Booosting 19april2011_Nieuwe Materialen_Charlotte Lelieveld tud smart materials

Challenge the future

DelftUniversity ofTechnology

Slimme materiaalsystemen voor aanpasbare architectonische toepassingen Charlotte Lelieveld

PromovendaArchitectural Engineering Technische Universiteit [email protected]

2Smart Materials for architectural application

Outline

• Smart materials in architectuur• Voorbeeldprojecten• Onderzoek


Smart Material Systems

• Sensorische en actuation eigenschappen• Intrinsieke materiaal eigenschap• Omkeerbaar

ThermischpH

MagnetismePhotoHydro

ElektrischChemical

Mechanisch

MechanischElectro

ViscositeitVervorming

TransparantieKleur

Stimuli Action



• Passieve Systeem- reageert onmiddelijk op veranderbare stimuli • Actief Systeem- materiaal wordt geactiveerd by controle systeem

Stimulus Action/ actuation

Stimulus Systeem

Gebruiker

Action/ actuation

Passief Systeem

Actief Systeem



Architecture



• Self Healing Materials• Polymeren- Polymeren laden met ionen- Capsules met lijm• Beton-Bacterie maakt calcite• Metaal• Coating (verf)

www.umsicht.fraunhofer.de

www.selfhealingmaterials.nl



Klimaat en daglicht systemen• Actieve and passieve geïntegreerde systemen• Kleur/ transparency veranderd • Electro/ thermo/ foto/ gasochromic• Electro/ thermotropic• Suspended Particles



Passieve systeem• Tropic-opaak• Thermochromic translucent

Technologie Stimulus Visuele lichttransmissie transparant

Visuele lichttransmissie opaak

Producenten

Fotochromisch (PC)

Ultraviolet licht

60% 4% Fraunhofer

Thermotropisch (TC)

Temperatuur 70 % 16-44% Okalux

Thermochromisch Temperatuur >50% <10% Pleotint



12-48hr, kleur, kleine

oppervlakte, degraderen, transparant

Buizen

Energie transprarante fase phase,

Verschillende kleuren

Actieve systemen

Technologie Stimulus Visuele lichttransmissie transparant

Visuele lichttransmissieopaak

Energie consumptie

Producenten

Electrochromisch (EC)

Electriciteit 70-50 % 3.5-10% 1-5 V Sage Electrochromics, Saint Gobain, Gesimat

Gasochromisch (GC)

Waterstof 50-60% 11-15% Interpane

Polymer Dispersed Liquid Crystal (PDLC)

Electriciteit 80% 30% 24-100V Peer+, Interpane, Saint Gobain, Prodisplay

Suspended particle device (SPD)

Electriciteit 80% 50% 100V Research Frontiers Inc.





Thermochromisch• Warmte activatie• Electro/photo/gaso/



Phase change materials• Binnenklimaat• Passieve systeem• Fase verandering bij verschillende T• Warmte accumulatie• Latente warmte opslag

www.capzo.nl

www.basf.com



Phase change materials• Paraffine of zoutoplossing in capsules• 30-50 jaar• Gips/ pleister



Rheological fluid • Viscositeit veranderd• Geactiveerd door magnetisme/ electrische stroom• Lage viscositeit-bijna vloeibaar

www.lord.com



Rheological fluid • Miraikan gebouw, Japan• Dong Ting Lake brug, China



Self cleaningTitandioxide• Afname concentratie fijnstof• Ontgifting van regenwater NOx into NO-

3

• Self cleaning surface, bacterie, pollen, stof, schimmels• Foto synthese• Regenwater voor oppervlakte reiniging• Kan in verschillende mengsels toegevoegd worden www.enci.nl

www.pilkingtonselfcleaningglass.co.ukwww.airrevolution.co.zapuregreencoatings.com



Self cleaning window• Hydrofiel• Katalysator lost niet zelf op-reactie is eindeloos • 10-20% duurder



Photovoltaic cells

・ 5V, 450mW



Projecten



• Actuatoren• Geheugenlegering• Philip Beesley- • Interactieve installaties



• Actuatoren• Electro actieve polymeren• Electrische stroom activatie• Manuel Kretzer, ETH Zurich

eap.jpl.nasa.govwww.responsivedesign.de



Onderzoek


Concept

• Vorm morphing component• Scharnier principe• Vervorming fixeren, zonder energie input• Gecontroleerd deformatie• Terugkeren• Veelvoudige deformatie


Concept

Nadeel mechanische systemen• Complexe systemen• Zware en grote constructies• Geluidsoverlast• Hoge onderhoudskosten


Concept

• Actuatoren• Shape Memory Alloys/ Geheugenlegeringen• Warmte activatie• Grote vervormingen • Fase verandering• Robotics, medisch


Concept

• Actuatoren• Shape Memory Polymer/ Geheugenpolymeer• Thermo responsief• Stijf bij lage temperaturen• Medische, Textiel, aerospace, mallen


Concept

• Geheugenpolymeer Matrix• Geheugenalloy Actuators


Concept

• Shape Memory Polymer Matrix• Shape Memory Alloy Actuators


Concept

• Passieve verwarming


Concept

• Weerstandverwarming• Geïntegreerde verwarming polymeer


ToepassingWind & daglichtsysteem


Adaptive Facade SystemWind optimalisatie


ToepassingVentilatie & Functionaliteit


ToepassingVentilatie & Functionaliteit


Conclusie

• Verschillende smart material systems op de markt• Kleine schaal• Hoge kosten• Vorm morphing architectuur met het gebruik van smart materials heeft nog veel ontwikkeling nodig• Smartness is enhanced by (integrated) control system



Smart Composites for Architectural ApplicationsCharlotte Lelieveld PhD researcher Architectural Engineering Delft University of [email protected]



• Actuators• Piezo ceramic/ polymer• Mechanical deformation on electric current• Electric current upon mechanical deformation• Polarity depended• Actuation & sensor application• Zirconate titanate