Tesis sobre Materiales Inorgánicos No Metálicos
Materiales inorgánicos no metálicos inteligentes
Resumen El entorno en el que se encuentran los materiales estructurales localizar es extremadamente complejo y los daños materiales provocan accidentes. Los peligros de la contaminación ambiental aumentan día a día, y es una tarea muy importante y urgente investigar y desarrollar materiales estructurales que puedan autodiagnosticar los daños y tener capacidades de autocuración. Este artículo revisa el desarrollo y la conceptualización de materiales inteligentes, materiales inteligentes inorgánicos no metálicos y las perspectivas de futuras investigaciones sobre materiales inteligentes.
Palabras clave inteligencia; no metales inorgánicos; materiales
Los materiales inteligentes son materiales nuevos que tienen la capacidad de sentir y responder al entorno y tienen la capacidad de descubrir funciones. El profesor Toshiyuki Takagi de Japón se expandió hacia la ingeniería civil.
Al mismo tiempo, el profesor R.E. Newnham de Estados Unidos propuso el concepto de materiales inteligentes, también conocidos como materiales sensibles, centrándose en las funciones de detección y ejecución de los materiales. Dividió los materiales inteligentes en tres categorías:
Materiales inteligentes pasivos: materiales que solo pueden responder a cambios en el mundo exterior;
Materiales inteligentes activos, que no solo pueden reconocer cambios en el mundo exterior; mundo exterior, Materiales que también pueden responder a cambios en el entorno induciendo bucles de retroalimentación a través de líneas de ejecución.
Materiales inteligentes activos: materiales que no solo pueden reconocer cambios en el mundo exterior, sino que también inducen bucles de retroalimentación mediante la ejecución de circuitos para responder a los cambios en el entorno.
Los materiales inteligentes de R.E. Newnham y el concepto de material inteligente de Takagi Toshiyuki**** son la respuesta de los materiales al medio ambiente.
Desde 1989, la comunidad de materiales de Japón, Estados Unidos, Europa Occidental y otros países de todo el mundo ha comenzado a estudiar materiales inteligentes. Los científicos están estudiando cómo integrar las funciones biónicas necesarias en los materiales para llevar los materiales y sistemas a un nivel superior y convertirlos en nuevos materiales con funciones de autodetección, autojuicio, autocierre, autocontrol y ejecución. Las estructuras inteligentes a menudo combinan sensores de alta tecnología o componentes sensibles con materiales estructurales tradicionales y materiales funcionales para darles a los materiales nuevas propiedades, haciendo que los materiales inanimados sean "sensivos" y "sensibles" y capaces de adaptarse a los cambios en el entorno. , pero también puedes resolverlos tú mismo. No sólo puedes encontrar problemas, sino que también puedes resolverlos tú mismo.
Dado que el rendimiento de los materiales y sistemas inteligentes puede cambiar con los cambios en el entorno, sus perspectivas de aplicación son muy amplias [7]. Por ejemplo, después de introducir sistemas inteligentes en las alas de los aviones, pueden cambiar su forma en respuesta a la presión del aire y la velocidad de vuelo después de entrar al espacio, instalar un sistema de absorción de impactos en una estructura inteligente puede compensar la ingravidez y prevenir la fatiga del metal; pueden cambiar su forma cambiando la forma para eliminar la turbulencia, lo que hace que el ruido del flujo sea difícil de medir y fácil de ocultar. Los materiales estructurales metálicos inteligentes pueden detectar daños por sí solos e inhibir la expansión de las grietas, y tienen funciones de autorreparación para garantizar la confiabilidad de la estructura; ; la confiabilidad de las estructuras de los automóviles de alta tecnología; el automóvil utiliza una serie de sistemas inteligentes, como sensores de oxígeno en el aire y combustible y sensores piezoeléctricos de gotas de lluvia, para agregar funcionalidad. Otros dispositivos inteligentes de purificación de agua pueden detectar y eliminar contaminantes nocivos; las ventanas inteligentes electrocrómicas pueden responder a los cambios en el clima y la actividad humana, ajustando el flujo de calor y la iluminación; los baños inteligentes pueden analizar muestras de orina para un diagnóstico temprano de medicamentos; niveles de azúcar mediante la liberación de insulina para mantener los niveles de azúcar en sangre en niveles normales.
La tendencia de la investigación y el desarrollo de materiales inteligentes extranjeros es: desarrollar materiales inteligentes y realizar la inteligencia de los sistemas y estructuras de materiales. Esta es la frontera internacional del desarrollo actual de las disciplinas de ingeniería y traerá una revolución al desarrollo de materiales y estructuras de ingeniería. Las ciudades extranjeras están imaginando cómo utilizar materiales inteligentes para construir pisos, puentes y edificios que puedan responder con sensibilidad a los cambios ambientales. Es un proceso sistemático e integral que requiere la introducción de nuevas características y funcionalidades en las estructuras existentes.
Los científicos estadounidenses están buscando formas de dotar a puentes, alas y otras estructuras clave de sus propios "sistemas nerviosos", "músculos" y "cerebros" para que puedan sentir lo que está a punto de suceder y, por tanto, lo que está sucediendo. a punto de suceder y resuélvalo usted mismo. Por ejemplo, alertar a los pilotos antes de que un avión funcione mal o reparar automáticamente las grietas en un puente. Uno de sus enfoques es incrustar pequeños materiales de fibra óptica dentro de materiales compuestos de alto rendimiento. Debido a que los materiales compuestos están cubiertos de fibras ópticas entrecruzadas, pueden sentir diferentes presiones en el ala como "nervios". En casos extremos, las fibras ópticas se rompen y la transmisión de luz se interrumpe, lo que avisa de un accidente inminente. .
2. ¿Qué es la alarma "está por ocurrir un accidente"?
1. El concepto de materiales inteligentes [8]
Una nueva idea es a menudo una síntesis de diferentes ideas y conceptos. El concepto de diseño de materiales inteligentes está relacionado con los siguientes factores: (1) La historia del desarrollo de materiales, materiales estructurales → materiales funcionales → materiales inteligentes. (2) La influencia de las computadoras con inteligencia artificial, es decir, los modelos futuros de computadoras biológicas, computadoras de aprendizaje y computadoras de reconocimiento tridimensional, han planteado nuevos requisitos para los materiales. (3) Considere la fabricación de materiales inteligentes desde la perspectiva del diseño de materiales. (4) Introducir funciones de software en los materiales. (5) Expectativas de materiales. (6) Transferencia de energía. (7) La perspectiva de que los materiales tengan una línea de tiempo, como la función de predicción de la vida, la función de autocuración e incluso las funciones de autoaprendizaje, autoproliferación y autopurificación, porque la línea de tiempo del estímulo externo puede generar en consecuencia una respuesta dinámica positiva. autocambio, es decir, funciones de imitación de organismos vivos. Por ejemplo, los huesos artificiales inteligentes no sólo son compatibles con los organismos vivos, sino que también pueden descomponerse y eventualmente desaparecer según el crecimiento y la curación de los huesos biológicos.
1.1 Biomímesis y materiales inteligentes
El rendimiento de los materiales inteligentes es función de la composición, estructura, morfología y entorno, y responde al medio ambiente. Desde animales y plantas hasta humanos, la mayor característica de los organismos vivos es su adaptación al medio ambiente. Las células son la base de los organismos vivos y pueden considerarse materiales de fusión con tres funciones principales: detección, procesamiento y conducción. Por lo tanto, las células pueden utilizarse como modelo para materiales inteligentes.
La transición de sustancias simples a sustancias complejas se puede estudiar mediante modelización. Los problemas complejos de biomateriales se pueden resolver mediante el modelado para crear materiales biomiméticos inteligentes. Por ejemplo, los materiales poliméricos son materiales sintéticos diseñados artificialmente. Los investigadores tomaron prestada la estructura macromolecular de la seda natural y luego sintetizaron nailon más resistente. Actualmente, se han creado materiales inteligentes en varios niveles, desde ultramicro hasta macro, basándose en la simulación de proteínas con funciones de recepción de información y proteínas con funciones de ejecución.
1.2 Diseño de materiales inteligentes
Los materiales inteligentes se pueden obtener combinando materiales existentes e introduciendo una variedad de funciones, especialmente funciones de software. Con el rápido desarrollo de la ciencia de la información, los autómatas (Automaton) no sólo se utilizan en máquinas artificiales como robots y computadoras, sino también en máquinas biológicas con reflejos condicionados.
Cuando un autómata ingresa una señal (información), puede generar una señal de salida (información) basada en señales de entrada (información) pasadas. La información de entrada pasada se almacena en el sistema como estado interno. Por tanto, un dispositivo de automatización consta de tres partes: entrada, estado interno y salida. Piense en los materiales inteligentes como dispositivos automáticos y el concepto es similar.
El autómata M se puede describir mediante los siguientes seis parámetros:
M = (θ, X, Y, f, g, θ0)
Entre ellos , θ es el conjunto de estados internos; X e Y representan el conjunto de información de entrada y salida respectivamente; f representa el coeficiente de conversión de estado. Según la información de entrada, el estado interno actual se transformará en el siguiente estado interno; que cambia al estado interno en el próximo momento; θ representa el coeficiente de salida que el estado interno actual cambia al estado interno en el próximo momento debido a la información de entrada; θ es el coeficiente de salida de la información de salida; colocar.
Para hacer que el material sea inteligente, se pueden controlar su estado interno θ, el coeficiente de conversión de estado f y el coeficiente de salida g. Por ejemplo, para la cerámica, la relación entre θ, f y g es la relación entre la estructura, composición y función del material. Estos parámetros deben considerarse al diseñar materiales. Si desea mejorar la funcionalidad de la cerámica para que sea inteligente, necesita controlar f y g.
Las cerámicas comunes son agregados policristalinos compuestos de granos diminutos, y sus propiedades generalmente se controlan añadiendo trazas de un segundo componente. Tanto las propiedades globales como las de contorno de micrograno de este segundo componente influyen en las propiedades finales del material.
De hecho, cuando los iones del segundo componente se introducen en el sistema, su energía libre (G=H-TS) cambiará para minimizar la energía libre (G) del material. Es necesario controlar la entalpía (H) para que la entropía (S) alcance el valor más adecuado. La entropía está relacionada con la distribución de los aditivos, por lo que el control funcional de las cerámicas se puede lograr optimizando la entropía. La entropía está regulada por la entalpía del propio material. Por lo tanto, para que la cerámica sea altamente funcional y, por tanto, inteligente, los materiales deben estar en estados de no equilibrio, cuasi equilibrio y metaestable.
Para los materiales inteligentes, los conceptos de material e información tienen la misma naturaleza. La cantidad de información promedio Φ de un determinado símbolo L está relacionada con la cantidad de información logP del estado accidental P, es decir,
Esta fórmula es similar a la entropía en termodinámica, pero con el signo opuesto, por lo que se llama entropía negativa (negcntropía). Porque la entropía es una medida de desorden, mientras que la negentropía es una medida de orden.
1.3 Métodos para crear materiales inteligentes
Basado en el hecho de que los materiales inteligentes tienen funciones de detección, procesamiento y actuación, la creación de materiales inteligentes es en realidad introducir estas funciones de software en los materiales (información) . Esto es similar a la unidad de procesamiento de información del cuerpo humano, la fuente nerviosa, que puede integrar varias funciones (Figura 1 (a)) e integrar varias funciones de software en diferentes niveles estructurales, desde unos pocos nanómetros hasta decenas de nanómetros de espesor (Figura 1 (b). ) )) para hacer que los materiales sean inteligentes. En este punto, las propiedades del material no sólo están relacionadas con su composición, estructura y morfología, sino que también son función del entorno. La investigación y el desarrollo de materiales inteligentes involucran materiales y sistemas inteligentes a base de metal, cerámica, polímeros, biotecnología y otros.
2. Materiales inorgánicos no metálicos inteligentes
Hay muchos materiales inorgánicos no metálicos inteligentes. A continuación se muestran algunos materiales inorgánicos no metálicos inteligentes típicos.
2.1 Cerámica inteligente
2.1.1 Cerámica templada de circonio
Generalmente existen tres tipos de cristales de circonio:
Entre ellos, t - La transformación de fase de ZrO2 en m-ZrO2 tiene las características de transformación martensítica, y la transformación de fase va acompañada de una expansión de volumen del 3% al 5%. Las cerámicas de ZrO2 sin estabilizadores desarrollarán grietas graves debido a los cambios de fase que se producen al enfriarse a temperaturas de sinterización. La solución es añadir Ca, Mg, Y y otros óxidos metálicos con radios iónicos más pequeños que el Zr.
Los cambios de fase del circonio se pueden dividir en cambios de fase durante el enfriamiento de la sinterización y cambios de fase durante el uso. Desde la perspectiva de las causas del cambio de fase, el primero es causado por la temperatura y el segundo por el estrés. Los resultados de ambos cambios de fase pueden endurecer la cerámica. Los principales mecanismos de endurecimiento incluyen endurecimiento por cambio de fase, endurecimiento por microfisuras, endurecimiento superficial, flexión de fisuras y endurecimiento por flexión [9].
Cuando el tamaño del grano de ZrO2 es relativamente grande y el contenido de estabilizador es pequeño, los granos de t-ZrO2 en la cerámica sufrirán un cambio de fase durante el enfriamiento a temperatura ambiente después de la cocción, y el cambio de fase va acompañado La expansión del volumen crea tensiones de compresión dentro de la cerámica y la formación de microfisuras en determinadas zonas. Cuando la grieta principal se expande en dicho material, por un lado, la expansión de la grieta se ve obstaculizada por la tensión de compresión mencionada anteriormente, al mismo tiempo, debido a la extensión de la microgrieta original, la grieta principal se bloquea y; Se gira y se absorbe la energía de la expansión de la grieta, mejorando la resistencia y dureza del material. Este es el endurecimiento por microfisuras.
Debido a la alta temperatura de transición de fase del ZrO2, no es factible diseñar materiales inteligentes con la ayuda de cambios de temperatura. Se debe estudiar el endurecimiento por cambio de fase inducido por tensión, y sí se debe estudiar el endurecimiento por cambio de fase inducido por tensión. uno de los principales métodos de cerámica endurecida con ZrO2. El mecanismo de endurecimiento más importante.
Cuando se enfrían a temperatura ambiente después de la cocción, los granos de t-ZrO2 del material mantienen la morfología de fase tetragonal. Cuando el material se somete a tensiones externas, se produce una transformación de fase inducida por tensión, convirtiendo la fase t. en la fase m. Porque la transformación de fase de los granos de ZrO2 puede absorber energía y evitar que las grietas sigan expandiéndose, mejorando así la resistencia y tenacidad del material. La composición del material donde se produce el cambio de fase es generalmente desigual. Debido a los cambios en la estructura cristalina, propiedades como la conductividad térmica y la conductividad eléctrica cambian en consecuencia. Este cambio es una señal de que el material se ve afectado por tensiones externas, realizándose así. -diagnóstico del material.
Para grietas y grietas en materiales de circonio, después del tratamiento térmico a 300°C durante 50 horas, debido a la expansión del volumen durante la transición de la fase t a la fase m, los espacios de la grieta se llenan y se pueden volver a llenar. -Puenteado para conseguir la autorreparación del material.
La resistencia a la fatiga y la tasa de expansión de los materiales durante su uso se pueden observar in situ a través de cambios en el tamaño del material, la velocidad de propagación de las ondas sonoras, la conductividad térmica y la conductividad eléctrica.
2.1.2 Cerámica Inteligente
Las cerámicas inteligentes son materiales inteligentes que pueden detectar cambios en el entorno y responder en consecuencia a través de sistemas de retroalimentación. Se puede utilizar algo de titanato de circonato de plomo (PZT) multicapa para fabricar el cabezal de vídeo del sistema de posicionamiento y seguimiento automático, y los japoneses utilizaron bloques cerámicos piezoeléctricos PZT para fabricar la máquina de juego Pachinko.
El principio del sistema de seguimiento y posicionamiento automático del cabezal de video es: en la pieza dobladora de doble voladizo cerámico PZT, se divide en una parte de detección de posición y una parte de posicionamiento de conducción mediante la colocación de electrodos. La parte de detección de posición, es decir, el sensor, agrega el voltaje obtenido en el electrodo de detección al electrodo de posicionamiento a través del sistema de retroalimentación, doblando así el laminado y siguiendo la pista magnética en la cinta de video, consulte la Figura 2.
Las consolas de juegos Pachinko también utilizan un principio similar.
Se pueden utilizar pieles inteligentes hechas de cerámica inteligente para reducir el ruido y prevenir turbulencias cuando los aviones y sumergibles se mueven a altas velocidades para aumentar la velocidad de operación y reducir la radiación infrarroja para lograr propósitos sigilosos.
Basándonos en los principios anteriores, es totalmente posible obtener materiales muy inteligentes. Dichos materiales son capaces de detectar múltiples cambios en el entorno y ajustar uno o más parámetros de rendimiento del material en el tiempo y el espacio para lograr una respuesta óptima. Por lo tanto, la detección, la actuación y la retroalimentación son funciones clave de los materiales inteligentes.
2.1.3 Cerámica biónica piezoeléctrica
La biónica de materiales es una de las direcciones del desarrollo de materiales. Investigadores japoneses están estudiando las aletas caudales de ballenas y delfines y las alas de las aves, con la esperanza de desarrollar materiales que sean tan suaves, plegables y fuertes como las aletas caudales y las alas de los pájaros.
La figura 3 muestra un sensor de tensión de flexión que simula el movimiento de una burbuja nadando de un pez. En el sensor se encuentra una pequeña cámara de aire entre dos electrodos metálicos, mientras que la cerámica piezoeléctrica PZT actúa como cubierta para el músculo de la vejiga natatoria. La cámara de aire tiene forma de luna creciente, de ahí el nombre de complejo "Moonie". Este dispositivo acústico piezoeléctrico bajo el agua utiliza electrodos con formas especiales para aumentar la constante de tensión piezoeléctrica dh a un valor máximo cambiando la dirección de la tensión. Cuando el electrodo de metal grueso se somete a la presión hidrostática generada por la onda sonora, parte de la tensión longitudinal se convierte en tensión radial y tangencial con signos opuestos, de modo que la constante de deformación piezoeléctrica d3l cambia de un valor negativo a un valor positivo, que se superpone a d33, haciendo que el valor de dh aumente. El valor de dh?gh de este compuesto es 250 veces mayor que el del material PZT puro.
Los elementos actuadores diseñados y desarrollados utilizando compuestos de fibra PZT y compuestos tipo "Moonie" eliminan el flujo constante inducido por ondas sonoras.
2.2 Materiales cementosos inteligentes
En la sociedad moderna, el cemento se utiliza ampliamente como material de construcción básico y los materiales cementosos inteligentes tienen buenas perspectivas de aplicación.
Los materiales cementosos inteligentes incluyen: materiales cementosos con autodetección de tensiones, deformaciones y daños [10-12]; materiales cementosos con automedición de la temperatura [13]; Materiales gelificantes biónicos autocurativos [15, 16] y materiales gelificantes biónicos autohematopoyéticos [17], etc.
Después de mezclar fibras de carbono picadas de una determinada forma, tamaño y cantidad en el material cementoso, el cambio en la resistencia del material corresponde al cambio en su estructura interna. Por lo tanto, el material puede monitorear las condiciones internas del material en tensión, flexión, compresión y bajo cargas estáticas y dinámicas. Agregar un 0,5 % (en volumen) de fibra de carbono a la lechada de cemento sirve como sensor y su sensibilidad es mucho mayor que la de las galgas extensométricas de resistencia ordinarias.
Cuando un trozo de fibra de carbono picada a base de PAN se mezcla con un mortero de cemento, el material crea un efecto termoeléctrico. Este material puede monitorear los cambios de temperatura dentro del edificio y el entorno circundante en tiempo real. Según el efecto termoeléctrico del material, la energía solar y la diferencia de temperatura interior y exterior también se pueden utilizar para alimentar el edificio. Si además se fabrica el material para que tenga el efecto inverso del efecto Seebeck, el efecto Peltier, entonces será posible producir materiales con funciones de refrigeración y calefacción.
La incorporación de materiales porosos a la lechada de cemento y la utilización de la relación entre la higroscopicidad y la temperatura de los materiales porosos pueden hacer que el material se humedezca.
Actualmente, algunos científicos están desarrollando un hormigón autocurativo. Prevé enterrar una gran cantidad de fibras huecas en el hormigón. Cuando aparecen grietas en el hormigón, las fibras huecas preinstaladas con "agente reparador de grietas" se agrietarán, liberando el agente reparador adhesivo para unir firmemente las grietas y evitar que el hormigón se desintegre. agrietamiento. Se trata de un material pasivo inteligente, lo que significa que no hay sensores incrustados en el material para monitorear las grietas, ni chips electrónicos incrustados en el material para "guiar" la unión de las grietas. Siguiendo el mismo principio, Estados Unidos está intentando preparar un material de gel biónico basado en la estructura y el mecanismo de formación de los huesos de los animales. Si el material se daña durante el uso, las fibras orgánicas porosas liberan polímeros para reparar el daño.
Científicos estadounidenses están trabajando en un material inteligente activo que puede reforzar automáticamente los puentes cuando surgen problemas. La forma en que lo diseñaron fue que si había un problema con una parte del puente, otra parte del puente se reforzaría para compensar. La idea es técnicamente viable. Con el desarrollo de la tecnología informática, es posible fabricar sensores de señales, chips microelectrónicos y ordenadores muy pequeños, y enterrar estos sensores y chips microelectrónicos en materiales de puente. Los materiales para puentes pueden estar compuestos de una variedad de materiales sorprendentes, como los materiales con memoria de forma. Después de que el sensor incrustado en el material del puente reciba una señal de que hay un problema con una parte del material, la computadora emitirá instrucciones para hacer que el pequeño líquido previamente enterrado en el material del puente se convierta en un sólido y se refuerce automáticamente.
3. Conclusión
En la actualidad, los materiales inteligentes aún se encuentran en etapa de investigación y desarrollo, y su desarrollo está estrechamente relacionado con los efectos sociales. Los accidentes de aviones y los daños a estructuras como edificios importantes han inspirado la investigación sobre aviones inteligentes y estructuras de materiales con funciones de autoadvertencia y autorreparación. Al desarrollar la inteligencia del material mismo para satisfacer las expectativas de las personas sobre materiales, sistemas y estructuras, la estructura del material es a la vez "rígida" y "flexible" para adaptarse a los cambios en el entorno. En futuras investigaciones se debería centrar la atención en los siguientes aspectos.
(1) Cómo utilizar los logros de la tecnología de la información en rápido desarrollo para introducir funciones de software en materiales, sistemas y estructuras.
(2) Fortalecer aún más la investigación teórica exploratoria y los mecanismos inteligentes compuestos de materiales; Investigar y acelerar el desarrollo de la ciencia de materiales inteligentes;
(3) Fortalecer la investigación básica aplicada.