Форма-память сплава

Сплав с памятью формы (SMA, умный металл, металл памяти, сплав памяти, мышечная проволока, интеллектуальный сплав) – это сплав, который «запоминает» свою первоначальную форму и что при деформировании возвращается к своей предварительно деформированной форме при нагревании. Этот материал представляет собой легкую, твердоватую альтернативу обычным приводам, таким как гидравлические, пневматические и моторные системы. Сплавы с образной памятью имеют приложения в области робототехники и автомобилестроения, аэрокосмической и биомедицинской промышленности.

обзор
Двумя наиболее распространенными сплавами с памятью формы являются медно-алюминиево-никелевые и никель-титановые (NiTi) сплавы, но SMA также могут быть созданы путем легирования цинка, меди, золота и железа. Хотя SMA на основе железа и меди, такие как Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al и Cu-Al-Ni, коммерчески доступны и дешевле, чем NiTi, SMA на основе NiTi являются предпочтительными для большинства применений из-за их стабильности , практичность и превосходные термомеханические характеристики. SMAs могут существовать в двух разных фазах с тремя различными кристаллическими структурами (т. Е. С двойным мартенситом, распределенным мартенситом и аустенитом) и шестью возможными трансформациями.

Сплавы NiTi изменяются от аустенита до мартенсита при охлаждении; Mf – температура, при которой переход к мартенситу завершается при охлаждении. Соответственно, при нагревании As и Af – температуры, при которых начинается и заканчивается переход от мартенсита к аустениту. Повторное использование эффекта памяти формы может привести к смещению характерных температур трансформации (этот эффект известен как функциональная усталость, поскольку он тесно связан с изменением микроструктурных и функциональных свойств материала). Максимальная температура, при которой SMA больше не может быть вызвана стрессом, называется Md, где SMAs деформируются постоянно.

Переход от фазы мартенсита к фазе аустенита зависит только от температуры и напряжения, а не от времени, так как большинство фазовых изменений происходит, поскольку диффузия не происходит. Аналогично, аустенитная структура получает свое название от стальных сплавов аналогичной структуры. Это обратимый диффузионный переход между этими двумя фазами, что приводит к особым свойствам. В то время как мартенсит может быть образован из аустенита путем быстрого охлаждения углеродистой стали, этот процесс не является обратимым, поэтому сталь не обладает свойствами памяти формы.

ξ (T) представляет собой долю мартенсита. Разница между переходом нагрева и переходом на охлаждение приводит к гистерезису, когда в процессе процесса теряется некоторая механическая энергия. Форма кривой зависит от свойств материала сплава с памятью формы, такого как легирование. и упрочнение.

Полезные эффекты
Сплавы с памятью формы могут передавать очень большие силы без заметной усталости до нескольких 100 000 циклов движения. По сравнению с другими материалами привода, сплавы с памятью формы на сегодняшний день являются наибольшей удельной производительностью (отношение работы к объему материала). Элементы памяти формы могут работать в течение нескольких миллионов циклов. Однако по мере увеличения числа циклов свойства элементов памяти формы, например, могут оставаться остаточным напряжением после преобразования.

В принципе, все сплавы с памятью формы могут выполнять эффекты памяти формы. Соответствующий желаемый эффект является задачей технологии изготовления и материалов и должен быть обучен путем настройки рабочих температур и оптимизации размеров эффекта.

Односторонняя и двусторонняя память форм
Сплавы с памятью формы имеют разные эффекты в форме формы. Два общих эффекта – односторонняя и двухсторонняя память формы. Ниже приведена схема эффектов.

Процедуры очень похожи: начиная с мартенсита, добавляя обратимую деформацию для одностороннего эффекта или сильной деформации с необратимым количеством для двухсторонней, нагревая образец и снова охлаждая его.

Эффект односторонней памяти
Когда сплав с памятью формы находится в холодном состоянии (ниже As), металл может быть согнут или растянут и будет удерживать эти формы до нагревания выше температуры перехода. При нагревании форма меняется на исходную. Когда металл снова остынет, он останется в горячей форме, пока не деформируется снова.

С односторонним эффектом охлаждение от высоких температур не вызывает изменения макроскопической формы. Для создания низкотемпературной формы необходима деформация. При нагревании трансформация начинается с As и заканчивается в Af (обычно от 2 до 20 ° C или более горячее, в зависимости от сплава или условий нагрузки). Как определено сплавом типа и состава и может варьироваться от -150 ° C до 200 ° C.

Эффект двусторонней памяти
Двусторонний эффект памяти формы – это эффект, который материал помнит две разные формы: одну при низких температурах и одну в высокотемпературной форме. Говорят, что материал, который показывает эффект памяти формы во время нагрева и охлаждения, имеет память в двух направлениях. Это также можно получить без применения внешней силы (внутренний двухсторонний эффект). Причина, по которой материал ведет себя так по-разному в этих ситуациях, заключается в обучении. Обучение подразумевает, что память формы может «учиться» вести себя определенным образом. При нормальных обстоятельствах сплав с памятью формы «запоминает» его низкотемпературную форму, но при нагревании для восстановления высокотемпературной формы сразу «забывает» низкотемпературную форму. Однако его можно «обучить» «помнить», чтобы оставить некоторые напоминания о деформированном низкотемпературном состоянии в высокотемпературных фазах. Есть несколько способов сделать это. Образованный, обученный предмет, нагретый за определенную точку, потеряет эффект двусторонней памяти.

Псевдоэластичное поведение («сверхэластичность»)
В сплавах с памятью формы, помимо обычной упругой деформации, можно наблюдать обратимое изменение формы, вызванное внешней силой. Эта «упругая» деформация может превышать эластичность обычных металлов до 20 раз. Однако причина такого поведения не является связывающей силой атомов, а фазовым превращением внутри материала. Материал должен присутствовать в высокотемпературной фазе с аустенитной структурой. Под внешними напряжениями гранично-центрированные кубические формы аустенита в тетрагональном искаженном (центрированном по центру или кубически-центрированном, тетрагональном искаженном решетке) мартенсите (стресс-индуцированном мартенсите) вокруг. При выгрузке мартенсит возвращается к аустениту. Поскольку каждый атом сохраняет свой соседний атом во время преобразования, его также называют диффузионным фазовым преобразованием. Следовательно, свойство называется псевдоупругим. Материал возвращается, когда его внутреннее натяжение возвращается в исходную форму. Для этого не требуется никаких изменений температуры.

SMAs также демонстрируют сверхэластичность, которая характеризуется восстановлением относительно больших деформаций с некоторыми, однако, диссипацией. В дополнение к температурным фазовым превращениям мартенситная и аустенитная фазы могут быть вызваны в ответ на механическое напряжение. Когда SMAs загружаются в аустенитную фазу (т. Е. Выше определенной температуры), материал начнет трансформироваться в (двойнистую) мартенситную фазу при достижении критического напряжения. При продолжительной загрузке и при допущении изотермических условий мартенсит (сдвоенный) начнет развиваться, что позволит материалу претерпеть пластическую деформацию. Если разгрузка происходит до пластичности, мартенсит переходит обратно в аустенит, и материал восстанавливает свою первоначальную форму, развивая гистерезис. Например, эти материалы могут обратимо деформироваться до очень высоких напряжений – до 7 процентов. Более подробное обсуждение псевдоупругого поведения представлено экспериментальной работой Шоу и Кириакидеса, а в последнее время Ма и др.

история
Первые сообщенные шаги к открытию эффекта памяти формы были предприняты в 1930-х годах. Согласно Оцуке и Вейману, Арне Оландер обнаружил псевдоупругое поведение сплава Au-Cd в 1932 году. Гренингер и Мурадян (1938) наблюдали образование и исчезновение мартенситной фазы за счет уменьшения и увеличения температуры сплава Cu-Zn. Основным явлением эффекта памяти, определяемым термоупругим поведением мартенситной фазы, было широко известно десятилетие спустя Курджумов и Хандрос (1949), а также Чанг и Рид (1951).

Никель-титановые сплавы были впервые разработаны в 1962-1963 гг. Лабораторией военного флота США и были коммерциализированы под торговым наименованием Nitinol (аббревиатура для Niel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Их замечательные свойства были обнаружены случайно. Образец, который неоднократно искажался из-за формы, был представлен на совещании по управлению лабораторией. Один из помощников технических директоров, д-р Дэвид С. Муззи, решил посмотреть, что произойдет, если образец будет подвергнут нагреванию и поднять его под трубу. К всеобщему изумлению образец растянулся до своей первоначальной формы.

Существует еще один тип SMA, называемый ферромагнитным сплавом с памятью формы (FSMA), который меняет форму при сильных магнитных полях. Эти материалы представляют особый интерес, поскольку магнитный отклик имеет тенденцию быть более быстрым и эффективным, чем реакции, вызванные температурой.

Металлические сплавы не являются единственными термочувствительными материалами; полимеры с памятью формы также были разработаны и стали коммерчески доступными в конце 1990-х годов.

Кристаллические структуры
Многие металлы имеют несколько разных кристаллических структур в одном составе, но большинство металлов не проявляют этого эффекта памяти формы. Специальное свойство, позволяющее сплавам с памятью формы возвращаться к исходной форме после нагрева, заключается в том, что их кристаллическое превращение полностью обратимо. В большинстве кристаллических превращений атомы в структуре будут проходить через металл путем диффузии, изменяя состав локально, хотя металл в целом состоит из одних и тех же атомов. Обратимое преобразование не связано с этой диффузией атомов, вместо этого все атомы сдвигаются в одно и то же время, чтобы сформировать новую структуру, в значительной степени способствуя параллелограмму из квадрата, нажимая на две противоположные стороны. При разных температурах предпочтительными являются разные структуры, и когда структура охлаждается через температуру перехода, мартенситная структура образуется из аустенитной фазы.

Магнитные сплавы с памятью формы
В дополнение к описанным выше термически возбужденным магнитным сплавам существуют сплавы с памятью формы (англ. Magnetic memory memory alloy, MSMA), показывающие магнитно возбужденное изменение формы. В этом случае перемещайтесь через приложение внешнего магнитного поля, границы двойников и меняются форма и длина. Достижимое изменение длины таких сплавов в настоящее время находится в диапазоне до 10% при относительно небольших (в отличие от магнитострикционных материалах) малых переносимых силах.

Производство
Сплавы с образцовой памятью обычно изготавливают путем литья с использованием вакуумной дуговой плавки или индукционной плавки. Это специальные методы, используемые для минимизации примесей в сплаве и обеспечения хорошего смешивания металлов. Затем слиток подвергают горячей прокатке на более длинные секции, а затем наматывают, чтобы превратить его в проволоку.

Способ, которым сплавы «обучены», зависит от желаемых свойств. «Обучение» определяет форму, которую сплав будет помнить, когда он нагревается. Это происходит при нагреве сплава, так что дислокации перестраиваются в стабильные положения, но не настолько горячие, что материал перекристаллизуется. Они нагреваются до температуры от 400 до 500 ° С в течение 30 минут, образуются при нагревании, а затем быстро охлаждают путем закалки в воде или охлаждения воздухом.

свойства
Пластмассовые сплавы на основе меди и NiTi считаются инженерными материалами. Эти композиции могут быть изготовлены практически любой формы и размера.

Предел текучести сплавов с памятью формы ниже, чем у обычной стали, но некоторые композиции имеют более высокую текучесть, чем пластик или алюминий. Предел текучести для Ni Ti может достигать 500 МПа. Высокая стоимость самого металла и требования к обработке затрудняют и дорого реализуют SMA в конструкции. В результате эти материалы используются в приложениях, где могут быть использованы сверхэластичные свойства или эффект памяти формы. Наиболее распространенным приложением является приведение в действие.

Одним из преимуществ использования сплавов с памятью формы является высокий уровень извлекаемой пластической деформации, которая может быть вызвана. Максимальный извлекаемый штамм, который эти материалы могут содержать без постоянного повреждения, составляет до 8% для некоторых сплавов. Это сравнивается с максимальной деформацией 0,5% для обычных сталей.

Практические ограничения
SMA имеет много преимуществ перед традиционными приводами, но страдает от ряда ограничений, которые могут препятствовать практическому применению. В многочисленных исследованиях было подчеркнуто, что только некоторые из запатентованных приложений с памятью формы памяти коммерчески успешны из-за материальных ограничений в сочетании с отсутствием материальных и дизайнерских знаний и связанных с ними инструментов, таких как неправильные подходы к проектированию и используемые методы. Задачи при разработке приложений SMA – преодолеть их ограничения, которые включают относительно малое использование, низкую частоту срабатывания, низкую управляемость, низкую точность и низкую энергоэффективность.

Время отклика и симметричность ответа
Приводы SMA обычно приводятся электрически, когда электрический ток приводит к разогреву Джоуля. Деактивация обычно происходит путем свободного конвективного теплообмена в окружающую среду. Следовательно, приведение SMA обычно асимметрично, с относительно быстрым временем срабатывания и медленным временем дезактивации. Был предложен ряд методов сокращения времени дезактивации SMA, включая принудительную конвекцию, и задержки SMA проводящим материалом для управления скоростью теплопередачи.

Новые методы повышения эффективности приводов SMA включают использование проводящего «запаздывания». этот метод использует термическую пасту для быстрого переноса тепла из SMA посредством проводимости. Затем это тепло легче переносится в окружающую среду путем конвекции, поскольку внешние радиусы (и площадь теплопередачи) значительно больше, чем для оголенного провода. Этот метод приводит к значительному сокращению времени дезактивации и симметричного профиля активации. Вследствие увеличенной скорости передачи тепла требуемый ток для достижения заданной силы срабатывания увеличивается.

Структурная усталость и функциональная усталость
SMA подвержен структурной усталости – режим отказа, при котором циклическая нагрузка приводит к инициированию и распространению трещины, что в конечном итоге приводит к катастрофической потере функции путем разрушения. Физикой этого режима усталости является накопление микроструктурного повреждения при циклическом нагружении. Этот режим отказа наблюдается в большинстве технических материалов, а не только в SMA.

SMA также подвержены функциональной усталости, режим отказа не типичен для большинства технических материалов, благодаря чему SMA не терпит неудачу конструктивно, но со временем теряют свои характеристики памяти / сверхэластичности. В результате циклического нагружения (как механического, так и термического) материал теряет способность к обратимому фазовому преобразованию. Например, рабочее смещение в приводе уменьшается с увеличением числа циклов. Физикой этого является постепенное изменение микроструктуры – более конкретно, нарастание дислокаций со скольжением. Это часто сопровождается значительным изменением температуры превращения. Конструкция приводов SMA может также влиять как на структурную, так и на функциональную усталость SMA, такую ​​как конфигурации шкивов в системе SMA-Pulley.

Непреднамеренное срабатывание
Приводы SMA обычно приводятся электрически с помощью джоулева нагрева. Если SMA используется в среде, где температура окружающей среды неконтролируема, может произойти непреднамеренное срабатывание при нагревании окружающей среды.

Приложения

промышленные

Самолеты и космические аппараты
Boeing, General Electric Aircraft Engines, Goodrich Corporation, NASA, Texas A & M University и All Nippon Airways разработали Variable Geometry Chevron с использованием NiTi SMA. Такая конструкция вентилятора с изменяемой площадью (VAFN) позволит в будущем использовать более тихие и эффективные реактивные двигатели. В 2005 и 2006 годах компания Boeing провела успешные летные испытания этой технологии.

SMA рассматриваются как вибрационные амортизаторы для ракет-носителей и коммерческих реактивных двигателей. Большое количество гистерезиса, наблюдаемое во время сверхэластичного эффекта, позволяет SMA рассеивать энергию и гасить колебания. Эти материалы демонстрируют перспективу снижения высоких вибрационных нагрузок на полезную нагрузку во время запуска, а также на лопатках вентиляторов в коммерческих реактивных двигателях, что позволяет использовать более легкие и эффективные конструкции. SMA также демонстрируют потенциал для других применений с высоким ударом, таких как шариковые подшипники и шасси.

Существует также большой интерес к использованию SMA для различных применений исполнительных механизмов в коммерческих реактивных двигателях, что значительно снизит их вес и повышает эффективность. Однако необходимо провести дополнительные исследования в этой области, чтобы повысить температуру превращения и улучшить механические свойства этих материалов, прежде чем их можно будет успешно реализовать. Обзор последних достижений в высокотемпературных сплавах с памятью формы (HTSMA) представлен Ма и др.

Также изучаются различные технологии крылообразования.

автомобильный
Первый крупногабаритный продукт (> 5Mio приводы / год) является автомобильным клапаном, используемым для управления пневматическими баллонами низкого давления на автомобильном сиденье, которые регулируют контур поясничной опоры / опор. Общие преимущества SMA по сравнению с традиционно используемыми соленоидами в этом приложении (более низкий уровень шума / EMC / вес / форм-фактор / энергопотребление) были решающим фактором в решении заменить старую стандартную технологию SMA.

«Chevrolet Corvette» 2014 года стал первым автомобилем, в который были включены приводы SMA, которые заменили более тяжелые моторизованные приводы, чтобы открыть и закрыть люк люка, который выпускает воздух из ствола, что упрощает его закрытие. Целесообразно также использовать множество других приложений, в том числе электрогенераторы для выработки электроэнергии из выхлопных газов и воздушные плотины по требованию для оптимизации аэродинамики на различных скоростях.

робототехника
Также были ограниченные исследования по использованию этих материалов в робототехнике, например, робот-любитель Stiquito (и «Roboterfrau Lara»), поскольку они позволяют создавать очень легкие роботы. Недавно протезная рука была введена Loh et al. который может почти повторить движения человеческой руки [Loh2005]. Также изучаются другие биомиметические приложения. Слабые стороны технологии – энергоэффективность, медленное время отклика и большой гистерезис.

Био-инженерная роботизированная рука
Существует несколько SMT-прототипов роботизированной руки, которые используют эффект памяти формы (SME) для перемещения пальцев.

Гражданские структуры
SMA находят множество приложений в гражданских структурах, таких как мосты и здания. Одним из таких приложений является интеллектуальный армированный бетон (IRC), который включает в себя SMA-провода, встроенные в бетон. Эти провода могут ощущать трещины и контракты, чтобы исцелять макроразмерные трещины. Другим применением является активная настройка структурной собственной частоты с использованием SMA-проводов для ослабления вибраций.

кант
Первым потребительским коммерческим приложением была муфта с памятью формы для трубопроводов, например трубопроводы для нефтяных трубопроводов для промышленного применения, водопроводные трубы и аналогичные трубопроводы для потребительских / коммерческих применений.

телекоммуникация
Второе приложение большой громкости было автофокусом (AF) для смартфона. В настоящее время несколько компаний работают над модулем стабилизации оптического изображения (OIS), управляемым проводами от SMA

Лекарственное средство
Сплавы с образцовой памятью применяются в медицине, например, в качестве фиксирующих устройств для остеотомий в ортопедической хирургии, в зубных скобках, чтобы оказывать постоянную силу зубов на зубах, а в капсульной эндоскопии они могут использоваться в качестве спускового механизма для биопсийного действия.

В конце 1980-х годов коммерческое внедрение нитинола в качестве стимулирующей технологии в ряде минимально инвазивных эндоваскулярных медицинских применений. В то время как более дорогостоящие, чем нержавеющая сталь, саморасширяющиеся свойства сплавов нитинолов, изготовленных для BTR (реакция на температуру тела), обеспечили привлекательную альтернативу расширяемым баллонным устройствам в стент-трансплантатах, где она дает возможность адаптироваться к форме определенных кровеносных сосудов, когда подвергается воздействию температуры тела. В среднем 50% всех периферических сосудистых стентов, доступных в настоящее время на мировом рынке, производятся с помощью Nitinol.

оптометрия
Оправы для очков, изготовленные из титаносодержащих SMA, продаются под товарными знаками Flexon и TITANflex. Эти кадры обычно изготавливаются из сплавов с памятью формы, температура их перехода которых ниже ожидаемой комнатной температуры. Это позволяет кадрам подвергаться большой деформации под действием напряжения, но при этом снова восстанавливается их предполагаемая форма после повторного разгрузки металла. Очень большие, по-видимому, упругие деформации обусловлены вызванным стрессом мартенситным эффектом, когда кристаллическая структура может трансформироваться под нагрузкой, что позволяет временно изменять форму под нагрузкой. Это означает, что очки, изготовленные из сплавов с памятью формы, более надежны против случайного повреждения.

Ортопедическая хирургия
Металл памяти использовался в ортопедической хирургии в качестве устройства фиксации-сжатия для остеотомий, как правило, для процедур нижних конечностей. Устройство, обычно в виде большого штапеля, хранится в холодильнике в его ковкой форме и имплантируется в предварительно просверленные отверстия в кости через остеотомию. По мере того, как основной продукт нагревается, он возвращается в свое неустойчивое состояние и сжимает костистые поверхности вместе, чтобы способствовать объединению костей.

лечение зубов
За последние годы расширился спектр приложений для МСП, основной сферой развития которых является стоматология. Одним из примеров является распространенность зубных скобок с использованием технологии SMA для оказания постоянной зубной силы на зубах; nitinol archwire был разработан в 1972 году ортодонтом Джорджем Андреасеном. Это революционизировало клиническую ортодонтию. Сплав Андреасена имеет узорную память формы, расширяющуюся и сжимающуюся в заданных температурных диапазонах из-за его геометрического программирования.

Harmeet D. Walia позже использовал сплав в производстве файлов корневых каналов для эндодонтии.

Существенный тремор
Традиционные методы активной отмены для уменьшения тремора используют электрические, гидравлические или пневматические системы для приведения объекта в движение, противоположное возмущению. Однако эти системы ограничены из-за большой инфраструктуры, необходимой для получения больших амплитуд мощности при частотах дрожания человека. SMA зарекомендовали себя как эффективный метод приведения в действие в ручных приложениях и позволили активировать новые устройства для уменьшения тремора класса. Одним из недавних примеров такого устройства является ложка Liftware, разработанная дочерней компанией Verily Life Sciences Lift Labs.

Двигатели
Экспериментальные твердотельные тепловые двигатели, работающие от относительно небольших разностей температур в резервуарах с холодной и горячей водой, были разработаны с 1970-х годов, в том числе с двигателем Banks Engine, разработанным Ridgway Banks.

ремесла
Продается в небольших круглых тонах для использования в браслетах без фиксации.

материалы
Материалами, которые в основном используются в качестве сплавов с памятью формы, которые также называют криогенными материалами, являются NiTi (никель-титан, нитинол) и, с еще лучшими свойствами, NiTiCu (никель-титан-медь). Оба они, скорее всего, будут использоваться в качестве исполнительных материалов. Из точной стехиометрии (количественного соотношения) температуры превращения зависят. При содержании никеля менее 50 атомных процентов он составляет около 100 ° С. Если содержание никеля в сплаве изменяется, можно получить псевдоупругое или псевдопластическое поведение в качестве аустенита или мартенсита при комнатной температуре.

Другими материалами на основе меди являются CuZn (медь-цинк), CuZnAl (медь-цинк-алюминий) и CuAlNi (медь-алюминий-никель). Хотя они дешевле, они оба имеют более высокие температуры преобразования и плохую память формы. Они используются, в частности, в медицинской технике. Менее распространены FeNiAl (железо-никель-алюминий), FeMnSi (железо-марганец-кремний) и ZnAuCu (цинк-золото-медь).

Множество сплавов демонстрирует эффект памяти формы. Легирующие компоненты можно регулировать для контроля температуры трансформации SMA. Некоторые общие системы включают следующее (отнюдь не исчерпывающий список):

Ag-Cd 44/49 at.% Cd
Au-Cd 46,5 / 50 ат.% Cd
Cu-Al-Ni 14 / 14,5 мас.% Al и 3 / 4,5 мас.% Ni
Cu-Al-Ni-Hf
Cu-Sn прибл. 15 at% Sn
Cu-Zn 38,5 / 41,5 мас.% Zn
Cu-Zn-X (X = Si, Al, Sn)
Fe-Pt прибл. 25 ат.% Pt
Mn-Cu 5/35 при% Cu
Fe-Mn-Si,
Co-Ni-Al
Co-Ni-Ga
Ni-Fe-Ga
Ti-Nb
Ni-Ti прибл. 55-60 мас.% Ni
Ni-Ti-Hf
Ni-Ti-Pd
Ni-Mn-Ga