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40 anales de mecánica y electricidad / noviembre-diciembre 2003
Materiales y estructuras
inteligentes
El campo tecnológico de los denominados materiales inteligentes ha evolucionado rápi- damente en los últimos años aunque desde los años 50 se llevan empleando materiales y conceptos que podrían denominarse como inteligentes. Los fundamentos físicos en los que se basa el funcionamiento de estos ma- teriales se conoce desde el siglo XIX en la mayor parte de los casos. La terminología que rodea este campo es la mayor parte de las veces confusa, dispersa y poco precisa. De hecho, se suelen emplear los términos materiales inteligentes, materiales activos o materiales adaptativos indistinta- mente. En el presente artículo se ha preferido la denominación de materiales inteligentes y en la medida de lo posible será la empleada. Existen diversas definiciones de material inteligente entre las cuales la mas establecida y aceptada define un material inteligente como aquel material que responde ante un estímulo exterior cambiando sus propiedades o incluso su forma. Sin embargo, según esta definición
todos los materiales se comportan así, luego ¿son todos los materiales inteligentes? Ni mu- cho menos, aunque la mayor par te de los materiales se expanden cuando son calenta- dos, algunos se vuelven mas dúctiles e incluso otros pueden conver tirse en conductores eléctricos, lo que hace inteligente a un mate- rial es que cambios como los anteriormente descritos ocurran por diseño. Es decir, que éste cambio de propiedades persiga el cum- plimiento de una funcionalidad para la cual el sistema fue diseñado. Así pues una definición más precisa podría ser la siguiente: un mate- rial inteligente es un sistema de ingeniería hecho por el hombre que mimetiza la habilidad de la naturaleza para reaccionar ante estímulos exteriores. En cualquier caso la definición rigurosa de material inteligente implica multitud de difi- cultades. Para muchos investigadores los ma- teriales inteligentes no dejan de ser simples materiales que producen una respuesta pro- porcional a un estímulo exterior, pero que incluyen principios de adaptación y realimenta- ción. En cambio otros autores establecen una
Materiales inteligentes I/II.
Introducción a los materiales del siglo XXI
Materiales inteligentes I/II.
Introducción a los materiales del siglo XXI
En la última década se ha experimentado un gran avance en el campo de los mate-
riales inteligentes asociado fundamentalmente a la madurez tecnológica alcanzada
en su desarrollo. Los materiales inteligentes han conseguido precios competitivos y
elevadas prestacione, lo cual ha fomentado el desarrollo de estructuras inteligentes
capaces de cambiar la concepción de la ingeniería. En este artículo se hace una breve
presentación de los principios físicos en los que se basan la mayor parte de los
considerados materiales inteligentes.
Oscar López García Doctor Ingeniero Industrial. Profesor del Departamento de Fluidos y Calor e Investigador en el Instituto de Inves- tigación Tecnológica de la ETSI-ICAI. Sus campos de conocimiento son la mecánica del medio continuo, sistemas de energía eólica, mecánica de la frac- tura y fatiga, materiales inteligentes y el método de los elementos finitos.
Alberto Carnicero López Doctor Ingeniero Industrial del ICAI prom. 1995. Profesor del Departa- mento de Ingeniería Mecánica e Inves- tigador en el Instituto de Investigación Tecnológica de la ETSI-ICAI. Sus cam- pos de conocimiento están relaciona- dos con la aplicación de métodos nu- méricos a la resolución de problemas de dinámica de estructuras y mecáni- ca de medios continuos, así como el modelado de materiales inteligentes para su empleo en actuadores o sen- sores.
Rosa Ruiz Pablos Licenciada en Ciencias Físicas por la Universidad de Salamanca (Especiali- dad Fundamental). Ha trabajado en proyectos de investigación en las áreas de energía atómica, física nuclear, física del estado sólido e ingeniería de ma- teriale. Actualmente investiga en el Instituto de Investigación tecnológica de la ETSI-ICAI (Análisis y diseño en Ingeniería).
importante distinción entre materiales activos e inteligentes, en el sentido en el que los ma- teriales realmente inteligentes se les debería exigir características como la de ser capaces de tomar decisiones o incluso autorepararse a ellos mismos. Los materiales inteligentes y sobre todo las estructuras inteligentes son sistemas comple- jos que contienen tanto componentes activos como pasivos. La respuesta del sistema nor- malmente es una combinación de las caracte- rísticas de los componentes activos y pasivos. La cuestión de si el sistema debe considerarse como un material o una estructura inteligente es a menudo una cuestión de escala. Desde este punto de vista, las estructuras inteligentes pretenden imitar el compor tamiento de la naturaleza. Al igual que en el caso de nuestros sentidos: vista, oído, olfato, gusto y tacto se han desarrollado análogamente sensores: ópticos, acústico-ultrasónicos, eléctricos, quí- micos y térmico-magnéticos. La respuesta de estos sensores es convertida en señales eléc- tricas y se transmite al centro de proceso de la información o unidad de control, cerebro. El papel desempeñado por la unidad de con- trol es la toma de decisiones en función de las señales de entrada detectadas por los sensores para posteriormente enviar las se- ñales oportunas a los actuadores, músculos, para responder de acuerdo a la estrategia programada en la unidad de control (Figura 1). Actualmente las estructuras inteligentes carecen de una unidad de control en si misma como tal y las decisiones que se toman no dejan de ser simples en su esencia. Para dotar a la propia estructura de la capacidad de toma de decisiones es necesario embeber dentro de la propia estructura la unidad de control y de proceso de la información junto con los sensores y actuadores. Con el advenimiento de la tecnología MEMS (Sistemas Micro-Eléc- trico-Mecánicos) este tipo de desarrollo parece encontrarse en el umbral de la madurez tecnológica. El lector interesado puede en- contrar mas información sobre materiales y estructuras inteligentes en referencias gene- rales como [11].
Clasificación de los materiales
inteligentes
Existen diversas formas de clasificar los materiales inteligentes. En este artículo se ha elegido una clasificación basada en el funda- mento físico. Así pues, los materiales inteligentes mas empleados se pueden clasificar de acuerdo a los siguientes características:
piezoelectricidad, magnetoestricción, aleacio- nes de memoria de forma, fluidos reológicos, fibra óptica y sistemas microelectromecánicos entre otros muchos. A continuación, se des- cribirán brevemente las propiedades y funda- mentos de estos materiales.
Piezoelectricidad El efecto piezoeléctrico se basa en que ante un proceso de deformación en el material se induce una polarización eléctrica que crea una diferencia de potencial eléctrico (efecto piezoeléctrico directo). El efecto también existe en el sentido contrario. Es decir, ante la presencia de un campo eléctrico exterior el material se deforma y lo hace proporcional- mente al valor del campo eléctrico (efecto piezoeléctrico inverso). En la Figura 2 se muestra esquemáticamente el efecto piezoe- léctrico. El efecto piezoeléctrico es conocido desde hace más de un siglo. Originalmente fue descubierto en una sal de Rochelle por los hermanos Jacques y Pierre Curie alrededor del año 1880. Los materiales que poseen ca- rácter piezoeléctrico de forma natural son las
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Figura 1. Estructura inteligente
Cerebro
Sentidos Músculos
Estructura inteligente (^) Control
Sensor Actuador
Figura 2. Efecto piezoeléctrico
Piezoeléctrico Voltajenulo Piezoeléctrico^ Voltaje
sónares, acelerómetros e incluso en sistemas de supresión de ruido entre otras diversas aplicaciones. Algunas de las limitaciones que presentan los materiales piezocerámicos son envejecimiento O 3 decaimiento con el tiem- po de algunas de sus propiedades, fragilidad e histéresis a campos elevados.
Magnetoestricción
El efecto magnetoestrictivo se basa en que en el material ante la presencia de un campo magnético exterior se induce una deforma- ción. Igualmente que el caso de la piezoelec- tricidad estos materiales también experi- mentan el efecto inverso, es decir, ante una deformación del material se induce un campo magnético. En general la mayor parte de los materiales magnetoestrictivos presenta magnetoestricción positiva, es decir, ante un campo magnético se alargan, sin embargo materiales como el níquel ante el mismo campo se contraen. El fenómeno de la magnetoestricción fue descubierto por Joule en 1842 [7]. Joule ob- servó que bajo un campo magnético débil en la dirección del eje de una barra de hierro ésta experimentaba un incremento de su longitud, ver Figura 4. Otros efectos magne- toestrictivos implican acoplamientos en las tres direcciones del espacio y naturaleza anisótropa de la magnetoestricción. En 1972 Clark et. al descubrieron que materiales basa- dos en tierras raras a los cuales se les añadía hierro experimentaban grandes desplaza- mientos magnetoestrictivos a temperatura ambiente. Sin embargo estos materiales presentaban una elevada anisotropía lo cual hacia difícil su utilización en aplicaciones prác- ticas. Para reducir esta anisotropía se sintetizó una aleación a par tir de compuestos con elevada magnetoestricción como eran el TbFe 2 y DyFe 2. Finalmente el compuesto que presentaba las mejores propiedades fue una aleación de hierro, terbio y disprosio, y tenía la siguiente composición Tb (^) x Dy (^) 1-x Fe (^2) 0,25<x<0,3. Se la denominó Terfenol, cuyo nombre proviene de TER,Terbio, FE hierro, y NOL de Naval Ordinance Laborator y, el laboratorio donde fue desarrollada inicial- mente y es el material magnetoestrictivo comercialmente mas establecido. Etrema Products comercializa Terfenol-D en diversas formas y tamaños [5]. Los actuadores magnetoestrictivos se em- plean en la industria aeroespacial para activar superficies sustentadoras en alas de aviones, control de vibraciones en palas de helicópteros.
También han sido empleados como elemen- tos detectores de corrosión en tuberías así como en el amortiguamiento de vibraciones de estructuras espaciales. En la referencia [1] se puede encontrar mas información sobre los fundamentos físicos, modelos y aplicaciones de la magnetoestricción. Entre las limitaciones más importantes que presentan cabe desta- car su elevada nolinealidad y la necesidad de aplicar elevados campos magnéticos para inducir desplazamientos apreciables del orden de milímetros.
Aleaciones de memoria de forma (SMA) Las aleaciones de memoria de forma son capaces de recordar su tamaño y forma origi- nales después de haber sufrido un proceso de deformación siendo incluso capaces de volver a dicha configuración inicial a una temperatura determinada. Esta característica denominada efecto de memoria de forma fue por primera vez observada en 1932 en componentes de cadmio-oro y en 1938 en aleaciones de co- bre-zinc. Fue en 1962, y nuevamente en el Naval Ordinance Laboratory donde se en- contraron aleaciones de Níquel-Titanio que presentaban este fenómeno de manera signi- ficativa. Estas aleaciones denominadas común- mente Nitinol, NI de Níquel, TI de titanio y NOL de Naval Ordinance Laboratory, son las que comercialmente se encuentran mas ex- tendidas. Una empresa que comercializa Nitinol es Nitinol Devices and Components [2]. El fundamento físico de su funcionamiento se basa en que la aleación presenta diferentes estructuras a escala atómica a baja y altas temperaturas. El Nitinol se caracteriza por- que sufre una transformación de fase a una determinada temperatura. Durante esta transformación la estructura de la aleación cambia de austenita a martensita. Esta trans-
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Figura 4. Efecto magnetoestrictivo
Magnetoestrictivo (^) Magnetoestrictivo
Intensidad Corriente eléctrica nula
Campo magnético
formación va acompañada directamente de un cambio de volumen y forma del compo- nente. Además, si el material ha sido apropia- damente diseñado la transformación puede ser completamente reversible y reproducible. Aunque la transformación es extremada- mente rápida la frecuencia del sistema está li- mitada por las constantes de tiempo asociada al proceso térmico. Sin embargo si la aleación de forma es usada en forma de cables delga- dos los tiempos de respuesta pueden ser mejorados. Dado que la aleación de forma tiene una elevada conductividad eléctrica y los cables presentan pequeña sección trans- versal permiten que la disipación eléctrica se emplee para calentar la aleación y producir la transformación de fase al hacer pasar una co- rriente eléctrica. En la Figura 5 se muestra el proceso de en- friamiento, deformación y calentamiento de una aleación de memoria de forma para re- cuperar su forma inicial. En (a) se muestra la estructura del cristal original, según se produ-
ce el enfriamiento la austenita se va transfor- mado en martensita hasta alcanzar la tempe- ratura M (^) f en la que toda la austenita se ha convertido en martensita (b). A temperaturas inferiores a M (^) f se pueden producir procesos de deformación (c) y (d) de forma que ca- lentando se va convir tiendo mar tensita en austenita de manera que una vez alcanzada la temperatura en la cual se ha convertido toda la martensita en austenita, Af, el material recu- pera su forma inicial. Las aleaciones de memoria de forma se han empleado como cables activos para es- tructuras, monturas de gafas o mecanismos de despliegue de satélites entre otras muchas aplicaciones. Su uso puede encontrar algunas limitaciones ya que presentan anchos de ban- da bajos e histéresis.
Fluidos reológicos Son fluidos cuyas propiedades cambian ante la presencia de un campo eléctrico o magnético exterior. Los fluidos reológicos son líquidos inertes que portan partículas en sus- pensión. Estas par tículas tienen un tamaño del orden 5 mm y son habitualmente aceites de silicona o minerales. Existen dos tipos de fluidos reológicos que pueden considerarse materiales activos. Se trata de los fluidos electroreológicos y los magnetoreológicos. Ambos se basan en el mismo principio y solo se diferencian en que son sensibles a diferentes estímulos exterio- res. Mientras que un fluido electroreológico cambia sus propiedades ante un campo eléc- trico exterior, el magnetoreológico lo hace ante un campo magnético. Esta propiedad es consecuencia de la formación de estructuras dentro del fluido como respuesta a los estí- mulos exteriores. A bajos esfuerzos esta for- mación de estructuras, realmente agregados de partículas sólidas, domina el flujo del fluido y puede llegar a evitar la creación del mismo. En la Figura 6 se muestra el efecto de la presencia de un campo magnético sobre el campo de velocidades de un fluido magneto- reológico. Cuando no existe campo exterior los flui- dos reológicos pueden considerarse fluidos newtonianos. En esta condición se compor- tan como un fluido normal, es decir, ante una velocidad de deformación de deslizamiento oponen un esfuerzo viscoso y este esfuerzo es proporcional a la velocidad de deformación a través de la viscosidad del fluido. Cuando se aplica un campo exterior, las partículas en suspensión forman cadenas en la dirección
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Figura 5. Funcionamiento básico de una aleación de forma
Enfriamiento Derformación Calentamiento
Temperatura > Mf Temperatura < M (^) f Temperatura > Af
(a) (b) (c) (d) (e)
Figura 6. Fluido magnetoreológico
Campo magnético
Campo de velocidades
multimodal. Este cambio de fase es la base de la medida de la deformación porque pro- porciona una medida de la separación entre las fibras y por tanto de la deformación.
- Redes de Bragg.^ En el núcleo de una fibra se crea una variación periódica del índice de refracción mediante la realización de una se- rie de marcas en forma de lineas paralelas en una pequeña longitud. Este enrejado permite el paso de ciertas longitudes de onda y en cambio refleja otras. Cuando la luz se en- cuentra con una de las redes de Bragg la longitud de onda proporcional a la separa- ción de la red de Bragg es reflejada, de manera que en el espectro de la luz transmitida fal- tará esa componente y en cambio en el es- pectro de la luz reflejada aparecera un pico asociado a esa longitud de onda. Cuando la fibra óptica con redes de Bragg se embebe en un elemento estructural la deformación producirá una variación del espaciado de la red por lo que longitud de onda reflejada también cambiará. Esta variación es la que se emplea para medir la deformación. En la referencia [10] puede encontrarse una excelente revisión de los tipos de senso- res basados en fibra óptica y su aplicación a las estructuras inteligentes.
Sistemas microelectromecánicos (MEMS) Un sistema microelectromecánico es una tecnología que combina ordenadores con elementos mecánicos, sensores y actuadores embebidos en chips semiconductores. MEMS son pequeños instrumentos hechos mediante micromecanizado y otros procesos desarrollados para realizar circuitos integrados. Básicamente son mecanismos que contienen microcircuitos sobre un pequeño chip en el que se han aña- dido sistemas mecánicos. Su desarrollo como actuadores se ve frenado por su elevado coste
y solo en campos como la automoción y la biomedicina se han logrado introducir. El mayor uso que se les ha dado ha sido como sensores en general y en particular como sen- sores químicos, acelerómetros en airbags, frenos antibloqueo, medidores de presión san- guínea, sensores de detección de gas, etc. Para mayor información sobre MEMS [8].
Comparación de propiedades En la Tabla 1 se muestra diversas propieda- des de tres materiales con carácter piezoe- léctrico, el material magnetoestrictivo mas empleado,Terfenol-D y la aleación de forma mas empleada, Nitinol. Se muestran diversas variables relativas a sus propiedades mecánicas y su eficacia en la conversión energética, así como entre otras características su coste.
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[1] Edited by Gran Engdahl. Handbook of Giant Mag- netostrictive Materials.Academic Press, 2000. [2] Nitinol Devices and Components. Nitinol manu- facturer. http://www.nitinol. com/Default.htm. [3] Morgan Electroceramics. Piezoceramic manufacturer. http://www. morganelectroceramics.com/index.html. [4] R. Fletcher. Force transduction materials for hu- man-technology interfaces. IBM Systems Journal, 35(3 and 4):630 638, 1996. [5] Etrema Products Inc. Magnetostrictive manufactu- rer. http://www. etrema-usa.com. [6] Technology Catalysts International. Electrorheological manufacturer. http:// www.technology-catalysts.com/. [7] J.P. Joule. Philosophical Magazine, 30:76, 1847. [8] G. Paula. Mems sensors branch out. Mechanical En- gineering, pages 64 68, 1996. [9] Rheonetic. Magnetorheological manufacturer. http://www.rheonetic.com. [10] A. Selvarajan and A. Asundi. Photonics, fiber optic sensor and their application in smart structures. Journal of Non-Destructive Evaluation, 15(2), 1995. [11] A.V. Srinivasan and D. Michael McFarland. Smart Structures. Analysis and Design. Cambridge Uni- versity Press, 2001.
Referencias
Propiedad PMN PLZT PVDF Terfenol-D Nitinol Máxima deformación (x10-6^ ) 600 3000 200 1800 70000 Máximo esfuerzo ( MPa ) 72 180 1 90 190 Densidad ( Kg/m 3 ) 7500 7500 1780 9250 6450 Módulo elástico ( Gpa ) 120 60 3 40 78 Eficiencia ( % ) 75 ¿? 2 40 > Ancho de banda ( Hz ) 1000 ¿? 1000 100 3 Densidad energética ( KJ/m 3 ) 22 ¿? 1 19 > Mecanismo de fractura Frágil Frágil Dúctil Frágil Dúctil Densidad de coste ( $/cm 3 ) 800 200 15 400 2 Madurez tecnológica Comercial Comercial Comercial Comercial Comercial
Tabla 1. Comparación de propiedades entre diversos materiales inteligentes [4]
