Tecnologia dei materiali a memoria di forma

I materiali a memoria di forma rappresentano una classe di materiali metallici dalle inusuali proprietà meccaniche. In particolare la loro caratteristica principale è quella di essere in grado di recuperare una forma macroscopica preimpostata per effetto del semplice cambiamento della temperatura o dello stato di sollecitazione applicato.

CENNI STORICI
La prima scoperta del fenomeno “shape memory” risale al 1932 grazie agli studi di Chang e Read: essi notarono la reversibilità della trasformazione nella lega AuCd tramite osservazioni metallografiche e variazioni nella resistività.
Solo nel 1962 l’effetto fu scoperto nella lega NiTi ad opera di Buehler, e fu da allora che iniziò la ricerca vera e propria sulla metallurgia e le applicazioni pratiche di questa classe di materiali.
Successivamente furono analizzate molte altre leghe che presentassero le proprietà “shape memory” ma tra tutte, le più interessanti ed utili dal punto di vista applicativo si sono rivelate quelle del gruppo NiTi e le leghe del Cu.
titanio
reme
nikel

CARATTERISTICHE MATERIALI MEMORIA DI FORMA
Questi materiali rappresentano una classe di materiali metallici dalle inusuali proprietà meccaniche. In particolare la loro caratteristica principale è quella di essere in grado di recuperare una forma macroscopica preimpostata per effetto del semplice cambiamento della temperatura o dello stato di sollecitazione applicato.
Inoltre è presente una trasformazione di fase a stato solido che prende il nome di trasformazione martensitica termoelastica. Tra le numerose proprietà di questa trasformazione una appare particolarmente utile ed è quella legata alla particolare struttura cristallina della fase ultima (detta appunto martensite). Essa consiste in una fitta disposizione di piani cristallini specularmene disposti l’uno rispetto all’altro e dotati di un’elevatissima mobilità relativa.
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Un ulteriore interessante proprietà delle trasformazioni martensitiche termoelastiche è legata alla possibilità di far avvenire la trasformazione non solo variando la temperatura ma anche mediante l’applicazione di un opportuno stato di sollecitazione in condizioni adeguate di temperatura.
Nel corso della deformazione imposta il materiale forma progressivamente la struttura martensitica e questa istantaneamente si deforma permettendo di nuovo di accomodare grandi deformazioni senza danneggiare in maniera permanente la struttura cristallografica del materiale.
Tale procedura viene condotta in un intervallo di temperature in cui la martensite formatasi non potrebbe esistere nel momento in cui la forza esterna viene rimossa, essa si trova in una condizione di instabilità termodinamica e tende a ritrasformarsi istantaneamente promuovendo un immediato recupero di forma prescindendo quindi dalla fase di riscaldamento.
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Quello che succede fenomenologicamente è che il materiale recupera immediatamente la forma iniziale dando l’impressione di una notevole elasticità. A tale proprietà si dà il nome di superelasticità in quanto l’effetto complessivo è quello di un materiale che accetta notevoli deformazioni ed immediatamente recupera la sua forma iniziale. Questa proprietà dei materiali a memoria di forma ha trovato diverse applicazioni anche grazie alla maggiore semplicità di impiego che prescinde dalla necessità di riscaldare e/o raffreddare il materiale.
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LEGHE Ni-Ti
Le più importanti e diffuse tra le leghe a memoria di forma sono senz’altro quelle che contengono il composto binario intermetallico NiTi, a cui è possibile addizionare molti elementi in lega al fine di modificare le proprietà comportamentali del sistema, a seconda degli scopi previsti. Altri elementi usati comunemente sono: ferro e cromo per abbassare la T di trasformazione.
La classica stechiometria delle leghe NiTi prevede circa uguale quantità di Ni e Ti: tale lega è nota come “NITINOL” e possiede ottime proprietà sia di memoria di forma che di superelasticità.
Tale composto possiede inoltre le caratteristiche tali da poter essere attivato elettricamente per effetto Joule: ovvero quando una corrente elettrica lo attraversa, si genera sufficiente calore da indurre la trasformazione di fase.
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COME VENGONO LAVORATI I MATERIALI Ni-Ti
I materiali NiTi vengono sottoposti a lavorazioni a caldo (forgiatura, laminazione a caldo, ecc.) seguite da una serie di trattamenti a freddo e, successivamente, ancora a caldo (ciclo termico) variabili a seconda degli scopi che si vogliono perseguire: miglioramento della deformabilità della fase martensitica, maggior resistenza della fase austenitica, grado di superelasticità, conferimento e recupero di una forma (parziale o totale), meccanismo di memoria di forma a due vie, proprietà delle superfici. Molto spesso è necessario conferire una forma particolare ai pezzi in NiTi. In pratica si forza il pezzo in uno stampo della forma desiderata e si procede con il trattamento termico. In generale sono sufficienti temperature di circa 400°C e pochi minuti per impostare una forma; si procede con un raffreddamento rapido tramite tempra in acqua o in aria.
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PROGETTO ESEGUITO CON LEGHE Ni-Ti
Proposta: realizzazione di frangisole a movimento termico, cioè capaci di cambiare orientamento a seconda della temperatura assorbita. Lo schema tecnologico è molto intuitivo e ed estremamente efficace: si compone di un telaio metallico su cui sono fissate due molle in lega di Ni-Ti, la molla A e la molla B (vedere figura). La molla superiore (A) subirà una trasformazine martensitica termoelastica mentre la molla inferiore (B) si trova nell’intervallo di temperatura in cui acquista la proprietà di superelasticità. Alle due molle è fissato un frangisole che è libero di muoversi per mezzo di una cerniera (vedi figura).
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PRIMA FASE
Ci troviamo ad una temperatura inferiore ai 40 gradi. La molla A si trova al di sotto della sua temperatura di recupero di forma e viene deformata dalla molla B che, trovandosi nella condizione di superelasticità, mantiene la forma stabilita dallo stampo di fabbricazione. La situazione (vedi figura) è che il frangisole assume una posizione orizzontale, la molla che garantisce questa configurazione è la B.
SECONDA FASE
Arriviamo ora a 40 gradi. La molla A subisce la trasformazione martensitica e comincia il recupero della forma stabilita nella fase di fabbricazione. Facendo ciò incomincia ad esercitare una forza sulla molla B che, essendo di sezione minore, comincia lentamente a deformarsi trovandosi nella fase austenitica. La situazione (vedi figura) è che il frangisole assume una posizione inclinata con un angolo che decideremo in funzione della posizione geografica dell’allestimento. Tutto verrà realizzato semplicemente modificando lo stampo della molla A.
RITORNO
Con il riabbassarsi della temperatura la molla A perde di nuovo la sua forma sotto l’influsso della spinta della molla B. Il frangisole ritorna nella posizione orizzontale.
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STUDI E PROPOSTE SULL’UTILIZZO DEI MATERIALI A MEMORIA DI FORMA
PROGETTO NANOTECH
Il progetto NAIMO prevede bottiglie “intelligenti” che avvertono il consumatore sul loro contenuto, abiti con chip che monitorano la salute, schermi flessibili per apparecchi informatici, che si arrotolano e stanno in una borsa.
Naimo ha l’obiettivo di sviluppare materiali organici intelligenti e processi di fabbricazione accuratissimi, ma al tempo stesso semplici, economici e a basso impatto ambientale;questo studio verte alla realizzazione di dispositivi elettronici ed opto-elettronici, circuiti, memorie e nuovi materiali nanostrutturati funzionali.
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I TRASPORTI DEL FUTURO
Nell’era dell’informazione, le tecnologie che trasformano la nostra esistenza non sono la tecnica dei razzi e l’astronautica, ma i microcircuiti e i software: le attività spaziali recitano solo una parte secondaria. Il volo spaziale muterà nel prossimo secolo, ma la tecnologia è già abbastanza avanzata da permetterci di fare supposizioni su dove si arriverà entro il 2100. Per i veicoli spaziali sono stati proposti svariati sistemi di propulsione, cinque dei quali – nucleare, solare, laser, con acceleratori a vela solare e a presa dinamica – rappresentano grandi promesse tecnologiche.
Nello spazio la propulsione solare sarà vincente perché permette di spingersi tanto lontano, per velocità, efficienza ed economia, quanto è consentito dalle leggi della fisica. Quelli solari sono motori economici e universali, adatti al trasporto di carichi in tutto il sistema solare (anche se presentano dei limiti). Questa flessibilità non significa che gli altri sistemi di propulsione non saranno necessari. Per lanciare veicoli nello spazio avremo ancora bisogno di propulsori chimici o razzi ad alta spinta più efficienti.15
MEDICINA
La terapia genica costituirà la rivoluzione del futuro, giacché l’introduzione di geni selezionati nella cellula del paziente potrebbe curare o alleviare la stragrande maggioranza delle malattie, comprese molte di quelle che finora hanno resistito a ogni tipo di trattamento.
La ricerca vuole introdurre i geni correttivi dentro cellule danneggiate, i ricercatori hanno sviluppato diversi metodi per il trasporto del materiale genetico. Per il prossimo decennio è probabile che l’introduzione di geni selezionati sia realizzato soltanto su cellule somatiche, che rappresentano tutti i tipi cellulari eccettuati gli spermatozoi, le cellule uovo e i loro precursori; l’alterazione genetica delle cellule somatiche interessa soltanto il paziente soggetto al trattamento.13
ENERGIA SOLARE
Le proiezioni indicano che per il 2025 la domanda mondiale di combustibile e di elettricità aumenterà notevolmente.
Una tecnologia solare più sofisticata e più diffusa avrà un impatto benefico rendendo meno gravosi i problemi dell’inquinamento atmosferico e del cambiamento climatico globale. Le tecnologie solari potrebbero consentire ai paesi in via di sviluppo di saltare una generazione di infrastrutture e di acquisire direttamente una risorsa che non contribuisca al riscaldamento globale o che non provochi in altro modo compromissioni ambientali.
I paesi sviluppati, dal canto loro, potrebbero trarre vantaggi dall’esportazione di queste tecnologie. Le tecnologie solari avanzate necessiteranno di aree meno estese di terreno rispetto alle coltivazioni di biomassa: la fotosintesi cattura normalmente meno dell’1% della luce solare disponibile, ma le moderne tecnologie solari sono in grado, almeno in laboratorio, di raggiungere efficienze del 20-30%. Con efficienze simili, un paese come gli Stati Uniti potrebbe soddisfare la sua attuale domanda energetica dedicando alla raccolta di energia solare meno del 2% della sua superficie.16

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