E se il futuro dell'ingegneria non riguardasse solo progetti innovativi, ma anche materiali rivoluzionari? Dalle fibre ottiche che rivoluzionano la trasmissione dei dati ai materiali superconduttori che migliorano l'efficienza energetica, i più recenti progressi nei materiali ingegneristici stanno definendo nuovi standard. Questo articolo esplora sette di questi materiali, offrendo approfondimenti sulle loro proprietà e applicazioni. Continuando a leggere, si comprenderà meglio come questi materiali siano pronti a trasformare le industrie e la tecnologia così come la conosciamo.
I materiali avanzati si riferiscono a quelli recentemente studiati o in fase di sviluppo che possiedono prestazioni eccezionali e funzionalità speciali. Questi materiali sono di fondamentale importanza per il progresso della scienza e della tecnologia, in particolare per le industrie ad alta tecnologia e per quelle emergenti.
Questo articolo fornisce una breve introduzione ad alcuni di questi materiali ingegneristici innovativi.
Le fibre ottiche, abbreviate in fibre, sono fibre ottiche utilizzate per trasmettere informazioni luminose. Come mezzo di trasmissione delle onde luminose, le fibre tipiche sono costituite da un nucleo ad alto indice di rifrazione e da un rivestimento con un indice di rifrazione inferiore. Nelle applicazioni pratiche, centinaia o addirittura migliaia di fibre sono combinate in un certo tipo di struttura di cavo.
Per le trasmissioni a lunga distanza, i ripetitori ottici sono necessari per ripristinare i segnali luminosi che diminuiscono gradualmente durante la trasmissione. Le due caratteristiche principali delle fibre ottiche sono la perdita di luce e la larghezza di banda di trasmissione; la prima determina la distanza di trasmissione, mentre la seconda governa la capacità di informazione.
Lo sviluppo delle fibre ottiche si concentra attualmente sull'aumento della distanza non ripetuta, sulla riduzione della perdita e sull'avanzamento verso lunghezze d'onda super-lunghe e bande di frequenza ultra-larghe. Di seguito sono riportati alcuni tipi di fibre ottiche che sono state sviluppate e utilizzate:
Attualmente, le fibre di comunicazione sono composte principalmente da vetro di quarzo fuso di elevata purezza. Le fibre di quarzo sono chimicamente stabili, hanno un piccolo coefficiente di espansione, un'eccellente affidabilità a lungo termine e risorse abbondanti. Tuttavia, sono piuttosto fragili e l'ulteriore riduzione della perdita di luce è limitata.
Il materiale di base delle fibre plastiche può essere il polimetilmetacrilato (PMMA) e il polistirene (PS), con materiali di copertura delle fibre che possono essere fluororesina nel PMMA o materiale PMMA nel PS. Le fibre plastiche presentano numerosi vantaggi, come l'eccellente flessibilità, l'elevata resistenza alla rottura, la leggerezza, il basso costo e la semplicità di lavorazione.
Tuttavia, a causa dell'elevata perdita di trasmissione, le loro applicazioni si concentrano soprattutto nella trasmissione di energia e di immagini a breve distanza.
La fibra di vetro composta di solfuro più tipica è il sistema As-S, che ha un elevato punto di fusione e una buona lavorabilità.
Le fibre di cristallo di alogenuri includono, tra gli altri, il CsBr e il CrI a cristallo singolo e il TiBrI policristallino. Le fibre di cristallo dimostrano una bassa perdita su un'ampia larghezza di banda di lunghezza d'onda da 1 a 10 μm e possono essere utilizzate per la trasmissione di laser a gas CO.
I materiali promettenti per le fibre a infrarossi a bassissima perdita attualmente in fase di studio includono il vetro silicato di fluoruro di zirconio (afnio), il vetro alluminato di fluoruro e il vetro fluorurato composto principalmente da ossido di torio e fluoruri di terre rare.
Tra questi, il vetro silicato di zirconio (afnio) è considerato il materiale più promettente per le fibre di comunicazione a lunga lunghezza, con caratteristiche quali un'ampia gamma di lunghezze d'onda, bassa dispersione e buona lavorabilità.
Le fibre ottiche possono essere utilizzate per la trasmissione di informazioni informatiche, consentendo la creazione di reti informatiche flessibili, ad alta velocità e su larga scala per il recupero di dati, le transazioni di conti bancari, i contratti a termine e, potenzialmente, la trasmissione a lunga distanza di immagini olografiche. Possono anche essere utilizzate per trasmettere laser ad alta intensità e produrre sensori in fibra ottica, tra le altre applicazioni.
Nel 1911, il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes scoprì l'improvvisa scomparsa della resistenza nel mercurio alla temperatura dell'azoto liquido, 4,2K. Questo fenomeno è noto come superconduttività e i materiali che lo presentano sono definiti superconduttori.
Lo stato in cui un superconduttore passa a resistenza zero è detto stato di superconduzione. La temperatura alla quale compare la superconduttività è definita temperatura critica, indicata con T, e si misura in Kelvin (K), la scala termodinamica delle temperature.
In seguito si è scoperto che se un superconduttore viene raffreddato in un campo magnetico, nel punto in cui la resistenza del materiale scompare, le linee del campo magnetico vengono espulse dal conduttore, un fenomeno noto come diamagnetismo perfetto o effetto Meissner. La superconduttività e il diamagnetismo sono le due caratteristiche principali dei superconduttori.
I materiali superconduttori trovano applicazione in diversi campi, tra cui l'energia, i trasporti, l'informazione, la scienza fondamentale e la sanità. Ad esempio, nei sistemi energetici, l'accumulo di energia in superconduttori è attualmente il metodo di accumulo più efficiente e l'uso di trasmissioni in superconduttori può ridurre significativamente la perdita di energia.
I magneti superconduttori, con i loro elevati campi magnetici, la bassa perdita di energia e il peso ridotto, possono essere utilizzati per la generazione di energia magnetoidrodinamica, convertendo direttamente l'energia termica in energia elettrica e aumentando in modo significativo la potenza di uscita dei generatori.
L'uso del tunneling superconduttivo può creare vari dispositivi caratterizzati da alta sensibilità, basso rumore, risposta rapida e bassa perdita, adatti al rilevamento delle onde elettromagnetiche e a promuovere la praticità delle tecnologie di misurazione e test di precisione. Nei computer, i computer a giunzione Josephson realizzati con materiali superconduttori possono eseguire dieci calcoli ad alta velocità al secondo, con dimensioni ridotte e grande capacità.
L'effetto di levitazione magnetica prodotto tra i superconduttori e i campi magnetici può essere utilizzato per creare treni maglev superconduttori. Inoltre, i massicci campi magnetici generati dai superconduttori possono essere utilizzati nelle reazioni termonucleari controllate.
Le leghe antivibranti sono materiali funzionali che possiedono capacità di smorzamento delle vibrazioni, pur mantenendo la necessaria resistenza strutturale. Si tratta di leghe con un elevato attrito interno, che consente un rapido decadimento delle vibrazioni. In base ai loro meccanismi di smorzamento, le leghe antivibranti possono essere classificate in multifase, ferromagnetiche, twinning e a dislocazione.
Le leghe multifase comprendono due o più fasi, generalmente caratterizzate da una seconda fase più morbida distribuita su una matrice più dura. Sfruttano la ripetuta deformazione plastica della seconda fase della lega per convertire l'energia vibrazionale in calore di attrito per lo smorzamento.
La ghisa grigia con scaglie di grafite è la lega di smorzamento multifase più utilizzata, tipicamente impiegata per basamenti di macchine utensili, alberi a gomito, camme e così via. La lega Al-Zn è un'altra tipica lega di smorzamento multifase, utilizzata in dispositivi come gli amplificatori stereo.
Queste leghe sfruttano la magnetostrizione dei materiali ferromagnetici e la rotazione e il movimento dei domini magnetici durante le vibrazioni per consumare l'energia vibrazionale per lo smorzamento. L'acciaio al cromo con un contenuto di cromo di 12% e le leghe a base di Fe-Cr-Al sono esempi di leghe di smorzamento ferromagnetiche, utilizzate nelle pale delle turbine a vapore, negli ingranaggi degli strumenti di precisione, ecc.
Le leghe twinning sfruttano la formazione di sottili strutture gemellate durante il cambiamento di fase, assorbendo l'energia vibrazionale attraverso il movimento dei confini dei grani twinning. Ad esempio, la lega Mn-Cu-Ni-Fe di recente sviluppo in Giappone è in grado di dimezzare l'ampiezza di una singola vibrazione ed è adatta per parti di motori, carter di motori, parti di lavatrici e così via.
Le leghe di dislocazioni assorbono energia vibrazionale a causa della vibrazione reciproca tra dislocazioni e atomi interstiziali. La lega Mg-Zr (wZr=6%), ad esempio, è utilizzata nelle girobussole per la guida dei missili e nei supporti di strumenti di precisione come i dispositivi di controllo, garantendone il normale funzionamento.
La lega Mg-MgNi non solo ha eccellenti proprietà di smorzamento, ma anche un'elevata resistenza e una bassa densità, che la rendono un eccellente materiale antivibrante per l'industria aerospaziale.
La modalità di rottura più pericolosa dei materiali a basse temperature è la frattura fragile a bassa temperatura. Pertanto, i materiali che lavorano a basse temperature devono possedere un'eccellente tenacità alle basse temperature. Inoltre, per prevenire le deformazioni termiche causate dai cambiamenti tra la temperatura ambiente e le basse temperature, questi materiali devono avere un coefficiente di espansione termica ridotto e una buona lavorabilità.
I materiali utilizzati in campi magnetici a basse temperature dovrebbero essere tipicamente non magnetici. I materiali metallici a bassa temperatura comprendono principalmente acciai ferritici a bassa lega, acciai inossidabili austenitici, acciai al nichel, acciai duplex, superleghe a base di ferro-nichel, leghe di alluminio, leghe di rame, leghe di titanio e così via.
In base alle diverse temperature di utilizzo, i materiali a bassa temperatura comunemente utilizzati possono essere suddivisi grossolanamente nelle seguenti tre categorie:
(1) Materiali per temperature da -40 a -100℃: I materiali per basse temperature utilizzati in questo intervallo di temperature sono principalmente acciaio a basso tenore di carbonio e acciaio a bassa lega, come l'acciaio legato con 3,5% wNie l'acciaio al manganese a basso tenore di carbonio 06MnVAl, con una temperatura di utilizzo minima di -130℃.
Sono utilizzati principalmente nelle industrie petrolchimiche, nelle apparecchiature di refrigerazione, nelle strutture ingegneristiche delle regioni fredde, nei gasdotti e nei compressori, pompe e valvole funzionanti a bassa temperatura.
(2) Materiali per temperature da -160 a -196℃: I materiali a bassa temperatura utilizzati in questo intervallo di temperatura sono destinati principalmente all'industria del gas naturale liquefatto e della produzione di ossigeno.
I tipi includono l'acciaio inossidabile austenitico 18-8, che ha un'eccellente tenacità alle basse temperature ma una resistenza inferiore e un maggiore coefficiente di espansione; l'acciaio per basse temperature a base di nichel, come l'acciaio con 9% wNi (wc<0,1%), Ni (wNi=5%) -Mo (wMo=0,2%), che hanno un'elevata resistenza, una buona tenacità alle basse temperature, una saldabilità affidabile e sono sempre più utilizzati; l'acciaio austenitico ad alto tenore di manganese 20Mn23Al, la lega di alluminio 5083, ecc.
(3) Materiali a bassissima temperatura da -253 a -269℃: Questi tipi di materiali sono utilizzati principalmente per la produzione di contenitori per lo stoccaggio e il trasporto di idrogeno liquido e cloro liquido, nonché di parti di dispositivi superconduttori con forti campi magnetici.
Le leghe per bassissime temperature che sono state sviluppate e sono oggetto di ricerca comprendono principalmente: l'acciaio inossidabile austenitico per bassissime temperature, formato dall'aggiunta di carbonio e azoto alla base dell'acciaio inossidabile di tipo 18-8; l'acciaio inossidabile austenitico ad alto tenore di manganese 15Mn26Al4; l'acciaio al Ni (wNi=12%) -Ti (wTi=0,25%), Ni (wNi=13%) -Mo (WMo=3%) e leghe a base di Ni.
A differenza dei materiali ordinari, la caratteristica distintiva dei materiali a memoria di forma è che mantengono la loro deformazione quando viene applicata una sollecitazione a basse temperature e non scompaiono dopo la rimozione della sollecitazione. Tuttavia, quando viene riscaldato al di sopra di una certa temperatura critica intrinseca, il materiale può recuperare completamente la forma geometrica precedente alla deformazione, come se ricordasse la sua forma originale.
Questo fenomeno è noto come effetto memoria di forma. I materiali che presentano questo effetto sono chiamati materiali a memoria di forma. Sia i materiali a memoria metallica che quelli ceramici mostrano l'effetto di memoria di forma attraverso la trasformazione di fase martensitica, mentre i materiali a memoria polimerica mostrano questo effetto a causa dei cambiamenti nella loro struttura a catena con la temperatura.
I materiali a memoria di forma sono principalmente leghe a memoria di forma, di cui esistono decine di esemplari attualmente in uso. Si possono suddividere grossolanamente in:
1) A base di nichel-titanio (Ni-Ti): Composte da nichel e titanio con un rapporto atomico di 1:1, queste leghe presentano superbi effetti di memoria di forma, elevata resistenza al calore, alla corrosione, alla forza e un'impareggiabile resistenza alla fatica termica, oltre a un'eccellente biocompatibilità. Tuttavia, il costo elevato delle materie prime e i difficili processi di produzione le rendono costose e difficili da lavorare.
2) A base di rame: Le leghe a base di rame sono economiche, facili da produrre, hanno buoni effetti di memoria di forma, bassa resistività e buona lavorabilità. Tuttavia, il tasso di recupero della forma diminuisce con l'uso prolungato o ripetuto, un problema che deve essere affrontato. Le leghe a base di rame più pratiche sono Cu-Zn-Al, mentre altre includono Cu-Al-Mn e Cu-Al-Ni.
3) A base di ferro: Le leghe a memoria di forma a base di ferro hanno un'elevata resistenza, una buona plasticità e sono poco costose. Le leghe a memoria di forma a base di ferro attualmente in fase di sviluppo e ricerca includono principalmente Fe-Mn-Si e Fe-N-Co-Ti.
Recentemente, l'effetto di memoria di forma è stato scoperto in materiali ceramici, polimerici e superconduttori, ognuno con caratteristiche uniche, ampliando ulteriormente le prospettive di applicazione dei materiali di memoria.
I materiali a memoria di forma sono stati ampiamente applicati nei settori dell'aviazione, dell'aerospaziale, dei macchinari, dell'elettronica, dell'energia, della medicina e della vita quotidiana. Ad esempio, un'azienda aeronautica americana ha utilizzato l'effetto della memoria di forma per risolvere il problema della connessione dei tubi dell'olio, difficili da saldare, sul caccia F-14.
L'idrogeno, essendo una fonte energetica non inquinante e disponibile in abbondanza sulla Terra, è destinato a diventare una fonte energetica primaria in futuro. Tuttavia, lo stoccaggio dell'idrogeno rappresenta una sfida significativa. Un materiale funzionale in grado di assorbire e immagazzinare idrogeno sotto forma di idruri metallici e di rilasciare l'idrogeno immagazzinato quando necessario viene definito materiale di stoccaggio dell'idrogeno.
I materiali di stoccaggio dell'idrogeno assorbono l'idrogeno per formare idruri metallici e rilasciano calore al momento del raffreddamento o della pressurizzazione. Al contrario, ritornano al metallo e all'idrogeno, rilasciando idrogeno gassoso e assorbendo calore al riscaldamento o alla depressurizzazione. La densità dell'idrogeno nei materiali di stoccaggio è da 1000 a 1300 volte quella dell'idrogeno gassoso.
Attualmente, i principali materiali di stoccaggio dell'idrogeno in fase di studio e sviluppo includono:
A base di magnesio: Questi materiali hanno una grande capacità di immagazzinare idrogeno e sono a basso costo. Lo svantaggio è che hanno bisogno di temperature superiori a 250°C per rilasciare l'idrogeno. Ne sono un esempio Mg2Ni, Mg2Cu, ecc.
A base di titanio: Le leghe di stoccaggio dell'idrogeno a base di titanio hanno una grande capacità di assorbimento dell'idrogeno, sono facilmente attivabili a temperatura ambiente, sono a basso costo e adatte ad applicazioni su larga scala. Tra gli esempi vi sono leghe binarie come titanio-manganese, titanio-cromo e leghe ternarie e multielemento come titanio-manganese-cromo, titanio-zirconio-cromo-manganese, ecc.
A base di zirconio: Caratterizzati da eccellenti proprietà di stoccaggio dell'idrogeno anche a temperature superiori a 100°C, sono in grado di assorbire e rilasciare grandi quantità di idrogeno in modo rapido ed efficiente, rendendoli adatti come materiali di stoccaggio dell'idrogeno ad alta temperatura. Ne sono un esempio ZrCr2, ZrMn2, ecc.
A base di terre rare: Le leghe di stoccaggio dell'idrogeno a base di terre rare, rappresentate dalla lega di lantanio-nichel LaNi, hanno buone proprietà di assorbimento dell'idrogeno e sono facilmente attivabili. Rilasciano rapidamente l'idrogeno a temperature superiori a 40°C, ma il loro costo è relativamente elevato.
Per ridurre i costi e migliorare le prestazioni, le terre rare miste possono sostituire il lantanio o altri elementi metallici possono sostituire parzialmente la lega di stoccaggio dell'idrogeno multielemento formata da terre rare miste e Ni.
A base di ferro: La più tipica lega di stoccaggio dell'idrogeno a base di ferro è la lega ferro-titanio. Ha eccellenti proprietà di stoccaggio dell'idrogeno ed è a basso costo, ma l'attivazione è relativamente difficile.
I materiali in natura possono essere classificati in tre tipi in base alle loro proprietà magnetiche: diamagnetici, paramagnetici e ferromagnetici. I materiali magnetici sono sostanze che possiedono il ferromagnetismo.
I materiali magnetici sono essenziali in settori quali l'elettronica, l'energia, i motori elettrici, la strumentazione e le telecomunicazioni. In base alle loro proprietà magnetiche, i materiali magnetici possono essere classificati in materiali magnetici morbidi e materiali magnetici duri.
I materiali magnetici morbidi sono quelli che si magnetizzano facilmente sotto un campo magnetico esterno e si smagnetizzano prontamente quando il campo esterno viene rimosso. Sono caratterizzati da elevata permeabilità, alta forza di induzione magnetica, bassa coercitività e minima perdita di energia durante la magnetizzazione e la smagnetizzazione.
Esistono molti tipi di materiali magnetici morbidi: i più comuni sono il ferro elettrico puro, le lamiere di acciaio al silicio, le leghe Fe-Al, le leghe Fe-Ni e i materiali magnetici morbidi di ferrite.
I materiali magnetici duri, noti anche come materiali magnetici permanenti, sono quelli in grado di generare un campo magnetico senza alimentazione esterna una volta magnetizzati.
Questi materiali sono caratterizzati da una notevole coercitività e magnetismo residuo e sono ampiamente utilizzati in strumenti magnetoelettrici, altoparlanti, generatori a magneti permanenti e dispositivi di comunicazione.
I materiali magnetici duri attualmente in uso e in fase di studio possono essere suddivisi grossolanamente in materiali magnetici duri metallici, materiali magnetici duri di ferrite, materiali magnetici duri di terre rare e materiali magnetici duri di neodimio-ferro-boron.
Inoltre, esistono alcuni materiali magnetici per scopi speciali, come i materiali di memoria magnetica per la registrazione delle informazioni (produzione di nastri magnetici, dischi magnetici, ecc.), i materiali utilizzati per le testine di registrazione, i materiali magnetici di memoria nei computer elettronici e i materiali di compensazione magnetica negli strumenti di precisione.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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