آلیاژ حافظه‌دار

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو
نمودار sma

دو نوع اصلی از آلیاژهای حافظه شکل عبارتند از مس-آلومینیوم نیکل و آلیاژهای نیکل تیتانیوم (NiTi) اما SMA‌ها همچنین می‌توانند توسط آلیاژ روی، مس، طلا و آهن ایجاد شوند. اگر چه SMA‌های مبتنی بر آهن و مس، مانند Fe-Mn-Si، Cu-Zn-Al و Cu-Al-Ni، در دسترس تجاری هستند و ارزان تر از NiTi، SMA‌های مبتنی بر NiTi برای اکثر برنامه‌های کاربردی به دلیل ثبات آن‌ها ترجیح داده می‌شوند، عملی بودنو عملکرد ترمو مکانیک برتر [4] SMA‌ها می‌توانند در دو مرحله مختلف با سه ساختار کریستال مختلف (یعنی مارتنزیت twinned، مارتنزیت detwinned و austenite) و شش تبدیل ممکن وجود داشته باشد.

آلیاژهای NiTi از آستنیت به مارتنزیت پس از سرد شدن تغییر می‌کنند. Mf دما است که در آن گذار به مارتنزیت پس از خنک شدن کامل می‌شود. بر این اساس، در طول حرارت، به همان ترتیب، و به صورت اف، دمایی است که در آن تبدیل از مارتنزیت به آستنیت شروع و پایان می یابد. استفاده مجدد از اثر حافظه شکل می‌تواند منجر به تغییرات درجه حرارت تغییر شکل (این اثر به عنوان خستگی عملکرد شناخته شده‌است، به عنوان آن را نزدیک با تغییر ویژگی‌های ریز ساختاری و عملکردی مواد). حداکثر درجه حرارت که SMA‌ها دیگر نمی‌توانند تحت تأثیر استرس قرار گیرند نامیده می‌شود Md، جایی که SMAs به شکل دائمی تغییر شکل داده می‌شوند.

انتقال از فاز مارتنزیت به فاز آستنیت فقط به دما و استرس بستگی دارد، نه زمان، به عنوان بیشتر تغییرات فاز، به عنوان هیچ انتشار درگیر است. به‌طور مشابه، ساختار آستنیتی نام خود را از آلیاژهای فولادی یک ساختار مشابه دریافت می‌کند. این انتقال غیرمستقیم بین این دو فاز است که منجر به خواص ویژه می‌شود. در حالی که مارتنزیت را می‌توان از طریق آستنیت سریعا از فولاد کربن تشکیل داد، این فرایند غیرقابل برگشت نیست، بنابراین فولاد ویژگی‌های حافظه شکل ندارد.[۱]

خواص[ویرایش]

الیاژ حافظه دار خواص متفاوتی دارند. دو خاصیت معمول در این آلیاژ

می باشد. تصویر شماتیک این دو اثر را در شکل زیر ملاحظه میفرمایید:one way shape memorytwo way shape intrinsic memory

هنگامی که یک آلیاژ حافظه دار در حالت سرد خود (زیر As) باشد، فلز می‌تواند خم و یا کشیده شود و این شکل‌ها را نگه می‌دارد تا بالای دمای انتقال گرم شود. پس از گرم شدن، شکل به اصل آن تغییر می‌کند. هنگامی که فلز دوباره خنک شود، آن را در شکل گرم باقی می‌ماند، تا زمانی که دوباره تغییر شکل دهد. با اثر یک طرفه، خنک شدن از دماهای بالا یک تغییر شکل ماکروسکوپی ایجاد نمی‌کند. تغییر شکل لازم برای ایجاد شکل کم دما است. در گرمایش، تبدیل در As آغاز می‌شود و در AF تکمیل می‌شود (معمولا 2 تا 20 درجه سانتیگراد یا گرمتر، بسته به نوع آلیاژ یا شرایط بارگیری). همانطور که توسط نوع و ترکیب آلیاژ تعیین می‌شود و می‌تواند بین -150 °C و 200 °C متفاوت باشد.

یکی دیگر از خواص این الیاژ* سوپرالاستیسیته می‌باشد که آلیاژ به محض باربرداری به شکل اولیه اش باز می‌گردد. بنابراین در این حالت برای رسیدن به شکل اولیه نیازی به اعمال حرارت نمی‌باشد.

اثر حافظه دو طرفه اثر این است که ماده به دو شکل متفاوت به چشم میخورد: یکی در دماهای پایین و دیگری در شکل درجه حرارت بالا. گفته می‌شود که یک ماده که اثر حافظه شکل را در حین گرم کردن و خنک کردن نشان می‌دهد دارای حافظه دو طرفه است. این را نیز می‌توان بدون استفاده از یک نیروی خارجی (اثر دو طرفه درونی) به دست آورد. دلیل این که مواد در این شرایط رفتار بسیار متفاوت دارند، در آموزش قرار دارد. آموزش به این معنی است که یک حافظه شکل می‌تواند "یاد بگیرد" که رفتار خاصی داشته باشد. در شرایط عادی، یک آلیاژ حافظه شکل "به خاطر" شکل کم دما خود را می‌بخشد، اما با حرارت دادن برای بهبود شکل دمایی، فورا "شکل" فراموش شده را فراموش می‌کند. با این حال، می‌توان آن را آموزش داد "به یاد داشته باشید" برای ترک بعضی از یادآورهای شرایط دمای پایین تغییر شکل در مراحل با درجه حرارت بالا. چند راه برای انجام این کار وجود دارد: یک شی شکل و آموزش که فراتر از یک نقطه خاص گرم می‌شود اثر حافظه دو طرفه را از دست می‌دهد

این آلیاژها دارای ویژگی‌هایی مانند:

  • مقاومت به خوردگی بالا
  • مقاومت ویژه الکتریکی نسبتاً بالا
  • خواص مکانیکی نسبتاً خوب
  • خستگی طولانی
  • شکل‌پذیری بالا
  • قابلیت انطباق با بدن

ساختارهای کریستال[ویرایش]

بسیاری از فلزات دارای ساختارهای کریستالی مختلف با ترکیب مشابه هستند، اما اکثر فلزات این اثر حافظه شکل را نشان نمی‌دهند. خصوصیات خاصی که اجازه می‌دهد آلیاژهای حافظه شکل به شکل اصلی خود پس از گرمایش بازگردند تغییر شکل بلوری آن‌ها کاملا برگشت پذیر است. در اغلب تحولات کریستال، اتم‌های موجود در ساختار به وسیله انتشار، از طریق فلز عبور می‌کنند و ترکیبات را به صورت محلی تغییر می‌دهند، هرچند فلز به‌طور کلی از همان اتم ساخته شده‌است. تحول برگشت پذیر این انتشار اتم‌ها را شامل نمی‌شود، بلکه تمام اتم‌ها در یک زمان تغییر می یابند تا ساختار جدیدی را شکل دهند، به طوری که می‌توان از یک مربع با یک فشار بر روی دو طرف متضاد ساخته شود. در دماهای مختلف، ساختارهای مختلف ترجیح داده می‌شوند و زمانی که ساختار از طریق دمای انتقال سرد می‌شود، ساختار مارتنزیتی از فاز آستنیت تشکیل می‌شود.[۱]

سیستم‌های معمول[ویرایش]

تاکنون خواص حافظه‌داری در چند سیستم آلیاژی دیده شده‌است اما اکثر آن‌ها هنگام فعالسازی نیرو یا کرنش بالایی ایجاد نمی‌کنند. دو سیستم آلیاژ حافظه‌دار عمده که هنگام فعالسازی توانایی ایجاد نیروی بالایی در آن‌ها مشاهده شده‌است، عبارتند از سیستم‌های بر پایه مس[۲] (مثلاً ‎Cu-Sn, Cu-Zn, Cu-Al‎) و سیستم‌های بر پایه ‎ Ni-Ti[۳]‎ (مثلاً نایتینول). خواص حافظه‌داری سیستم‌های سه‌تایی بسیاری بر پایه این سیستم‌های دوتایی بررسی شده‌است.

زمان پاسخ و تقارن پاسخ[ویرایش]

محرک‌های SMA معمولاً به صورت الکتریکی عمل می‌کنند، جایی که جریان الکتریکی به حرارت جول برسد. غلط کردن معمولاً به وسیله انتقال حرارت گرما آزاد به محیط محیط انجام می‌شود. در نتیجه، حرکت SMA معمولاً نامتقارن است، با زمان فعال شدن نسبتا سریع و زمان غیر فعال شدن آهسته است. تعدادی از روش‌ها برای کاهش زمان غیر فعال کردن SMA، از جمله اجباری مجبور، و کاهش مقدار SMA با مواد رسانا برای دستکاری سرعت انتقال حرارت پیشنهاد شده‌است.

روش‌های نوین برای افزایش امکان اجرای SMA شامل استفاده از "عقب مانده" هدایت می‌شود. این روش از پودر حرارتی برای انتقال حرارت از SMA به وسیله هدایت استفاده می‌کند. سپس این گرما به راحتی به محیط زیست منتقل می‌شود، زیرا شعاع بیرونی (و منطقه انتقال حرارت) به‌طور قابل توجهی بیشتر از سیم سیم لخت است. این روش باعث کاهش قابل ملاحظه ای در زمان غیر فعال کردن و یک فعالیت فعال متقارن می‌شود. به عنوان یک نتیجه از افزایش سرعت انتقال حرارت، جریان مورد نیاز برای دستیابی به نیروی محرکه داده شده افزایش می یابد.

واکنش نیروی زمان نسبت به آلیاژ حافظه شکل نیافته و عقب مانده

[۱]

خستگی ساختاری و خستگی عملکردی[ویرایش]

SMA مستلزم خستگی ساختاری است - حالت شکست که توسط آن بارگذاری چرخه ای باعث آغاز و انتشار یک کرک می‌شود که در نهایت منجر به از دست رفتن عملکرد فاجعه بار توسط شکست می‌شود. فیزیک در این حالت خستگی، تجمع آسیب‌های میکرو سازنده در هنگام بارگذاری سیکل است. این حالت شکست در اغلب مواد مهندسی، نه فقط SMA‌ها مشاهده می‌شود.

SMA نیز به خستگی عملکردی منجر می‌شود، حالت شکست در انواع مواد مهندسی معمول نیست، بدین معنی که SMA به صورت ساختاری شکست نمی‌خورد، اما در طول زمان ویژگی‌های شکل / حافظه فوق العاده اش را از دست می‌دهد. در نتیجه بارگذاری چرخه ای (هر دو مکانیکی و حرارتی)، ماده از توانایی خود برای تبدیل یک فاز برگشت پذیر به دست می آید. به عنوان مثال، جابه جایی کار در یک محرک با افزایش تعداد چرخه کاهش می یابد. فیزیک پشت این تغییرات تدریجی در ریزساختار است، به‌طور خاص، ایجاد اختلالات لغزش محل اقامت. این اغلب با تغییر قابل توجهی در دماهای تغییرات همراه است. [20] طراحی سازندهای SMA همچنین ممکن است بر خستگی ساختاری و عملکردی SMA، مانند تنظیم پله در سیستم SMA-Pulley، تأثیر بگذارد.

راه اندازی ناخواسته[ویرایش]

محرک‌های SMA معمولاً توسط جول حرارت دادن الکتریکی عمل می‌کنند. اگر SMA در محيطی که درجه حرارت محیط کنترل نشده‌است استفاده شود، ممکن است ناخواسته از طریق گرمای محیط رخ دهد.[۱]

تاریخچه[ویرایش]

اولین گام‌ها به‌سوی کشف اثر حافظه‌داری شکلی در دهه ۱۹۳۰ گزارش‌شده‌است. به توجه به مطالب اوتسوکا و وایمن رفتار شبه الاستیک آلیاژ طلا-کادمیوم را اولاندر در سال ۱۹۳۲ کشف کرد. گرنینگر و مرادیان (۱۹۳۸) شکل‌گیری و ناپدید شدن فاز مارتنزیت در آلیاژ کادمیوم –روی را بر اثر افزایش و کاهش دما مشاهده کردند. اولین نمودهای اثر حافظه‌داری که تابع رفتار ترموالاستیک فاز مارتنزیت است به‌طور گسترده‌ای یک دهه بعد توسط کردجومو و خاندروس (۱۹۴۹) و نیز توسط چانگ و رد (۱۹۵۱) گزارش‌شده‌است. در سال ۱۹۵۶ اثر حافظه دار در آلیاژ مس و روی تز دکترا ی هوربوژن بود.[۴] آلیاژهای نیکل و تیتانیوم برای اولین بار در سال‌های ۱۹۶۲–۱۹۶۳ توسط بوهلر و همکارانش در آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی ایالات‌متحده توسعه‌یافته و نام تجاری نیتینول (مخفف نیکل تیتانیوم آزمایشگاه مهمات نیروی دریایی) به خود گرفت. خواص قابل‌توجه این آلیاژ به‌طور تصادفی کشف شد. نمونه‌ای که چند بار خم‌شده و از شکل اصلی خود خارج‌شده بود در جلسه مدیریت آزمایشگاه ارائه شد. یکی از مدیران فنی، دکتر دیوید موزی، تصمیم گرفت تا ببینید اگر نمونه گرم شود چه اتفاقی خواهد افتاد و فندک خود را زیر آن گرفت. در کمال شگفتی نمونه به شکل اصلی خود بازگشت.[۵][۶] نوع دیگری از آلیاژهای حافظه‌دار شکلی وجود دارد به نام آلیاژ فرومغنازطیس با حافظه شکلی که تغییر شکل تحت میدان مغناطیسی قوی رخ می‌دهد. این مواد به میدان‌های مغناطیسی سریع‌تر و کارآمدتر از تغییرات دما پاسخ می‌دهند. آلیاژهای فلزی تنها آلیاژهای پاسخگو به حرارت نیستند؛ پلیمرهای با حافظه شکلی نیز توسعه‌یافته‌اند و از اواخر دهه ۱۹۹۰ به‌صورت تجاری در دسترس هستند.[۱]

علت این پدیده[ویرایش]

عاملی که سبب تغییر شکل فلز یا بازگشت به شکل اولیه آن می‌شود اختلاف ساختار مولکولی در هر فاز است. زمانی که بار اعمال می‌شود، فلز تغییر شکل می‌دهد. سپس به محض برداشته شدن بار و اعمال کمی گرما، مولکول‌ها به شکل ساختاری سخت در می‌آیند، به گونه‌ای که به یک ساختار با شبکه‌ای متفاوت مبدل می‌شوند.

تغییر حالت متالوژیکی[ویرایش]

تغییر آرایش منجر به ایجاد ساختار کریستالی فاز جدید و پایدار می‌شود. پیشرفت تغییر حالت بدون نیاز به حرکت و جابجایی اتم‌ها به صورت مجزا، را می‌توان مستقل از زمان دانست و به همین دلیل می‌توان وابستگی دما را به عنوان اصلی‌ترین عامل پیشرفت این تغییر نشان داد.

کاربردها[ویرایش]

کاربردهای هوافضا:

۱-یکی از اولین کاربردهای آلیاژهای حافظه‌دار در مقیاس انبوه، استفاده در اتصالات لوله‌های هیدرولیک اف-۱۴ بود.[۷]

  1. سطح بال وسیع هواپیما موجب سهولت برخاستن و فرود می‌شود، اما در سرعت‌های مافوق صوت، به‌عنوان عاملی مزاحم، مقاومت زیادی ایجاد می‌کند که ضریب DRAG هواپیما را افزایش می‌دهد. امروزه با ورود مواد هوشمند به صنعت هواپیما و ساخت بال‌های قابل جمع شدن، به تمام شرایط مورد نظر پاسخ داده می‌شود.
  2. لباس سبک و راحت برای فضانوردان.

کاربرد معماری:

ِیکی دیگر از کاربردهای آلیاژهای حافظه دار (مارتینی) در مهندسی عمران می‌باشد. برای مثال، از آلیاژهای مارتینی در پایه پل‌ها یا دیوارهای بتنی برشی استفاده شده‌است.[۸]

کاربردهای خودرو سازی:

امروزه آلیاژهای حافظه‌دار جهت کنترل موتور، انتقال قدرت و توقّف اتومبیل استفاده می‌شود. همچنین از آن‌ها به عنوان جایگزینی به جای اجزای موتوراستفاده می‌شود که درهرچه سبکترکردن سیستم تحریک، حذف گیربکس وکلاچ مؤثر است.

کاربردهای پزشکی:

اما پزشکی اولین زمینه‌ای است که آلیاژهای حافظه‌دار در آن کاربردهای زیادی یافتند. علت این امر مناسب بودن دمای بدن برای عملکرد آلیاژهای حافظه‌دار در ناحیه شبه‌الاستیک است. کاربردهای پزشکی آلیاژهای حافظه‌دار شامل:

  1. از آلیاژهای حافظه دار (SMA) به عنوان فضا گیر یا Spacer بین مهره‌های ستون فقرات در حین عمل جراحی استفاده می‌شود که موجب استحکام ما بین دو مهره در حین بهبودی بعد از تغییر شکل ایجاد شده در جراحی اسکولیدز می‌شود.
  2. استفاده از آلیاژ حافظه‌دار در ارتودنسی دندان، شکل دیگری از قابلیت‌های آن است. سیم‌های ارتودنسی از جنس Ni-Ti وقتی در دمای ثابتی هستند شکل خود را حفظ می‌کنند، و به دلیل قابلیت سوپرالاستیسیتهٔ این فلز، سیم‌ها، شکل اولیهٔ خود را بعد از تکرار فشار و حذف آن دوباره به‌دست می‌آورند.
  3. فیلتر سیمون نسل جدیدی از وسایل استفاده شده برای جلوگیری از انسداد جریان خون می‌باشد. افرادی که قادر به استفاده از داروهای ضد انعقاد خون نمی‌باشند، استفاده‌کننده‌های اصلی این فیلتر می‌باشند. هدف استفاده از این وسیله تصفیه خون داخل رگ می‌باشد و فیلتر سیمون کمک می‌کند لخته‌های به وجود آمده در خون حل شود.
  4. مسدودکننده سوراخ دیواره دهلیزی: از این وسیله برای مسدود کردن سوراخ دیواره دهلیزی که بین دو دهلیز چپ و راست ایجاد می‌شود استفاده می‌گردد. این وسیله از سیم‌هایی با خاصیت حافظه داری و فیلم ضدآب که روی آن نصب شده‌است، تشکیل می‌شود. برای نصب این وسیله در داخل قلب ابتدا نیمه اول آن وارد بطن چپ شده و به شکل اولیه خود بر می‌گردد و در ادامه نیمه دوم که در بطن راست قرار می‌گیرد تغییر شکل یافته، به شکل اولیه خود. باید توجه داشت وجود این سوراخ غیر عادی است و امید افراد به زندگی را کاهش میدهد[۹]
  5. استنت‌های باز شونده خودکار نیز از جمله وسایل مهمی است که در حفظ قطر داخلی رگ‌های تنگ شده و کاهش قطر و بسته شدن آن‌ها کاربرد دارد. استنت‌ها به شکل استوانه‌های توری ساخته می‌شوند و متناسب بانوع و محل کاربرد دارای اقطار متفاوتی می‌باشند. از جمله محل‌های مورد استفاده از استنت‌ها سرخرگ، سیاهرگ، رگ‌های خونی، مجاری، صفراوی و مری می‌باشد.
  6. Thrombectomy: با کمک این وسیله می‌توان لخته‌های خونی را که منجر به وقوع کم خونی موضعی می‌شود، از بین برد. نوک وسیله به شکل دربازکن بطری طراحی شده‌است.
  7. حذف لخته‌های خونی در سه مرحله انجام می‌شود. استنت در شکل موقت خود مستقیماً از داخل لخته خونی عبور داده می‌شود. سپس استنت به وسیله یک لیزر دیودی حرارت داده شده، به شکل اولیه خود در می‌آید. در نهایت هنگام بیرون کشیدن، استنت لخته‌های خونی را از بین می‌برد.

مواد حافظه دار[ویرایش]

  1. آلیاژ نیکل-تیتانیوم به عنوان پر استفاده‌ترین آلیاژ حافظه دار شناخته شده‌است.
  2. آلیاژهای حافظه دار دیگر شامل فلزات:
    1. مس، آلومینیوم، نیکل
    2. مس، روی، آلومینیوم
    3. آهن، منگنز، سیلیکون

گری بااستفاده از کوره‌های القایی و کوره‌های مقاومتی صورت می‌گیرد.

درشت‌شدن دانه‌ها و به‌وجود آمدن رسوبات، مهم‌ترین مشکلات تولید به‌روش ریخته‌گری است که می‌توانند باعث کاهش خواص حافظه‌داری و خواص مکانیکی گردند.

جستار های وابسته[ویرایش]

ریخته‌گری

نایتینول

کریستال

مارتنزیت

استنیت

منابع[ویرایش]

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ ۱٫۲ ۱٫۳ ۱٫۴ ویکی‌پدیای انگلیسی
  2. C.Y. Chung, C.W.H. Lam, Cu-based shape memory alloys with enhanced thermal stability and mechanical properties, Material Science and Engineering A, Vol. 273 (1999) pp. 622-624. doi:10.1016/S0921-5093(99)00335-4
  3. Y.B. Xu, R.J. Wang, Z.G. Wang, In-situ investigation of stress-induced martensitic transformation in the Ti-Ni shape memory alloy during deformation, Materials Letters, Vol. 24 (1995) pp.355-358. doi:10.1016/0167-577X(95)00127-1
  4. Shape Memory Materials, K Otsuka, CM Wayman, Cambridge University Press, 1999 ISBN 0-521-66384-9
  5. Kauffman, George, and Isaac Mayo (October 1993). "Memory Metal" (PDF). Chem Matters: 4–7.
  6. Oral history by William J. Buehler. (PDF). Retrieved on 2011-12-04.
  7. J. V. Humbeeck, Non-medical applications of shape memory alloys, Materials Science and Engineering: A, vol. 273-275, pp. 134–148, 1999. doi:10.1016/S0921-5093(99)00293-2
  8. Ghassemieh, M.; Saberdel Sadeh, M.; Mostafazadeh, M. (2012). "بررسی رفتار دیوارهای بتنی مجهز به آلیاژهای حافظه شکلی مارتنزایتی". شریه مهندسی عمران و محیط زیست. 23 (5): 535. Text "http://ceej.tabrizu.ac.ir/article_5187_fb886702aacaf63658923f97c572f3e4.pdf" ignored (help)
  9. ابراهیمی کی پور، محمد ابراهیم حامد (۱۳۸۸). مواد پیشرفته. تهران: دانش پویان جوان. صص. ۶۲. شابک ۹۷۸-۶۰۰-۵۳۷۶-۰۷-۴. کاراکتر line feed character در |نام= در موقعیت 13 (کمک); کاراکتر line feed character در |نام خانوادگی= در موقعیت 9 (کمک)