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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Proprietà della materia

1. UNITA’ DI MISURA
L’unità di misura è una quantità prestabilita di una grandezza fisica definita e adottata per convenzione o per legge e utilizzata come termine di riferimento per la misura di grandezze della stessa specie. Ogni altro valore di una grandezza fisica può essere espresso tramite multipli o sottomultipli della sua unità di misura.
Il sistema internazionale di unità, indicato con la sigla “SI”, è il sistema di unità di misura da impiegare in tutti i settori.
Tabella delle grandezze fondamentali:
tabella1

Le grandezze derivate invece sono quelle grandezze che si possono derivare, tramite opportune formule matematiche, dalle grandezze fisiche fondamentali.  Anche le loro unità di misura non possono essere scelte in maniera indipendente, ma devono essere derivate in maniera consistente dalle unità di misura delle grandezze fondamentali.

Tabella delle grandezze derivate:
tabella2

 

 

2. MASSA E DESITA’

Nell’attuale Sistema internazionale di unità di misura (SI) la massa è stata scelta come grandezza fisica fondamentale, cioè non esprimibile in termini di altre grandezze. La sua unità di misura è il chilogrammo, indicato col simbolo kg.
La massa definisce la misura di quantità di materia di cui macroscopicamente si può considerare costituito un corpo.

Si definisce densità assoluta il rapporto tra la massa di un corpo e il suo volume. La densità assoluta si calcola con la seguente formula: d = m/V
Nel Sistema Internazionale la densità si misura in g/cm3.
La densità è una proprietà intensiva della materia che dipende dalla temperatura e dalla pressione (specialmente per i gas).
Per quasi tutti i materiali, un aumento di temperatura causa un aumento di volume e quindi una diminuzione del valore della densità. Soltanto il ghiaccio e poche altre sostanze fanno eccezione a questa regola.
L’acqua alla temperatura di 4 °C ha la massa di 1 grammo, è quindi l’acqua l’unità campione a cui tutti gli altri materiali vanno messi a confronto.
Es: un cm3 di acqua ha massa 1g
un cm3 di alluminio ha massa 2,7 g
La densità relativa è quindi il rapporto tra la massa di una sostanza e un’eguale massa di acqua distillata a 4 °C.
massa
densità

 

3. MASSA VOLUMICA

La massa volumica è sinonimo di peso specifico.
Il peso specifico indica quanto è pesante un determinato materiale in relazione alle sue dimensioni.
Peso specifico Ps = Massa / volume
Esempio:
1 decimetro cubo di acqua a 4°C ha peso specifico pari a 1.
Il ghiaccio ( Ps = 0,917 ) galleggia sull’acqua perchè è un po’ più leggero della stessa.
Il vino incece, che ha Ps uguale a 0.99, è talmente vicino al Ps dell’acqua da mescolarsi con essa, ma se lo versi lentamente si noterà che galleggia.
L’unità di misura è il kg/m3.
La definizione di peso specifico è più vecchia, desueta, di massa volumica, ma il concetto è lo stesso.
La nuova definizione del peso specifico nelle parole “massa” e “ volume” spiega molto bene il suo significato mettendo in relazione le parole chiave del concetto.
La massa volumica ha notevole importanza in quanto a volte è necessario progettare elementi che siano molto leggeri o altre volte si ha esigenza che alcuni oggetti siano molto pesanti.
Può essere molto utile quando per esempio è necessario conoscere la quantità di materiale necessaria per realizzare un oggetto tramite lo stampaggio.
stampaggio stampo

Per quanto riguarda le leghe la massa volumica può variare a seconda delle percentuali dei metalli che formano la lega.
lega

 

Per il legno invece la massa volumica può variare a seconda di: specie, struttura, età, umidità e da zona a zona dello stesso tronco per la diversa compattezza delle fibre.
legno
Nei marmi vale la stessa regola vista prima per le leghe: dipende dalla percentuale dei minerali presenti.
marmo

 

Tabella compartiva della massa volumica delle sostanze:
tabella3

4. LA FORZA

La forza è definita come massa per accelerazione: F= m x a
Il peso di una persona è la forza che la persona, dotata di una certa massa, esercita sulla bilancia a seguito dell’attrazione di gravità, che sulla superficie terrestre determina un accelerazione di 9,81 m/s.
es: un uomo pesa 100 kg
l’accelerazione è di 10 m/s
100 (m) x 10 (a) = 1000 (Forza gravitazione)
La forza, come l’accelerazione, è una grandezza vettoriale dotata di un modulo, una direzione e un verso.
Si tratta di un segmento orientato, la cui lunghezza è proporzionale all’intensità della grandezza associata, la direzione indica la sua retta di applicazione ed il verso il senso di percorrenza.
La velocità, l’accelerazione la forza sono tutti esempi di grandezze vettoriali molto comuni in fisica.
vettoriale

 

 

5. GLI STATI DELLA MATERIA

Gli stati della materia sono: solido, liquido, gassoso, plasma.
E’ in questi quattro stati che si presenta tutta la materia esistente nell’universo e noi siamo abituati  a considerare in uno di questi stati le sostanze che conosciamo, ma questo è errato, perchè tutte le sostanze che vediamo attorno a noi, esistono in ognuno di questi quattro stati.
es: il rame è solido sino a 1080 °C ai 2580 °C, dopo di che entra in ebollizione ed inizia lo stato gassoso.

Se la temperatura varia, varia anche lo stato in cui si trova la sostanza considerata.
Un materiale allo stato solido ha un volume e una forma propria.
Un materiale allo stato liquido invece ha un volume proprio, ma acquisisce la forma del recipiente che lo contiene.
Il materiale allo stato aeriforme non ha né volume né forma propria, ma si espande fino a occupare tutto lo spazio disponibile.
Esiste “un quarto stato”, il plasma. Esso è costituito da un insieme di particelle con cariche elettriche positive (ioni) e negative (elettroni). Il plasma non è uno stato eccezionale, poiché costituisce il 99% dell’Universo, come conseguenza dell’elevata temperatura esistente nei corpi celesti, che porta alla ionizzazione degli atomi.
La formazione di questo stato della materia è possibile solo se il materiale di partenza è sotto forma gassosa e viene portato a temperature comprese tra 3000°C e 20 000°C. Il plasma si trova all’interno del Sole, nei gas interstellari, nei nuclei delle galassie. Nell’esperienza comune, si genera il plasma quando si fornisce energia ad un gas fino a che questo diventa fluorescente: è quanto si verifica nelle lampade al neon; anche l’arco elettrico, i lampi ed i veicoli spaziali, quando rientrano nell’atmosfera generano questo particolare stato della materia.

sublimazione: passaggio dallo stato solido a quello aeriforme o gassoso;
brinamento: passaggio dallo stato gassoso a quello solido;
fusione: passaggio dallo stato solido a quello liquido;
solidificazione: passaggio dallo stato liquido a quello solido;
evaporazione: passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme;
condensazione: passaggio dallo stato aeriforme a quello liquido.
ionizzazione: passaggio dallo statogassoso a quello plasma.
deionizzazione: passaggio dallo stato plasma a quello gassoso.
stato della materia

6. PROPRIETà TERMICHE

Ogni corpo se sottoposto all’azione del calore, altera la propria struttura molecolare variandone le dimensioni.

Nei metalli la dilatazione termica è considerata uno svantaggio in quanto le lavorazioni di fusione e colata sono soggette, nel raffreddamento, a ritiri sensibili che creano inconvenienti a volte anche gravi. Le giunzioni dei ponti tengono in considerzione questa importante caratteristica.
dilataz.termica

 

Quando il legno viene sottoposto a riscaldamento viene sollecitato da forze interne che provocano deformazioni, rigonfiamenti e dilatazioni dovute a cambiamenti temporanei di umidità e temperatura.
legnodil

 

Il riscaldamento e il raffreddamento parziale del vetro generano in questo delle sollecitazioni che possono provocare rotture e il coefficiente di dilatazione è un dato molto importante per la produzione di vetri ad alta resistenza termica.
vetro

 

La stabilita’ termica è molto importante per le materie plastiche, infatti molti termoplastici col calore si decompongono chimicamente, creando gravi inconvenienti.
plastica