuatorii bimetalici sau cu cei cu parafin, actuatorii cumemoria formei, a cror curb tipic deplasare-temperatur este ilustrat n Fig.2.148(c),au urmtoarele avantaje:a n raport cu bimetalele termostatice: dezvolt forte mai mari si curse (de pn la 200ori) mai mari precum si deplasri mai variate (n comparatie cu ncovoierea);b n raport cu actuatorii cu parafin: timpii de reactie sunt mai redusi si formaconstructiv este mult mai simpl;c au o capacitate mult mai ridicat de nmagazinare a energiei pe unitatea de volum: (6-25)106 J/m3.

Pe lng forma de resort elicoidal, actuatorii termici cu memoria formei pot fi:arcuri spirale; srme; lamele; bare de torsiune, ncovoiere sau compresiune, etc.

Date post:	17-Oct-2015
Category:	Documents
Upload:	gheorghita-melinte
View:	208 times
Download:	4 times

Biomimetica Sistemului Locomotor

Documents