Lezione 2: Materiali funzionali

Question 1

Definizione di materiali funzionali, smart materials.

Answer 1

Materiali intelligenti o adattivi che modificano le loro proprietà auto-adeguandosi alla situazione in cui vengono usati, in maniera ripetibile e reversibile. Reagiscono a stimoli di tipo chimico o fisico. Se il cambio avviene una volta sola si chiamano semi-smart materials.

Question 2

Quali sono i due obiettivi dello sviluppo ed applicazione di smart materials?

Answer 2

Reagire intelligentemente a condizioni esterne e/o esibire funzioni smart proprie.

Question 3

In che modo gli smart materials possono cambiare la progettazione odierna?

Answer 3

Due possibilità, anche coesistenti:

• avere meno componenti a formare l’oggetto, cambiandone la forma
• differente user experience, perchè possono cambiare il modo di attivazione, l’effetto, la modalità di controllo.

Question 4

In quali settori è attualmente applicata progettualmente la presenza di smart materials?

Answer 4

Automotive, moda, attrezzatura sportiva.

Question 5

Illustra il processo di funzionamento di uno smart material.

Answer 5

Il materiale riceve un input, uno stimolo, che può essere:
-luce
-temperatura
-pressione
-campo magnetico o elettrico
Dando effetto ad un fenomeno di transizione
Si avrà quindi un output, una risposta, che può essere di diverso tipo (variazione in colore/lunghezza/viscosità etc).

Question 6

Cosa si intende per transitorietà?

Answer 6

Il materiale ha diverse possibili fasi e cambia tra queste.

Question 7

Cosa si intende per attuazione automatica?

Answer 7

Il comportamento è interno al materiale: si comporta sia come sensore sia come attuatore.

Question 8

Cosa si intende per directness?

Answer 8

La risposta del materiale è locale: avviene solo dove e quando l’input è applicato.

Question 9

Cosa si intende per selettività?

Answer 9

La/le transizione/i che avvengono sono prevedibili e ripetibili.

Question 10

Cosa si intende per immediacy?

Answer 10

La transizione avviene subito all’applicazione dell’input e finisce quando viene rimosso.

Question 11

Cosa si intende per tempo di attivazione?

Answer 11

Tempo necessario perchè avvenga l’effetto da quanto l’input è applicato.

Question 12

Cosa si intende per tempo di rilassamento?

Answer 12

Tempo impiegato dal materiale per tornare allo stato iniziale.

Question 13

Cosa si intende per cambio reversibile?

Answer 13

Il materiale torna allo stato iniziale dopo il cambiamento

Question 14

Cosa si intende per cambio irreversibile?

Answer 14

Il materiale rimane allo stato modificato per sempre.

Question 15

Cosa si intende per cambiamento singolo?

Answer 15

Il materiale ha due stati tra cui cambia ad un preciso valore dell’input.

Question 16

Cosa si intende per cambiamento multiplo?

Answer 16

Cambiamento multipli avvengono nel materiale a precisi valori dell’input.

Question 17

Cosa si intende per cambiamento continuo?

Answer 17

Il cambiamento tra due valori di input è graduale.

Question 18

Cosa si intende per cambiamento bi-direzionale?

Answer 18

Input e output possono essere scambiati.

Question 19

Cosa sono le leghe a memoria di forma SMA?

Answer 19

Leghe con una particolare struttura cristallina che permette di memorizzare una forma e riprenderla se riscaldate. Elastiche e resistono bene alla corrosione. La più nota è il Nitinol. Impieghi: campo biomedicale, connessioni in circuiti idraulici, aerei, sensori e/o attuatori in pannelli solari etc.

• Recupero libero: riacquista forma liberamente
• Recupero vincolato: recupero geometricamente impedito
• Recupero proporzionale: illuminotecnica
• Attuatore: molle che azionano un dispositivo
• Superelasticità: occhialeria, ambito medico

Question 20

Cosa sono i polimeri a memoria di forma?

Answer 20

Polimeri dalle stesse caratteristiche delle SMA, di recente sviluppo. Sono principalmente impiegate nell’ambito biomedicale. Sono ottenuti dalla combinazione di polimeri e specifici processi di trasformazione. Rispetto alle leghe metalliche hanno come vantaggio la biodegradabilità, una bassa densità e ottima resistenza alla corrosione.

Question 21

Cosa sono i materiali piezoelettrici? (Input, output, fenomeno di transizione)

Answer 21

Materiali che possono trasformare deformazioni meccaniche e cariazioni di temperatura in impulsi elettrici. Possono operare come:

• attuatori: subiscono una deformazione quando viene applicato un campo elettrico
• sensori: producono un voltaggio quando viene applicata una sollecitazione meccanica

Question 22

Definisci i materiali: piezomagnetici, fotomeccanici, magnetostrittivi, elettrostrittivi.

Answer 22

Piezomagnetici: deformazione in risposta a campo magnetico e opposto
Fotomeccanici: deformazione in risposta a stimolo luminoso
Magnetostrittivi: deformazione in risposta a campo magnetico
Elettrostrittivi: deformazione in risposta a stimolo elettrico

Question 23

Definisci i materiali: fotocromici, termocromici, meccanocromici, elettrocromici, chemocromici.

Answer 23

Fotocromici: cambio di colore in risposta a stimolo luminoso (mainly UV)
Termocromici: cambio di colore in risposta a cambio temperatura
Meccanocromici: cambio di colore in risposta a deformazione
Elettrocromici: cambio di colore in risposta a campo elettrico
Chemocromici: cambio di colore in risposta a cambiamento chimico

Question 24

Descrivi materiali fotocromici

Answer 24

Cambiano reversibilmente il colore quando esposti a cambiamenti di intensità luminosa, prevalentemente UV. Questo cambiamento è dovuto ad alcune sostanze chimiche poste tra 2 strati ad assorbimento energetico differente.

Question 25

Descrivi materiali termocromici

Answer 25

Attuano un cambiamento cromatico al variare della temperatura. Questo cambiamento sempre reversibile avviene per reazione chimica o transizione di fasi.
Si suddividono in
-Cristalli liquidi: composti chimici il cui comportamento meccanico ricorda sia solidi sia liquidi. Quando la T corrisponde a quella di reazione avviene una variazione cromatica dovuta alla rifrazione. Relativamente costosi, impiegabili tra -20 e 100°C
-Leuco coloranti: precursori di tinta e un rilevatore di colore dispersi in un solvente organico. DIsponibili tra range -5 e 60°C. Influenzati negativamente da raggi UV, T elevate, solventi aggressivi.
Entrambi i tipi vengono microincapsulati. C’è la possibilità di usarli in stampaggio ad iniezione.

Question 26

Descrivi materiali elettrocromici

Answer 26

Grazie a un piccolo impulso di tensione, modificano in modo persistente e reversibile le proprietà di trasparenza.La variazione è da totale trasparenza ad assorbimento parziale o totale. Sono composti da diversi strati. Schermano le radiazioni UV. 
Dispositivo PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystal): le particelle di cristalli liquidi vengono incapsulate in ordine sparso in matrice polimerica. Vengono inserite tra due elettrodi trasparenti di poliestere rivestito da ossido di indio. Siccome sono orientate casualmente, il materiale assume colorazione lattea. Quando viene applicato voltaggio, le molecole vengono orientate in direzione del campo elettrico, per cui la luce incidente viene rifratta dalla superficie, diventando trasparente.

Question 27

Definisci i materiali: fotoluminescenti, elettroluminescenti, chemoluminescenti, meccanoluminescenti.

Answer 27

Fotoluminescenti: output luminoso dopo esposizione a fonte luminosa
Elettroluminescenti: output luminoso in risposta a campo elettrico
Chemoluminescenti: output luminoso in risposta a cambio chimico
Meccanoluminescenti: output luminoso in risposta a deformazione meccanica

Question 28

Descrivi il fenomeno della luminescenza.

Answer 28

Tutte le forme di emissione di luce da parte di materiali sono chiamate luminescenza. Un sistema che emette luce è però un sistema che sta perdendo energia. Affinché il fenomeno avvenga, è necessario che una sorgente esterna fornisca al sistema una quantità di energia sufficiente a innescare l’emissione luminosa. Le molecole del materiale stimolato vanno a occupare un livello energetico più alto e parte di questa energia assorbita viene riemessa come radiazione elettromagnetica visibile, senza che si verifichi una simultanea emissione di calore.

Question 29

Descrivi materiali fotoluminescenti

Answer 29

All’interno della categoria distinguiamo due tipologie:

• Fluorescenti: producono una luminosità visibile o invisibile come conseguenza di una luce incidente a minore lunghezza d’onda (raggi UV). L’effetto cessa quasi istantaneamente alla rimozione della sorgente. I pigmenti fluorescenti alla luce del giorno sono bianchi o trasparenti. Impieghi: lotta contraffazione
• Fosforescenti: producono luce quando le loro molecole vengono eccitate dalla radiazione luminosa. Però il ritorno dallo stato di eccitamento a quello normale è accompagnato da una ritardata emissione di luce , quindi l’effetto luminoso dura nel tempo. Impieghi: segnaletica sicurezza, inchiostri, ottenimento di scarsa luce in situazioni di buio/emergenza.

Question 30

Descrivi materiali elettroluminescenti

Answer 30

L’elettroluminscenza è un fenomeno ottico secondo il quale le molecole emettono luce per effetto degli elettroni in un campo elettrico senza contemporanea perdita di calore. In molti casi vengono utilizzati come sorgenti di luce. Possiamo citare i LED, gli OLED, i LEC e le pellicole elettropilotate. Estremamente sottili (da 0,2 a 0,5 mm) e flessibili. Le differenze tra LED (e OLED) e le pellicole elettroluminescenti:

• LED: bassi voltaggi, si accendono velocemente e sono molto luminosi; da spenti possono essere trasparenti, a specchio o neri
• Pellicole: hanno una luminosità inferiore e sono sempre opachi e giallastri.
• LEC (light emitting capacitor): pannelli che trasformano tutte le superfici in fonti di luce di grande impatto visivo; producono luce da una sorgente luminosa uniforme senza molteplici punti di luce.
• OLED: Organic Light Emitting Diode ovvero diodo organico ad missione di luce. Tecnologia che permette di ealizzare superfici con la capacità di emettere luce propria anche a colori. Non richiedono componenti aggiuntivi per essere illuminati, ma producono luce propria

Question 31

Definisci i materiali: phase change materials, termoelettrici, magnetotermici

Answer 31

Phase change: rallenta il cambiamento di temperatura assorbendo o rilasciando energia
Termoelettrici: reagisce con output elettrico al cambio di temperatura e viceversa
Magnetotermici: cambiamento di temperatura in risposta a campo magnetico

Question 32

Descrivi phase change materials

Answer 32

In risposta a un dato stimolo, che nel loro caso è una variazione di temperatura, reagiscono subendo una transizione di fase. I processi di cambiamento di fase riguardano l’assorbimento, l’immagazzinamento o il rilascio di una grande quantità di energia sotto forma di calore latente. Siccome un cambiamento di fase avviene ad una precisa temperatura, si può prevedere il punto cui l’energia viene assorbita o rilasciata.
Il comportamento di questi materiali può essere sintetizzato in due fasi:
-Fase di carico: all’aumentare della T si scaldano. Raggiunta la soglia di fusione accumulano calore in modo endotermico
-Fase di scarico: al decrescere della T riemettono il calore accumulato fino a scaricarsi completamente.

Question 33

Definisci i materiali: shear thickening, magnetoreologici, elettroreologici

Answer 33

Shear thickening: cambio di viscosità in risposta a deformazione
Magnetoreologici: cambio di viscosità in risposta a campo magnetico
Elettroreologici: cambio di viscosità in risposta a campo elettrico

Question 34

Descrivi materiali shear thickening/hardening

Answer 34

In condizioni normali, le molecole del fluido hanno un legame debole e si muovono con facilità, il materiale è dunque flessibile. Un impatto provoca un rafforzamento dei legami chimici tale da bloccare le molecole.

Question 35

Descrivi materiali self-healing

Answer 35

Necessità di limitare i danni dei polimeri con funzione strutturale. Il vantaggio è ottenere strutture più longeve e sicure, con minore manutenzione. Le tre tipologie studiate sono:
- con agente riparante liquido incorporato nelle fibre di vetro o microincapsulato
- con fase solida attivata termicamente
- riparazione da corpo balistico
Limitazioni: costi dei materiali e riduzione delle proprietà del materiale precursore