Riassunto analitico
In questa tesi si fornisce dapprima un’introduzione globale a trecentosessanta gradi sui metamateriali e sul percorso storico con cui si sono affermati nel campo scientifico. Visto che i metamateriali sono stati indagati inizialmente per le loro peculiari proprietà elettromagnetiche, queste ultime sono utilizzate come punto di partenza della trattazione e descritte in maniera schematica e coerente, tentando di spiegare con chiarezza il collegamento tra alcune caratteristiche e le loro cause da ricercare nelle strutture geometriche dei metamateriali. In particolare, ci si concentra sull’indice di rifrazione negativo di questa classe di materiali, illustrando, al di là delle conseguenze nel comportamento fisico, come poter sfruttare tale proprietà in alcuni impieghi particolari. In seguito, si delineano in modo approfondito le caratteristiche meccaniche dei metamateriali. Prima, sono riportati alcuni parametri fisici e meccanici utili ad analizzare le peculiarità di tali materiali. Poi si fornisce una classificazione logica dei metamateriali meccanici basata sulle loro qualità, legando ogni volta le proprietà macroscopiche alla conseguente struttura geometrica, spiegando tale correlazione dal punto di vista fisico-meccanico e fornendo di caso in caso esempi di strutture architetturizzate. Successivamente, l’attenzione si focalizzata sulla descrizione razionale delle strutture metamateriche dei metamateriali meccanici, sottolineando i fenomeni che provocano la variazione di proprietà nel passare da un materiale bulk ad uno reticolare, sia dal punto di vista macro-meccanico che da quello di vista micro-meccanico. Così, rispetto alle caratteristiche finali desiderate, sono rappresentati i passaggi e le metodologie logiche per ottemperare alla progettazione analitica di tali strutture geometriche e alla loro realizzazione mediante tecniche di additive manufacturing.
Per evitare di fornire una sola panoramica globale e generale, seppur approfondita, nella seconda parte si illustra il caso di metamateriali in Nitinol, utilizzati per unire le capacità di smorzamento superelastico di tale lega a memoria di forma a quelle di smorzamento dovute alla geometria reticolare dei metamateriali stessi. Per far questo, si correda la trattazione con dei richiami teorici essenziali ma fondamentali sulle leghe a memoria di forma in Nitinol e sulle loro proprietà, così come sulla natura fisica ondosa delle vibrazioni, sulla loro propagazione e sul loro smorzamento. Soltanto a questo punto si riporta e si analizza una ricerca recente sviluppatasi negli ultimi anni, incentrata sullo studio dell’assorbimento energetico, ai fini di smorzamento, dei metamateriali in NiTi. In particolare, l’assorbimento energetico stesso è stato legato alle caratteristiche di superelasticità e quindi sono indagate le correlazioni tra questa proprietà ed una moltitudine di variabili in tali metamateriali: la variabilità di forma geometrica nella struttura reticolare, il comportamento in deformazione della struttura, la temperatura di esercizio, la densità relativa della struttura reticolare, la disomogeneità microstrutturale, la variazione delle temperature di transizione di fase, la tipologia e ciclicità del carico applicato, l’andamento della temperatura locale dovuta al comportamento laser durante la realizzazione del metamateriale, la comparsa di frattura prematura. Infine, sono studiati trattamenti termici di precipitazione per poter migliorare la superelasticità e dunque l’assorbimento energetico di tali metamateriali in caso di utilizzo di tali strutture con funzioni di damping.
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