Aplicații ale Materialelor cu Memoria Formei în Industriile de Proces

Rezumat: Prezenta lucrare evidentiază principalele materiale ce îndeplinesc proprietatea de memorie a formei, cu prezentarea domeniilor de aplicabilitate, precum şi a exemplelor practice de utilizare a materialelor “inteligente” în instalaţiile de proces, respectiv în aplicaţii cu revenire liberă şi reţinută (cuplaje hidro-pneumatice, conectori electrici, dispozitive de fixare), precum şi în alte aplicaţii industriale (protecţia contra incendiilor, controlul temperaturilor în instalaţiile frigorifice, condiţionarea aerului, protecţia termică a filtrelor de apă, etc).

1. Consideraţii introductive

Cercetări recente / 12 / au arătat că fenomenul pe care îl numim, “memorie” nu este caracteristic, în exclusivitate numai regnului animal. După ce s-a vorbit despre o memorie a organelor umane, despre memoria firului de nailon, despre păstrarea îndelungată a amprentelor energetice, ca nişte „semnături” ale diferitor corpuri, sau despre aşa-zisa memorie a apei (sau mai corect a gheţii), iată că a venit şi rândul sistemelor materiale să prezinte nu numai fenomene de memorie termică sau mecanică, ci chiar şi „inteligenţă”.

Acestea au capacitatea de a reacţiona la modificările mediului fie prin schimbări de formă, rigiditate, poziţie, frecvenţa vibraţiilor interne, frecare internă sau vâscozitate (actuatoare), fie prin emiterea unui semnal (senzor).

Prin analogie cu ştiinţele biologice, sistemele inteligente pot îndeplini funcţii de activatori (muşchi), de senzori (nervi) sau de control (creier). Noţiunea de material inteligent poate fi extinsă la un nivel mai înalt de inteligenţă artificială, prin încorporarea unei "funcţii de învăţare". Rezultă un material foarte inteligent care poate detecta variaţiile mediului şi-şi poate modifica caracteristicilor proprii astfel încât să controleze variaţiile care au generat această modificare.

S-au dezvoltat, astfel, noţiunile de "inteligenţă pasivă" (care permite doar reacţia la mediu) şi de "inteligenţă activă" (care reacţionează în mod discret la constrângeri mecanice, termice sau electrice exterioare, ajustându-şi caracteristicile printr-un sistem de feed-back).

Actuatoarele sunt constituite din materiale inteligente capabile să efectueze o acţiune. Ele au capacitatea de a-şi modifica: forma (generând lucru mecanic), rigiditatea, poziţia, frecvenţa vibraţiilor interne, capacitatea de amortizare, frecarea internă şi vâscozitatea, ca reacţie la variaţiile de temperatură, câmp electric sau magnetic.

Cele mai răspândite materiale pentru actuatoare (numite şi materiale reactive sau adaptive) sunt: materialele cu memoria formei, materialele piezoelectrice, materialele electro- şi magnetostrictive, precum şi materialele electro- şi magnetoreologice.

Senzorii (captatorii) sunt sisteme de detecţie ce traduc modificările mediului prin emiterea unor semnale cu ajutorul cărora este descrisă starea structurii şi a sistemului material. Printre funcţiile lor se numără: controlul defectelor, amortizarea vibraţiilor, atenuarea zgomotului şi prelucrarea datelor. Unei structuri i se pot ataşa senzori externi sau îi pot fi încorporaţi senzori. Cele mai răspândite materiale senzoriale sunt: materialele cu memoria formei, materialele piezoelectrice, materialele electrostrictive, fibrele optice şi particulele de marcare.

Sistemele de control (dispozitive de transfer) se bazează pe asanumitele "reţele neurale" care au rolul de-a asigura comunicarea complexă, prelucrarea semnalului şi memoria prin evaluarea stimulilor primiţi de sistem şi controlul reacţiei acestuia. Prelucrarea semnalului şi acţiunea rezultată se fac după o anumita "arhitectură" care include:

- organizarea globală;

- organizarea locală;

- ierarhia simplă

- multiierarhia.

După acest model, informaţiile mai puţin importante, care nu necesită precizii foarte ridicate, pot fi prelucrate la un nivel inferior, fără a mai trebui să treacă prin nivelul central. Rezultă atât reducerea timpului de stimulare acţiune, cât şi reducerea consumului energetic. În felul acesta este prelungită "viaţa" sistemului de control care trebuie să fie mai lungă decât duratele de funcţionare ale oricăruia dintre componentele sale.

Materialele inteligente, care au mai fost numite: senzoriale, adaptive, metamorfice, multifuncţionale sau deştepte (smart), sunt fructul colaborării specialiştilor din trei domenii:

- ştiinţa materialelor,

- inginerie mecanică,

- construcţii civile

şi pot combina funcţia de actuator cu cea de senzor.

Cea mai eficace metodă de obţinere a materialelor inteligente este asamblarea de particule (particle assemblage) care se poate realiza fie prin ataşarea, fie prin integrarea elementelor active într-o structură unitară. Conceptul de asamblare de particule presupune:

- producerea unui amestec ordonat de diferite particule;

- manipularea particulelor cu o microsondă

- aranjarea particulelor pe substraturi.

Metoda de aranjare pe substraturi presupune parcurgerea a trei etape (după modelul copierii xerografice): desenarea, developarea şi fixarea. Cu ajutorul sistemelor materiale inteligente au fost concepute sisteme de prelucrare mecanică inteligentă cum ar fi, de exemplu, îndoirea precisă "în L" a tablelor subţiri.

Pot exista numeroase aplicaţii comerciale ale materialelor inteligente, dar cea mai valoroasă dintre acestea este posibilitatea de-a studia şi înţelege o serie de fenomene fizice complexe, în special din domeniul fizicii fundamentale.

Principalele domenii de aplicabilitate ale materialelor inteligente sunt următoarele:

- controlul vibraţiilor la structurile spaţiale flexibile mari (cu dimensiuni până la cea a unui teren de fotbal), care trebuie să-şi menţină o precizie dimensionala ridicată;

- controlul mişcării instabile a tronsoanelor şi a sistemelor de legătură ale subsateliţilor aflaţi pe orbită circumterestră/ 2 /;

- controlul geometriei aripilor de avion, a palelor de elicopter şi a elicelor sau velaturii navelor prin ameliorarea aero- sau a hidrodinamicii în scopul reducerii/suprimării vibraţiilor produse de curenţii turbionari din aer sau apă;

- controlul nivelului intensităţii luminoase (lentile fotocromatice, geamuri cu indice de refracţie autoreglabil);

- chirurgie (filtre sangvine, muşchi, membre şi organe artificiale), ortopedie (implanturi) sau oftalmologie (retină artificială);

- monitorizarea continua a stării de sănătate (toalete inteligente care analizează dejecţiile, avertizând depăşirile limitelor admise);

- modificarea adaptivă a formei suprafeţelor-oglindă ale antenelor convenţionale de precizie sau ale telescoapelor de înalta rezoluţie (Hubbell);

- conectică (asamblări nedemontabile rezistente la vibraţii);

- reducerea activă a concentratorilor de tensiuni, din vecinătatea găurilor şi a crestăturilor, prin intermediul activatorilor încorporaţi, cu deformaţie impusă;

- cadre (corsete) cu geometrie variabilă care pot modifica impedanţa structurilor mari (control antiseismic);

- controlul acustic structural activ (cu ajutorul vibratorilor cu oscilaţii transversale);

- controlul distribuţiei şi dozării medicamentelor;