Sebastian Breisch - ABB Process Automation, Corporate Research - Ladenburg, Alemania sebastian.breisch@de.abb.com
El término «inteligente» probablemente responde al hecho de que estos materiales no son en absoluto rígidos y sólidos, como los materiales convencionales, sino que pueden adaptarse y cambiar de forma en función de estímulos externos como la temperatura o el campo magnético. Algunos incluso tienen «memoria» para recordar una forma previamente entrenada. En la práctica, pueden utilizarse para el accionamiento, el sensado y la recolección de energía sin modificarlos en modo alguno.
Los materiales inteligentes ofrecen una amplia gama de funcionalidades en muchas aplicaciones.
Existen cuatro clases de materiales inteligentes que están próximas a tener una aplicación industrial o que ya la tienen:
- Materiales piezoeléctricos
- Aleaciones con memoria de forma térmica (SMA)
- Aleaciones con memoria de forma magnética (MSMA)
- Elastómeros dieléctricos (ED)
De todos ellos, los materiales piezoeléctricos son los más maduros. Ya se utilizan en aplicaciones industriales, especialmente en la industria de la automoción, lo que podría ser una de las razones de su ubicuidad. Una aplicación típica sería un inyector para motores common rail. Como sensores, se utilizan, por ejemplo, en sensores de fuerza y captadores dinamométricos.
Las SMA también son una tecnología madura. Las aplicaciones más destacadas de esta clase de materiales se encuentran en la medicina (por ejemplo, los stents). La SMA más conocida es un clip de aleación de níquel y titanio capaz de deformarse drásticamente y de recuperar su forma inicial cuando se calienta con una vela o se sumerge en agua caliente. Este comportamiento es resultado de las dos estructuras de cristal diferentes del material, ambas dependientes de la temperatura. A temperatura ambiente, el material se encuentra en su estructura de cristal «fría». La estructura de cristal «caliente» de las SMA debe entrenarse mediante miles de variaciones cíclicas de la temperatura. Cuando, más adelante, se deforme mecánicamente y a continuación se caliente por encima de la temperatura de transición a la que el cristal reorienta su estructura interna, el material «recordará» su forma entrenada y volverá a ella. La temperatura de transición para los materiales estándar es de aproximadamente 60 °C.
Para los actuadores industriales de SMA, un diseño estándar es un cable sencillo que puede estirarse y luego retraerse calentándolo (haciendo pasar una corriente, por ejemplo). Este cambio estructural puede ejercer fuerzas elevadas si se utiliza una sección transversal grande.
Al igual que las SMA, las MSMA reaccionan no solo a la temperatura, sino también a los campos magnéticos. La fabricación de MSMA es difícil porque el proceso requerido de fundir un lingote monocristalino constituye un proceso complejo. Dentro de este lingote, durante la solidificación, evolucionará una estructura de cristal magnético polarizada y plegada. Los elementos de MSMA («bastones») se cortan del lingote en una orientación beneficiosa. La estructura de cristal plegada y polarizada magnéticamente dentro de estos bastones permite su deformación cuando se aplica un campo magnético externo →01.
La combinación de efectos térmicos y magnéticos hace que las MSMA sean ideales para aplicaciones en las que se requiere una respuesta térmica y magnética, p. ej., en un interruptor automático en miniatura de uso doméstico (MCB).
Los ED constituyen la última clase de materiales inteligentes mencionada anteriormente. Los materiales ED gomosos suelen colocarse entre dos placas de electrodos de polaridad opuesta, como en un condensador estándar. La tensión aplicada hace que las placas se atraigan entre sí, aplastando el elastómero. Esta deformación básica permite una amplia versatilidad en el diseño de actuadores. En el modo de detección, cualquier desplazamiento del ED (configurado como membrana, por ejemplo) cambia la capacitancia, lo que permite una medición precisa de la deformación. Los primeros productos industriales que utilizan este principio se lanzarán pronto.
Los materiales inteligentes ofrecen una amplia gama —de sensores y actuadores— entre rango y funcionalidad, y todo ello con un diseño muy sencillo y una baja cantidad de piezas en comparación con soluciones alternativas. Inteligente, efectivamente.
