Materiales inteligentes inorgánicos no metálicos
El entorno en el que se ubican los materiales estructurales es extremadamente complejo, y el riesgo de accidentes provocados por daños materiales es cada vez mayor. La investigación y el desarrollo de materiales estructurales que puedan autodiagnosticar y reparar daños es una tarea muy importante y urgente. Este artículo revisa el desarrollo y los conceptos de materiales inteligentes, materiales inteligentes inorgánicos y no metálicos, y las perspectivas de futuras investigaciones sobre materiales inteligentes.
Palabras clave inteligencia; materiales no metálicos inorgánicos
Los materiales inteligentes se refieren a nuevos materiales que pueden detectar y responder al entorno y tener la capacidad de descubrir funciones. La investigación del profesor Yi se expandió gradualmente a otros campos como la ingeniería civil.
Al mismo tiempo, ¿la R? ¿mi? El profesor Newnham propuso el concepto de materiales inteligentes en torno a materiales con funciones de detección y ejecución, que algunas personas llaman materiales inteligentes. Dividió los materiales inteligentes en tres categorías:
Materiales inteligentes pasivos: materiales que solo pueden responder a cambios externos;
Materiales inteligentes activos: que pueden reconocer cambios externos y Materiales que pueden inducir la retroalimentación recorre las líneas de ejecución y responde a los cambios ambientales;
Materiales inteligentes: materiales con funciones de detección y ejecución que pueden responder a los cambios ambientales, cambiando así el coeficiente de rendimiento.
r? ¿mi? Lo que es similar entre los materiales inteligentes de Newnham y los materiales inteligentes de Takagi es la capacidad de respuesta del material a su entorno.
Desde 1989, Japón, Estados Unidos, Europa Occidental y el mundo entero llevan investigando materiales inteligentes. Los científicos están estudiando la introducción de 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, autoconclusión, autocontrol y ejecución. Las estructuras inteligentes suelen combinar sensores de alta tecnología o componentes sensibles con materiales estructurales tradicionales y materiales funcionales para dar a los materiales nuevas propiedades, haciendo que los materiales inanimados "sientan" y "perciban", se adapten a los cambios ambientales, y no sólo detecten problemas, sino que también puedan Resuelva los problemas usted mismo.
Debido a que el rendimiento de los materiales y sistemas inteligentes puede cambiar con el medio ambiente, sus perspectivas de aplicación son muy amplias [7]. Por ejemplo, las alas de los aviones pueden cambiar de forma en respuesta a la presión del aire y la velocidad de vuelo después de la introducción de sistemas inteligentes; las estructuras inteligentes que ingresan al espacio están equipadas con sistemas de absorción de impactos que pueden compensar la pérdida de peso y prevenir la fatiga del metal; cambiar de forma, eliminar la turbulencia y reducir el ruido del flujo, difíciles de detectar y fáciles de ocultar; los materiales estructurales inteligentes de metal pueden detectar daños por sí mismos e inhibir la expansión de grietas y tienen funciones de autorreparación para garantizar la confiabilidad de la estructura; , como los sensores de oxígeno aire-combustible y los sensores piezoeléctricos de gotas de lluvia, se utilizan en alta tecnología. Se utilizan en automóviles y se agrega funcionalidad. Otros dispositivos inteligentes de purificación de agua pueden detectar y eliminar contaminantes nocivos; las ventanas inteligentes electrocrómicas pueden responder al cambio climático y las actividades humanas, ajustando el flujo de calor y la luz; los inodoros inteligentes pueden analizar muestras de orina para un diagnóstico temprano; los sistemas inteligentes de administración de medicamentos pueden monitorear el nivel de azúcar en la sangre; Debido a la concentración, se libera insulina para mantener la concentración de azúcar en sangre en niveles normales.
La tendencia de la investigación y el desarrollo de materiales inteligentes en el extranjero es convertir materiales inteligentes en sistemas y estructuras de materiales inteligentes. Esta es la actual frontera internacional del desarrollo de la disciplina de ingeniería y traerá una revolución al desarrollo de materiales y estructuras de ingeniería. En la construcción de infraestructura urbana en el extranjero, están ideando cómo utilizar materiales inteligentes para construir pisos, puentes y edificios que puedan responder con sensibilidad a los cambios ambientales. Es un proceso de síntesis del sistema que requiere la introducción de nuevas características y funcionalidades en las estructuras existentes.
Los científicos estadounidenses están diseñando formas de dotar a puentes, alas y otras estructuras críticas de sus propios "sistemas nerviosos", "músculos" y "cerebros" para que puedan detectar fallos inminentes y solucionarlos por sí mismos. Por ejemplo, podría advertir a los pilotos antes de que un avión funcione mal o reparar puentes automáticamente cuando desarrollen grietas. Uno de sus enfoques es incrustar pequeños materiales de fibra óptica dentro de materiales compuestos de alto rendimiento. Debido a que el material compuesto está lleno de fibras ópticas entrecruzadas, pueden sentir diferentes presiones en las alas como si fueran "nervios". En casos extremadamente graves, las fibras ópticas pueden romperse y se interrumpe la transmisión de luz, por lo que avisan de un incidente inminente.
1. La idea de materiales inteligentes [8]
Un nuevo concepto es a menudo una síntesis de diferentes puntos de vista y conceptos. La idea del diseño de materiales inteligente está relacionada 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, plantean nuevos requisitos para los materiales. (3) Considere la fabricación de materiales inteligentes desde la perspectiva del diseño de materiales. (4) Materiales de introducción a las funciones del software. (5) Expectativas de materiales. (6) Transferencia de energía. (7) La perspectiva de que los materiales tienen una línea de tiempo, como funciones de predicción de vida, funciones de autocuración e incluso autoaprendizaje, autoproliferación y autopurificación. Debido a estímulos externos, la línea de tiempo puede generar respuestas dinámicas positivas, es decir, imitar las funciones de los organismos vivos. Por ejemplo, los huesos artificiales inteligentes no sólo son biocompatibles, sino que también pueden descomponerse y eventualmente desaparecer según el crecimiento y el estado de curación de los huesos biológicos.
1.1 Materiales biónicos e inteligentes
El rendimiento de los materiales inteligentes es función de la composición, estructura, forma y entorno, y responden al medio ambiente. La mayor característica de los seres vivos es su adaptación al medio ambiente, desde plantas, animales hasta humanos. Las células son la base de los organismos vivos y pueden verse como materiales fusionados con tres funciones: detección, procesamiento y ejecución. Por lo tanto, las células pueden servir como modelos para materiales inteligentes.
La investigación desde sustancias simples hasta sustancias complejas se puede lograr mediante la construcción de modelos. El modelo puede resolver materiales biológicos complejos para crear materiales biomiméticos inteligentes. Por ejemplo, los materiales poliméricos son materiales sintéticos diseñados artificialmente. En nuestra investigación tomamos prestada la estructura macromolecular de la seda y luego sintetizamos un nailon más resistente. Actualmente, se han creado materiales inteligentes en varios niveles, desde ultramicro hasta macro, basados en proteínas (una función de recepción de información simulada) y proteínas (una función ejecutiva).
1.2 Diseño inteligente de materiales
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 no sólo pueden usarse en máquinas artificiales como robots y computadoras, sino también en máquinas biológicas con reflejos condicionados.
Cuando un dispositivo automático ingresa una señal (información), puede generar una señal de salida (información) basada en señales de entrada (información) pasadas. La información ingresada en el pasado se puede almacenar en el sistema como estado interno. Por tanto, un dispositivo automático consta de tres partes: entrada, estado interno y salida. Al comparar materiales inteligentes y dispositivos automatizados, sus conceptos son similares.
El robot M se puede describir mediante los siguientes seis parámetros:
M=(θ, X, Y, f, g, θ0)
donde θ es El conjunto de estados internos; xey representan los conjuntos de información de entrada y salida respectivamente; f representa el coeficiente de transición de estado del estado interno actual que cambia al estado interno del momento siguiente debido a la información de entrada; de la información de salida debido a la información de entrada Coeficiente de salida θ0 es el conjunto de estados iniciales.
Para hacer que el material sea inteligente, se pueden controlar su estado interno θ, el coeficiente de transición 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 funcionalidad del material. Estos parámetros deben tenerse en cuenta al diseñar materiales. Si se mejora la función de la cerámica para que sea inteligente, es necesario controlar F y G.
Generalmente, las cerámicas son policristales formados por la agregación de pequeños granos, y sus propiedades suelen controlarse añadiendo un poquito de un segundo componente. La naturaleza del volumen y de los límites de grano de este segundo componente afecta las propiedades del material resultante.
De hecho, cuando los iones del segundo componente se introducen en el sistema, su energía libre (G=H-TS) cambia. Para minimizar la energía libre (g) de una sustancia, es necesario controlar la entalpía (h) para que la entropía alcance el valor más apropiado. 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 controlada por la entalpía de la propia sustancia. Por lo tanto, para que la cerámica sea altamente funcional e inteligente, el material debe estar en un estado de no equilibrio, en un estado de cuasi equilibrio y en un estado metaestable.
Para los materiales inteligentes, los conceptos de material e información son los mismos.
Y la información promedio φ de un determinado símbolo L está relacionada con el registro de información P del estado de probabilidad P, es decir,
Esta fórmula es similar a la entropía de la termodinámica, pero el signo es opuesto, por lo que se llama entropía negativa. Como la entropía es una medida de desorden, la negentropía es una medida de orden.
1.3 Métodos para crear materiales inteligentes
Los materiales inteligentes tienen las funciones de detección, procesamiento y ejecución, por lo que su creación consiste en introducir dichas funciones de software (información) en los materiales. Esto es similar a la unidad de procesamiento de información del cuerpo humano, las neuronas, que pueden integrar varias funciones (Figura 1(a)) y colocar varias funciones de software en diferentes estructuras jerárquicas con un espesor de varios nanómetros a decenas de nanómetros (Figura 1( b)), hacer que los materiales sean inteligentes. En este momento, las propiedades de los materiales no sólo están relacionadas con su composición, estructura y morfología, sino también en función del entorno. La investigación y el desarrollo de materiales inteligentes implican materiales y sistemas inteligentes en sectores como los metales, la cerámica, los polímeros y la biología.
2. Materiales inorgánicos no metálicos inteligentes
Existen muchos tipos de materiales inorgánicos no metálicos inteligentes. A continuación se muestran algunos materiales inorgánicos no metálicos inteligentes típicos.
2.1 Cerámica inteligente
2.1.1 Cerámica endurecida con circonio
Los cristales de óxido de circonio suelen tener tres formas cristalinas:
Entre ellos, el La transformación de T-ZrO_2 en M-ZrO_2 se caracteriza por una transformación martensítica, que va acompañada de una expansión de volumen de 3~5. Las cerámicas de ZrO2 sin estabilizadores se agrietarán gravemente debido a los cambios de fase durante el enfriamiento a temperaturas de sinterización. La solución es añadir óxidos metálicos con radios iónicos menores que el Zr, como Ca, Mg e Y.
El cambio de fase del circonio se puede dividir en cambios de fase durante la cocción y enfriamiento y cambios de fase durante el uso. El primero es inducido por la temperatura y el segundo es inducido por la presión. Los resultados de ambas transformaciones de fase pueden endurecer la cerámica. Los mecanismos de endurecimiento incluyen principalmente endurecimiento por cambio de fase, endurecimiento por microfisuras, endurecimiento superficial, flexión de fisuras y endurecimiento por deflexión [9].
Cuando los granos de ZrO_2 son de mayor tamaño y el contenido de estabilizante es bajo, los granos de T-ZrO_2 de la cerámica sufren un cambio de fase durante el enfriamiento a temperatura ambiente tras la cocción, acompañado de un cambio de fase. La expansión del volumen crea tensiones de compresión dentro de la cerámica y forma microfisuras en determinadas zonas. Cuando la grieta principal se expande en este 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 no puede cambiar; dirección, absorbiendo la energía de la expansión de la grieta y mejorando la resistencia y la resiliencia del material. Este es el endurecimiento por microfisuras.
Debido a la alta temperatura de transición de fase del ZrO_2, no es factible diseñar materiales inteligentes con la ayuda de cambios de temperatura. El endurecimiento por transformación de fase inducida por tensión es el mecanismo de endurecimiento más importante en las cerámicas endurecidas con circonio y es necesario estudiarlo.
Cuando se enfrían a temperatura ambiente después de la cocción, los granos de cristal de T-ZrO_2 en el material aún mantienen la forma de fase tetragonal. Cuando un material se somete a tensiones externas, sufre una transición de fase inducida por tensiones de la fase T a la fase M. El cambio de fase de los granos de ZrO2 absorbe energía y dificulta la expansión de las grietas, mejorando así la resistencia y tenacidad del material. La composición del material que sufre un cambio de fase generalmente no es homogénea, y la conductividad térmica y la conductividad eléctrica cambian con el cambio de la estructura cristalina. Esto es una señal de que el material está sujeto a una fuerza externa, lo que permite realizar un autodiagnóstico del material.
Las grietas provocadas por la fractura del material de circonio se pueden volver a cerrar tras un tratamiento térmico a 300°C durante 50 horas. Esto se debe a que la expansión de volumen generada durante la transformación de fase T a fase M compensa. para las grietas y el material se puede reparar por sí solo.
A través de cambios en el tamaño del material, la velocidad de propagación de las ondas sonoras, la conductividad térmica y la conductividad eléctrica, se puede observar in situ la resistencia a la fatiga y la expansión del material durante el uso.
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 pueden utilizar varias capas de titanato de circonato de plomo (PZT) para fabricar el sistema de seguimiento y posicionamiento automático del cabezal de vídeo. Las máquinas de juego de pinball japonesas están hechas de bloques cerámicos piezoeléctricos.
El principio del sistema de seguimiento y posicionamiento automático del cabezal de video es: en la pieza dobladora en voladizo de doble capa de cerámica 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 un sensor. El voltaje obtenido en el electrodo de detección se agrega al electrodo de posicionamiento a través del sistema de retroalimentación, lo que hace que la capa se doble y siga la pista en la cinta de video, como se muestra en la Figura 2.
Un principio similar se utiliza en las máquinas de pinball.
Las pieles inteligentes hechas de cerámica inteligente pueden reducir el ruido de los aviones y sumergibles durante el movimiento a alta velocidad, prevenir turbulencias, aumentar la velocidad de operación, reducir la radiación infrarroja y lograr el propósito de la invisibilidad.
Basándonos en los principios anteriores, es totalmente posible obtener materiales muy inteligentes. Este material puede detectar diversos 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, sentir, actuar y retroalimentación son funciones clave de los materiales inteligentes.
2.1.3 Cerámica biónica piezoeléctrica
La biónica de materiales es una de las direcciones de desarrollo de los 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.
La figura 3 es un sensor de tensión de flexión que simula el movimiento de los peces nadando en burbujas. Hay una pequeña cámara de aire entre los dos electrodos metálicos del sensor y la cerámica piezoeléctrica PZT desempeña la función de cubrir los músculos de la burbuja nadadora. El compuesto se llama compuesto "Moonie" porque la cámara de aire tiene forma de luna creciente. El dispositivo acústico piezoeléctrico bajo el agua utiliza electrodos de forma especial para aumentar la constante de tensión piezoeléctrica dh al máximo cambiando la dirección de la tensión. Cuando un electrodo de metal grueso se somete a una presión hidrostática causada por ondas sonoras, parte de la tensión longitudinal se convierte en tensiones radiales y tangenciales con signos opuestos, lo que hace que la constante piezoeléctrica d3l cambie de negativa a positiva, superponiéndose con d33, provocando que la dh valor para aumentar. ¿Dh para este compuesto? El valor gh es 250 veces mayor que el del material PZT puro.
Los elementos actuadores diseñados y desarrollados utilizando compuestos de fibra PZT y materiales compuestos "Moonie" pueden eliminar el flujo constante causado por las ondas sonoras.
2.2 Materiales inteligentes a base de cemento
En la sociedad moderna, el cemento se utiliza ampliamente como material de construcción básico, lo que hace que los materiales a base de cemento sean inteligentes y tengan buenas perspectivas de aplicación.
Los materiales inteligentes a base de cemento incluyen: materiales a base de cemento que detectan automáticamente tensiones, deformaciones y daños [10 ~ 12] materiales a base de cemento con autocontrol de la temperatura [13]; que pueden ajustar automáticamente la humedad ambiental [14]; materiales a base de cemento biónicos autorreparables [15, 16] y materiales de cemento biónicos autorreparables [17].
Cuando se añaden fibras cortas de carbono de una determinada forma, tamaño y cantidad a materiales a base de cemento, los cambios de resistencia del material se corresponden con cambios en la estructura interna. Como resultado, el material puede monitorear las condiciones internas del material bajo tensión, flexión, compresión y carga estática y dinámica. Al utilizar fibra de carbono de 0,5 (volumen) como sensor en lechada de cemento, su sensibilidad es mucho mayor que la de las galgas extensométricas de resistencia ordinarias.
Se mezcla una cierta longitud de fibra de carbono corta a base de poliacrilonitrilo con la lechada de cemento y el material produce un efecto termoeléctrico. Este material puede monitorear los cambios de temperatura dentro del edificio y el entorno circundante en tiempo real. Gracias al efecto termoeléctrico de este material, la energía solar y las diferencias de temperatura interior y exterior también se pueden aprovechar para alimentar los edificios. Si el material se fabrica para que tenga el efecto inverso del efecto Seebeck, el efecto Peltier, será posible crear materiales con refrigeración y calefacción.
Se añaden materiales porosos a la lechada de cemento y se utiliza la relación entre la absorción de humedad y la temperatura para que el material tenga una función reguladora de la humedad.
Algunos científicos están desarrollando actualmente hormigón que puede curarse a sí mismo. Imaginemos una gran cantidad de fibras huecas incrustadas en hormigón. Cuando se producen grietas en el hormigón, las fibras huecas rellenas con "agente reparador de grietas" se agrietarán, liberando un agente reparador pegajoso que une firmemente las grietas y evita que el hormigón se rompa. Se trata de un material pasivo inteligente, es decir, no hay sensores incrustados en el material para monitorear las grietas, ni chips electrónicos incrustados en el material para "guiar" las grietas. De manera similar a este principio, Estados Unidos está intentando preparar materiales biónicos a base de cemento basándose 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 liberarán polímeros para reparar el daño.
Científicos estadounidenses están trabajando en un material inteligente activo que puede reforzar automáticamente los puentes cuando surgen problemas.
Una forma en que lo diseñaron fue que si algunas partes del puente tenían problemas, otras partes del puente se reforzarían para compensarlos. La idea es técnicamente viable. Con el desarrollo de la tecnología informática, es totalmente posible crear pequeños sensores de señales y chips microelectrónicos, así como computadoras que incorporen estos sensores y chips de microcomputadoras en materiales puente. Los materiales para puentes pueden ser una variedad de materiales mágicos, como materiales con memoria de forma. Cuando los sensores incrustados en el material del puente reciben una señal de que hay un problema con una determinada parte del material, la computadora emitirá instrucciones para hacer que el pequeño líquido 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 aéreos y los daños a edificios importantes y otras estructuras han inspirado a la gente a estudiar aviones inteligentes y estructuras materiales con funciones de autoadvertencia y autocuración. Las expectativas de las personas sobre materiales, sistemas y estructuras se satisfacen mediante el desarrollo inteligente de los propios materiales, haciendo que los materiales y estructuras sean "duros y blandos" para adaptarse a los cambios del entorno. En futuras investigaciones se debería centrar la atención en los siguientes aspectos.
(1) Cómo aprovechar el rápido desarrollo de la tecnología de la información para introducir funciones de software en materiales, sistemas y estructuras.
(2) Fortalecer aún más la teoría exploratoria y el mecanismo de; investigación de materiales compuestos inteligentes para acelerar el desarrollo de la ciencia de materiales inteligentes;
(3) Fortalecer la investigación básica aplicada.