Şekil hafızalı alaşım - Shape-memory alloy

Bir şekil hafızalı alaşım bir alaşım Bu olabilir soğukken deforme ancak ısıtıldığında önceden deforme olmuş ("hatırlanan") şekline geri döner. Ayrıca çağrılabilir hafıza metali, bellek alaşımı, akıllı metal, akıllı alaşımveya kas teli.[kaynak belirtilmeli ]

Şekil hafızalı alaşımlardan yapılan parçalar hafif olabilir, geleneksel parçalara katı hal alternatifleri olabilir aktüatörler gibi hidrolik, pnömatik, ve motor tabanlı sistemler. Metal borularda hermetik bağlantılar yapmak için de kullanılabilirler.

Genel Bakış

En yaygın iki şekil hafızalı alaşım, bakır -alüminyum -nikel ve nikel -titanyum (NiTi ), ancak SMA'lar alaşım yapılarak da oluşturulabilir çinko, bakır, altın ve Demir Demir bazlı ve bakır bazlı SMA'lara rağmen, Fe -Mn-Si, Cu-Zn-Al ve Cu-Al-Ni, ticari olarak mevcuttur ve NiTi'den daha ucuzdur, NiTi bazlı SMA'lar kararlılıkları ve uygulanabilirlikleri nedeniyle çoğu uygulama için tercih edilir.[1][2][3] ve üstün termo-mekanik performans.[4] SMA'lar, üç farklı kristal yapı (yani ikiz martensit, ayrıştırılmış martensit ve ostenit) ve altı olası dönüşüm ile iki farklı fazda var olabilir.[5][6]

NiTi alaşımları östenit -e martensit soğuduktan sonra; Mf martensite geçişin soğuduktan sonra tamamlandığı sıcaklıktır. Buna göre, ısıtma sırasında Birs ve Birf martensitten östenite dönüşümün başladığı ve bittiği sıcaklıklardır. Şekil-bellek etkisinin tekrar tekrar kullanılması, karakteristik dönüşüm sıcaklıklarında bir kaymaya yol açabilir (bu etki, malzemenin mikroyapısal ve işlevsel özelliklerinde bir değişiklik ile yakından ilişkili olduğundan, işlevsel yorgunluk olarak bilinir).[7] SMA'ların artık strese neden olamayacağı maksimum sıcaklık denir Md, SMA'ların kalıcı olarak deforme olduğu yer.[8]

Martensit fazından ostenit fazına geçiş sadece sıcaklık ve gerilime bağlıdır, çoğu faz değişikliği olduğu için zamana değil, çünkü herhangi bir difüzyon söz konusu değildir. Benzer şekilde, östenit yapı adını benzer yapıdaki çelik alaşımlarından alır. Özel özelliklerle sonuçlanan bu iki faz arasındaki tersinir difüzyonsuz geçiştir. Martensit, östenitten hızla soğutularak oluşturulabilirken karbon -çelik, bu işlem tersine çevrilemez, bu nedenle çeliğin şekil belleği özellikleri yoktur.

Sma wire.jpg

Bu şekilde, ξ (T) martensit fraksiyonunu temsil eder. Isıtma geçişi ile soğutma geçişi arasındaki fark, histerezis Süreçte mekanik enerjinin bir kısmının kaybolduğu yer. Eğrinin şekli, alaşımın bileşimi gibi şekil hafızalı alaşımın malzeme özelliklerine bağlıdır.[9] ve iş sertleştirme.[10]

Şekil belleği etkisi

Bu animasyon, tam şekilli hafıza efektini gösterir:
  1. Östenitten (ikizlenmiş) martensite soğutma, ya SMA’nın kullanım ömrünün başında ya da bir termal döngünün sonunda gerçekleşir.
  2. Martensiti bozmak için stres uygulamak.
  3. Osteniti yeniden oluşturmak için martensitin ısıtılması, orijinal şekli geri kazandırılması.
  4. Ostenit tekrar ikiz martensite soğutuluyor.

Şekil hafıza etkisi (SME), önceki histerezis eğrisinde gösterildiği gibi, sıcaklıkla indüklenen bir faz dönüşümünün deformasyonu ters çevirmesi nedeniyle oluşur. Tipik olarak martensitik faz monoklinik veya ortorombiktir (B19 'veya B19 ). Bu kristal yapılar, kolay yer değiştirme hareketi için yeterli kayma sistemine sahip olmadıklarından, eşleştirme -Veya daha ziyade, caydırıcı.[11]

Martensit, daha düşük sıcaklıklarda termodinamik olarak tercih edilirken, östenit (B2 kübik) daha yüksek sıcaklıklarda termodinamik olarak tercih edilir. Bu yapılar farklı kafes boyutlarına ve simetriye sahip olduklarından, östenitin martensite soğutulması martensitik fazda iç gerinim enerjisini sağlar. Bu enerjiyi azaltmak için, martensitik faz birçok ikiz oluşturur - buna "kendi kendine uyum sağlayan ikizlenme" denir ve ikizlenme versiyonu geometrik olarak gerekli çıkıklar. Şekil hafızalı alaşım daha yüksek bir sıcaklıkta üretileceğinden ve genellikle martensitik fazın şekil hafızası etkisinden yararlanmak için çalışma sıcaklığında baskın olacağı şekilde tasarlandığından, SMA'lar yüksek oranda ikizlenmiş "başlar".[12]

Martensit yüklendiğinde, bu kendi kendine yeten ikizler deformasyon için kolay bir yol sağlar. Uygulanan gerilimler martensiti bozacaktır, ancak atomların tümü yakındaki atomlara göre aynı konumda kalır - hiçbir atomik bağ kopmaz veya yeniden biçimlendirilmez (dislokasyon hareketiyle olacağı gibi). Böylece, sıcaklık yükseltildiğinde ve ostenit termodinamik olarak tercih edildiğinde, tüm atomlar B19'un ön deformasyon şekli ile aynı makroskopik şekle sahip olan B2 yapısına yeniden düzenlenir.[13] Bu faz dönüşümü son derece hızlı gerçekleşir ve SMA'lara kendilerine özgü "snap" özelliklerini verir.

Tek yönlü ve iki yönlü şekil belleği

Şekil hafızalı alaşımların farklı şekil hafızası etkileri vardır. İki yaygın efekt, tek yönlü ve iki yönlü şekil hafızasıdır. Etkilerin bir şeması aşağıda gösterilmiştir.

SMAoneway.jpgSMAtwoway.jpg

Prosedürler çok benzer: martensit (a) 'dan başlayarak, tek yönlü etki için tersine çevrilebilir bir deformasyon veya iki yönlü (b) için geri döndürülemez miktarda şiddetli deformasyon eklemek, numuneyi (c) ısıtmak ve tekrar soğutmak ( d).

Tek yönlü hafıza etkisi

Bir şekil hafızalı alaşım soğuk haldeyken (aşağıda Birs), metal bükülebilir veya gerilebilir ve geçiş sıcaklığının üzerine ısıtılıncaya kadar bu şekilleri tutacaktır. Isıtıldığında şekil orijinaline dönüşür. Metal tekrar soğuduğunda, tekrar deforme olana kadar şeklini koruyacaktır.

Tek yönlü etki ile yüksek sıcaklıklardan soğutma, makroskopik bir şekil değişikliğine neden olmaz. Düşük sıcaklık şeklini oluşturmak için bir deformasyon gereklidir. Isıtmada dönüşüm başlar Birs ve tamamlandı Birf (alaşıma veya yükleme koşullarına bağlı olarak tipik olarak 2 ila 20 ° C veya daha sıcak). Birs alaşım türü ve bileşimi ile belirlenir ve arasında değişebilir 150 ° C ve 200 ° C.

İki yönlü hafıza etkisi

İki yönlü şekil belleği etkisi, malzemenin iki farklı şekli hatırlaması etkisidir: biri düşük sıcaklıklarda, diğeri yüksek sıcaklıkta. Hem ısıtma hem de soğutma sırasında şekil hafızası etkisi gösteren bir malzemenin iki yönlü şekil hafızasına sahip olduğu söyleniyor. Bu, harici bir kuvvet uygulanmadan da elde edilebilir (içsel iki yönlü etki). Malzemenin bu durumlarda bu kadar farklı davranmasının nedeni eğitimde yatmaktadır. Eğitim, bir şekil belleğinin belirli bir şekilde davranmayı "öğrenebileceğini" ifade eder. Normal koşullar altında, bir şekil hafızalı alaşım, düşük sıcaklık şeklini "hatırlar", ancak yüksek sıcaklık şeklini geri kazanmak için ısıtıldığında, düşük sıcaklık şeklini hemen "unutur". Bununla birlikte, yüksek sıcaklık fazlarında deforme olmuş düşük sıcaklık koşullarının bazı hatırlatıcılarını bırakmak için "hatırlamak" için "eğitilebilir". Bunu yapmanın çeşitli yolları var.[14] Belli bir noktanın ötesinde ısıtılan şekillendirilmiş, eğitimli bir nesne, iki yönlü hafıza etkisini kaybedecektir.

Sözde esneklik

SMA'lar bazen süperelastisite olarak adlandırılan bir fenomeni sergiler, ancak daha doğru olarak şu şekilde tanımlanır: sözde esneklik. "Süperelastisite", atomlar arasındaki atomik bağların plastik deformasyona uğramadan aşırı bir uzunluğa uzandığını ifade eder. Pseudoelastiklik, çok az kalıcı deformasyonla veya hiç deformasyon olmadan büyük, geri kazanılabilir suşlara hala ulaşır, ancak daha karmaşık mekanizmalara dayanır.

Sözde esnekliğin bir animasyonu

SMA'lar en az 3 çeşit sözde esneklik sergiler. Daha az çalışılmış iki sözde esneklik türü, sözde ikiz oluşumu ve kısa menzilli düzen nedeniyle kauçuk benzeri davranışlardır.[15]

Martensitik gerilimin (A) üzerindeki baskılarda, ostenit martensite dönüşecek ve ostenit kalmayana kadar (C) büyük makroskopik gerilmelere neden olacaktır. Boşaltma üzerine, martensit, östenitik stresin (D) altında ostenit fazına geri dönecek ve bu noktada malzeme tamamen östenitik olana ve çok az veya hiç deformasyon kalmayana kadar gerinim geri kazanılacaktır.[16]

Ana sözde elastik etki, stres kaynaklı bir faz dönüşümünden gelir. Sağdaki şekil bu sürecin nasıl gerçekleştiğini göstermektedir.

Burada bir yük izotermal olarak östenit bitirme sıcaklığı A'nın üzerindeki bir SMA'ya uygulanır.f, ancak martensit deformasyon sıcaklığının altında, Md. Yukarıdaki şekil, sözde elastik stres kaynaklı faz dönüşümünü şekil hafızası etkisi sıcaklık kaynaklı faz dönüşümü ile ilişkilendirerek bunun nasıl mümkün olduğunu göstermektedir. A üzerindeki belirli bir nokta içinf M'de bir nokta seçmek mümkündürs ile bir daha yüksek M noktası olduğu sürece sıcaklıkd ayrıca daha yüksek stres. Materyal başlangıçta metaller için tipik elastik-plastik davranış sergiler. Bununla birlikte, malzeme martensitik gerilime ulaştığında, östenit martensite ve detwin'e dönüşecektir. Daha önce tartışıldığı gibi, bu detwinning, martensitten ostenite geri dönerken tersine çevrilebilir. Büyük gerilmeler uygulanırsa, martensitin ayrılması ve kayması gibi plastik davranış, tane sınırları veya kapanımlar gibi yerlerde başlayacaktır.[17][18] Malzeme, plastik deformasyon meydana gelmeden boşaltılırsa, östenit için kritik bir gerilime ulaşıldığında, ostenite geri dönecektir (σgibi). Materyal, yapısal değişiklikten kaynaklanan neredeyse tüm suşu geri kazanacaktır ve bazı SMA'lar için bu, yüzde 10'dan fazla suşlar olabilir.[19][20] Bu histerezis döngüsü, birçok uygulama için önemli olan küçük ve büyük deformasyon durumları arasındaki malzemenin her döngüsü için yapılan işi gösterir.

Şekil hafızalı alaşımdaki martensit ve östenit çizgilerinin gerilme-sıcaklık grafiği.

Bir gerilme-sıcaklık grafiğinde, östenit ve martensit başlangıç ​​ve bitiş çizgileri paralel ilerler. KOBİ ve sözde esneklik aslında solda gösterildiği gibi aynı fenomenin farklı parçalarıdır.

Büyük gerinim deformasyonlarının anahtarı, iki faz arasındaki kristal yapıdaki farktır. Östenit genellikle kübik bir yapıya sahipken, martensit monoklinik veya tipik olarak daha düşük simetriye sahip ana fazdan farklı başka bir yapı olabilir. Nitinol gibi bir monoklinik martensitik malzeme için, monoklinik faz daha düşük simetriye sahiptir; bu, belirli kristalografik yönelimlerin, uygulanan bir stres altında diğer yönelimlere kıyasla daha yüksek gerilimleri barındıracağı için önemlidir. Bu nedenle, malzemenin uygulanan gerilimdeki herhangi bir artıştan önce genel gerilimi maksimize eden yönelimler oluşturma eğiliminde olacağı takip edilir.[21] Bu sürece yardımcı olan bir mekanizma, martensit fazının eşleştirilmesidir. Kristalografide, bir ikiz sınır, kafesin atomik düzlemlerinin yığılmasının sınır düzlemi boyunca aynalandığı iki boyutlu bir kusurdur. Gerilme ve sıcaklığa bağlı olarak, bu deformasyon süreçleri kayma gibi kalıcı deformasyonlarla rekabet edecektir.

Σ olduğuna dikkat etmek önemlidirHanım faz çekirdeklenmesi için sıcaklık ve çekirdeklenme alanlarının sayısı gibi parametrelere bağlıdır. Arayüzler ve eklemeler, dönüşümün başlaması için genel alanlar sağlayacak ve eğer bunlar sayıca çoksa çekirdeklenme için itici gücü artıracaktır.[22] Daha küçük bir σHanım homojen çekirdeklenmeden daha gerekli olacaktır. Benzer şekilde, artan sıcaklık faz dönüşümü için itici kuvveti azaltacaktır, dolayısıyla daha büyük bir σHanım gerekli olacak. SMA'nın çalışma sıcaklığını artırdıkça, σHanım akma dayanımından daha büyük olacaktır, σyve süper esneklik artık gözlemlenemeyecek.

Tarih

Şekil hafıza etkisinin keşfi için bildirilen ilk adımlar 1930'larda atıldı. Otsuka ve Wayman'a göre, Arne Ölander 1932'de Au-Cd alaşımının psödoelastik davranışını keşfettiler. Greninger ve Mooradian (1938), bir Cu-Zn alaşımının sıcaklığını düşürerek ve artırarak martensitik fazın oluşumunu ve kaybolmasını gözlemlediler. Martensit fazının termoelastik davranışı tarafından yönetilen hafıza etkisinin temel olgusu, on yıl sonra Kurdjumov ve Khandros (1949) ve ayrıca Chang ve Read (1951) tarafından geniş çapta rapor edildi.[7]

Nikel-titanyum alaşımları ilk olarak 1962–1963 yıllarında Amerika Birleşik Devletleri Donanma Mühimmat Laboratuvarı ve ticari isim altında ticarileştirildi Nitinol (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories'in kısaltması). Olağanüstü özellikleri tesadüfen keşfedildi. Bir laboratuar yönetimi toplantısında defalarca şekli bozulmuş bir numune sunuldu. Yardımcı teknik direktörlerden biri olan Dr. David S. Muzzey, numunenin ısıya maruz bırakılması durumunda ne olacağını görmeye karar verdi ve pipo çakmağını altında tuttu. Herkesin şaşkınlığına uğrayan örnek, orijinal şekline geri döndü.[23][24]

Başka bir SMA türü vardır. ferromanyetik şekil hafızalı alaşım (FSMA), güçlü manyetik alanlar altında şekil değiştirir. Manyetik yanıt, sıcaklıkla indüklenen yanıtlardan daha hızlı ve daha verimli olma eğiliminde olduğundan, bu malzemeler özellikle ilgi çekicidir.

Metal alaşımları, termal olarak duyarlı tek malzemeler değildir; şekil hafızalı polimerler 1990'ların sonlarında geliştirildi ve ticari olarak satışa sunuldu.

Kristal yapılar

Birçok metal aynı bileşimde birkaç farklı kristal yapıya sahiptir, ancak çoğu metal bu şekil-hafıza etkisini göstermez. Şekil hafızalı alaşımların ısıtıldıktan sonra orijinal şekillerine geri dönmelerine izin veren özel özellik, kristal dönüşümlerinin tamamen tersine çevrilebilir olmasıdır. Çoğu kristal dönüşümde, yapıdaki atomlar, metalin tamamı aynı atomlardan yapılmış olsa bile, bileşimi yerel olarak değiştirerek difüzyon yoluyla metalin içinden geçecektir. Tersine çevrilebilir bir dönüşüm, atomların bu difüzyonunu içermez, bunun yerine, tüm atomlar aynı anda yeni bir yapı oluşturmak için kayar, tıpkı iki karşıt tarafın iterek bir kareden bir paralelkenarın yapılabilmesi gibi. Farklı sıcaklıklarda farklı yapılar tercih edilir ve yapı geçiş sıcaklığı ile soğutulduğunda martensitik yapı östenitik fazdan oluşur.

Üretim

Şekil hafızalı alaşımlar tipik olarak, vakumlu ark eritme veya indüksiyonla eritme kullanılarak döküm yoluyla yapılır. Bunlar, alaşımdaki safsızlıkları minimumda tutmak ve metallerin iyi karışmasını sağlamak için kullanılan uzman tekniklerdir. külçe o zaman sıcak haddelenmiş daha uzun bölümlere ve sonra çizilmiş tele dönüştürmek için.

Alaşımların "eğitilme" yolu, istenen özelliklere bağlıdır. "Eğitim", alaşımın ısıtıldığında hatırlayacağı şekli belirler. Bu, alaşımın ısıtılmasıyla gerçekleşir, böylece çıkıklar kararlı konumlara yeniden sipariş verin, ancak malzeme yeniden kristalleşir. Arasına ısıtılıyorlar 400 ° C ve 500 ° C 30 dakika boyunca sıcakken şekillendirilir ve daha sonra suda söndürülerek veya hava ile soğutularak hızla soğutulur.

Özellikleri

Bakır bazlı ve NiTi bazlı şekil hafızalı alaşımlar mühendislik malzemeleri olarak kabul edilir. Bu bileşimler hemen hemen her şekil ve boyutta üretilebilir.

Şekil hafızalı alaşımların akma dayanımı, geleneksel çeliğe göre daha düşüktür, ancak bazı bileşimler, plastik veya alüminyumdan daha yüksek bir akma dayanımına sahiptir. Ni Ti için akma gerilimi ulaşabilir 500 MPa. Metalin kendisinin yüksek maliyeti ve işleme gereksinimleri, SMA'ları bir tasarıma uygulamayı zor ve pahalı hale getirir. Sonuç olarak, bu malzemeler, süper elastik özelliklerin veya şekil-bellek etkisinin kullanılabileceği uygulamalarda kullanılır. En yaygın uygulama çalıştırmadır.

Şekil hafızalı alaşımları kullanmanın avantajlarından biri, indüklenebilen yüksek seviyeli geri kazanılabilir plastik suşudur. Bu malzemelerin kalıcı hasar olmadan tutabileceği maksimum geri kazanılabilir gerginlik, 8% bazı alaşımlar için. Bu, maksimum gerilme ile karşılaştırılır 0.5% geleneksel çelikler için.

Pratik sınırlamalar

SMA'nın geleneksel aktüatörlere göre birçok avantajı vardır, ancak pratik uygulamayı engelleyebilecek bir dizi sınırlamadan muzdariptir. Çok sayıda çalışmada, yalnızca birkaç patentli şekil bellekli alaşım uygulamasının, malzeme ve tasarım bilgisi eksikliği ve yanlış tasarım yaklaşımları ve kullanılan teknikler gibi ilişkili araçlar ile birlikte malzeme sınırlamaları nedeniyle ticari olarak başarılı olduğu vurgulanmıştır.[25] SMA uygulamalarının tasarlanmasındaki zorluklar, nispeten küçük bir kullanılabilir gerilim, düşük çalıştırma frekansı, düşük kontrol edilebilirlik, düşük doğruluk ve düşük enerji verimliliği gibi sınırlamaların üstesinden gelmektir.[26]

Tepki süresi ve tepki simetrisi

SMA aktüatörleri tipik olarak elektriksel olarak çalıştırılır, burada bir elektrik akımı Joule ısıtma. Devre dışı bırakma tipik olarak ortam ortamına serbest konvektif ısı transferi ile gerçekleşir. Sonuç olarak, SMA aktivasyonu, nispeten hızlı bir çalıştırma süresi ve yavaş bir devre dışı bırakma süresi ile tipik olarak asimetriktir. Zorla konveksiyon dahil olmak üzere SMA devre dışı bırakma süresini azaltmak için bir dizi yöntem önerilmiştir.[27] ve ısı transfer oranını manipüle etmek için SMA'nın iletken bir malzeme ile geciktirilmesi.

SMA aktüatörlerinin fizibilitesini artırmaya yönelik yeni yöntemler arasında iletken "gecikmeli ". Bu yöntem, ısıyı iletim yoluyla SMA'dan hızlı bir şekilde aktarmak için bir termal macun kullanır. Dış yarıçaplar (ve ısı aktarım alanı) çıplak telden önemli ölçüde daha büyük olduğundan, bu ısı daha sonra konveksiyon yoluyla çevreye daha kolay aktarılır. yöntem deaktivasyon süresinde önemli bir azalma ve simetrik aktivasyon profiliyle sonuçlanır. ısı transferi hızı, belirli bir çalıştırma kuvvetine ulaşmak için gerekli akım artar.[28]

Çıplak ve gecikmeli Ni-Ti şekil hafızalı alaşımın karşılaştırmalı kuvvet-zaman tepkisi.[29]

Yapısal yorgunluk ve fonksiyonel yorgunluk

SMA yapısal yorgunluğa tabidir - döngüsel yüklemenin bir çatlağın başlaması ve yayılmasıyla sonuçlanan ve sonuçta kırılma nedeniyle feci işlev kaybına neden olan bir arıza modu. Bu yorgunluk modunun arkasındaki fizik, döngüsel yükleme sırasında mikro yapısal hasarın birikmesidir. Bu arıza modu, yalnızca SMA'larda değil, çoğu mühendislik malzemesinde gözlemlenir.

SMA'lar ayrıca, çoğu mühendislik malzemesinde tipik olmayan bir arıza modu olan fonksiyonel yorgunluğa da maruz kalırlar, bu nedenle SMA yapısal olarak başarısız olmaz, ancak zamanla şekil hafızası / süper elastik özelliklerini kaybeder. Döngüsel yüklemenin (hem mekanik hem de termal) bir sonucu olarak, malzeme tersine çevrilebilir bir faz dönüşümüne girme yeteneğini kaybeder. Örneğin, bir aktüatördeki çalışma deplasmanı, artan döngü sayıları ile azalır. Bunun arkasındaki fizik, mikroyapıda kademeli değişim, daha spesifik olarak, konaklama kaymasının oluşmasıdır. çıkıklar. Buna genellikle dönüşüm sıcaklıklarında önemli bir değişiklik eşlik eder.[30] SMA aktüatörlerinin tasarımı, SMA-Kasnak sistemindeki kasnak konfigürasyonları gibi, SMA'nın hem yapısal hem de fonksiyonel yorgunluğunu etkileyebilir.[31]

İstenmeyen çalıştırma

SMA aktüatörleri tipik olarak elektrikle çalıştırılır: Joule ısıtma. SMA, ortam sıcaklığının kontrolsüz olduğu bir ortamda kullanılırsa, ortam ısıtmasıyla istem dışı çalıştırma meydana gelebilir.

Başvurular

Sanayi

Uçak ve uzay aracı

Boeing, Genel Elektrikli Uçak Motorları, Goodrich Corporation, NASA, Texas A&M Üniversitesi ve Tüm Nippon Havayolları NiTi SMA kullanarak Değişken Geometri Chevron'u geliştirdi. Böyle bir değişken alanlı fan nozulu (VAFN) tasarımı, gelecekte daha sessiz ve daha verimli jet motorlarına izin verecektir. Boeing, 2005 ve 2006 yıllarında bu teknolojinin başarılı uçuş testlerini gerçekleştirdi.[32]

SMA'lar, fırlatma araçları ve ticari jet motorları için titreşim sönümleyicileri olarak araştırılmaktadır. Büyük miktarda histerezis süper elastik etki sırasında gözlemlenen SMA'ların enerjiyi dağıtmasına ve titreşimleri azaltmasına izin verir. Bu malzemeler, daha hafif ve verimli tasarımlara olanak tanıyan ticari jet motorlarındaki fan kanatlarının yanı sıra lansman sırasında yükler üzerindeki yüksek titreşim yüklerini azaltma vaadinde bulunuyor.[33] SMA'lar ayrıca bilyeli yataklar ve iniş takımı gibi diğer yüksek şok uygulamaları için potansiyel sergiler.[34]

Ticari jet motorlarında çeşitli aktüatör uygulamalarında ağırlıklarını önemli ölçüde azaltacak ve verimliliği artıracak SMA'ları kullanmaya büyük ilgi var.[35] Başarılı bir şekilde uygulanmadan önce bu malzemelerin dönüşüm sıcaklıklarını artırmak ve mekanik özelliklerini iyileştirmek için bu alanda daha fazla araştırma yapılması gerekmektedir. Yüksek sıcaklıkta şekil hafızalı alaşımlarda (HTSMA) son gelişmelerin bir incelemesi, Ma ve ark.[19]

Çeşitli kanat dönüşümü teknolojileri de araştırılıyor.[33]

Otomotiv

İlk yüksek hacimli ürün (> 5 Milyon aktüatör / yıl), düşük basıncı kontrol etmek için kullanılan bir otomotiv valfidir pnömatik mesaneler araba koltuğu bel desteği / desteklerin dış hatlarını ayarlayan. Bu uygulamada geleneksel olarak kullanılan solenoidlere göre SMA'nın genel faydaları (daha düşük gürültü / EMC / ağırlık / form faktörü / güç tüketimi), eski standart teknolojiyi SMA ile değiştirme kararında önemli faktördü.

2014 Chevrolet Corvette, bagajdaki havayı serbest bırakan ambar menfezini açıp kapatmak için daha ağır motorlu aktüatörlerin yerini alan ve kapanmayı kolaylaştıran SMA aktüatörlerini kullanan ilk araç oldu. Egzoz ısısından elektrik üreten elektrik jeneratörleri ve çeşitli hızlarda aerodinamiği optimize etmek için isteğe bağlı hava barajları gibi çeşitli başka uygulamalar da hedefleniyor.

Robotik

Ayrıca bu materyallerin kullanımıyla ilgili sınırlı çalışma yapılmıştır. robotik örneğin hobi robotu Stiquito (ve "Roboterfrau Lara"[36]), çok hafif robotlar oluşturmayı mümkün kılar. Son zamanlarda, Loh ve arkadaşları tarafından protez bir el tanıtıldı. bu neredeyse bir insan elinin hareketlerini kopyalayabilir [Loh2005]. Diğer biyomimetik uygulamalar da araştırılmaktadır. Teknolojinin zayıf noktaları enerji verimsizliğidir, yavaş tepki süreleri ve büyük histerezis.

Biyo-mühendislik ürünü robotik el

Parmakları hareket ettirmek için şekil hafıza efektini (KOBİ) kullanan bazı SMA tabanlı robotik el prototipleri vardır.[37]

Sivil yapılar

SMA'lar, köprüler ve binalar gibi sivil yapılarda çeşitli uygulamalar bulur. Böyle bir uygulama, beton içine gömülü SMA tellerini içeren Akıllı Betonarme'dir (IRC). Bu teller, mikro boyuttaki çatlakları iyileştirmek için çatlakları algılayabilir ve büzüşebilir. Diğer bir uygulama, titreşimleri azaltmak için SMA telleri kullanılarak yapısal doğal frekansın aktif olarak ayarlanmasıdır.[38]

Borulama

İlk tüketici ticari uygulaması bir şekil hafızalı bağlantı borular için, ör. endüstriyel uygulamalar için petrol boru hatları, tüketici / ticari uygulamalar için su boruları ve benzer tipte borular.

Telekomünikasyon

İkinci yüksek hacimli uygulama bir otofokus (AF) aktüatör akıllı telefon. Şu anda bir üzerinde çalışan birkaç şirket var optik görüntü sabitleme (OIS) modülü SMA'lardan yapılan tellerle sürülür[kaynak belirtilmeli ]

İlaç

Şekil hafızalı alaşımlar tıpta, örneğin sabitleme cihazları olarak uygulanır. osteotomiler içinde Ortopedik cerrahi olarak aktüatör cerrahi aletlerde; minimal invaziv için aktif yönlendirilebilir cerrahi iğneler perkütan gibi cerrahi prosedürlerde kanser müdahaleleri biyopsi ve brakiterapi,[39] içinde diş teli dişlere sürekli diş hareket ettiren kuvvetler uygulamak için Kapsül Endoskopi biyopsi eylemi için tetikleyici olarak kullanılabilirler.

1980'lerin sonunda ticari olarak Nitinol çok sayıda minimal invaziv endovasküler tıbbi uygulamada olanak sağlayan bir teknoloji olarak. Paslanmaz çelikten daha maliyetli olsa da, BTR'ye (Vücut Sıcaklığı Tepkisi) üretilen Nitinol alaşımlarının kendi kendine genişleyen özellikleri, balonla genişletilebilir cihazlara çekici bir alternatif sağlamıştır. stent greftleri Vücut ısısına maruz kaldığında belirli kan damarlarının şekline uyum sağlama yeteneği verir. Ortalamada, 50% tüm periferik vasküler stentler şu anda dünya çapında piyasada bulunan Nitinol ile üretilmektedir.

Optometri

Gözlük çerçeveleri titanyum içeren SMA'lardan yapılmış ticari markalar altında pazarlanmaktadır Flexon ve TITANflex. Bu çerçeveler genellikle geçiş sıcaklıkları beklenen oda sıcaklığının altında ayarlanmış şekil hafızalı alaşımlardan yapılır. Bu, çerçevelerin gerilim altında büyük bir deformasyona uğramasına, ancak metal tekrar boşaltıldığında amaçlanan şeklini geri kazanmasına izin verir. Görünüşe göre çok büyük elastik gerilmeler, kristal yapının yükleme altında dönüşebildiği ve şeklin yük altında geçici olarak değişmesine izin verdiği stres kaynaklı martensitik etkiden kaynaklanmaktadır. Bu, şekil hafızalı alaşımlardan yapılan gözlüklerin kazara hasar görmeye karşı daha sağlam olduğu anlamına gelir.

Ortopedik cerrahi

Hafıza metali ortopedik cerrahi için bir sabitleme sıkıştırma cihazı olarak osteotomiler tipik olarak alt ekstremite prosedürleri için. Genellikle büyük bir zımba şeklindeki cihaz, şekillendirilebilir formunda bir buzdolabında saklanır ve bir osteotomi boyunca kemikte önceden delinmiş deliklere implante edilir. Zımba ısındıkça dövülemez durumuna geri döner ve kemik birleşimini desteklemek için kemikli yüzeyleri sıkıştırır.[40]

Diş hekimliği

SMA'lar için uygulama yelpazesi yıllar içinde genişlemiştir ve ana gelişme alanı diş hekimliğidir. Bir örnek, yaygınlığıdır diş teli dişler üzerinde sabit diş hareket ettiren kuvvetler uygulamak için SMA teknolojisinin kullanılması; nitinol kemer tarafından 1972'de geliştirildi ortodontist George Andreasen.[41] Bu klinik ortodonti alanında devrim yarattı. Andreasen'in alaşımı, geometrik programlaması nedeniyle belirli sıcaklık aralıklarında genişleyen ve daralan desenli bir şekil belleğine sahiptir.

Harmeet D. Walia daha sonra bu alaşımı kök kanal eğelerinin imalatında kullandı. endodonti.

Esansiyel titreme

Titremeyi azaltmaya yönelik geleneksel aktif iptal teknikleri, bozukluğun tersi yönde bir nesneyi harekete geçirmek için elektrikli, hidrolik veya pnömatik sistemler kullanır. Ancak bu sistemler, insan titreme frekanslarında büyük güç genlikleri üretmek için gereken büyük altyapı nedeniyle sınırlıdır. SMA'ların elde tutulan uygulamalarda etkili bir çalıştırma yöntemi olduğu kanıtlanmıştır ve yeni bir sınıf aktif titreme önleme cihazlarını etkinleştirmiştir.[42] Bu tür bir cihaza yeni bir örnek, Liftware kaşık, geliştiren Verily Yaşam Bilimleri yan kuruluş Lift Labs.

Motorlar

Soğuk ve sıcak su rezervuarlarındaki nispeten küçük sıcaklık farklarından çalışan deneysel katı hal ısı motorları, 1970'lerden beri geliştirildi. Ridgway Bankaları.

El sanatları

Eksiz bileziklerde kullanılmak üzere küçük yuvarlak uzunluklarda satılır.

Isıtmak ve soğutmak

Alman bilim adamları Saarland Üniversitesi dönen bir silindirin etrafına sarılan nikel-titanyum ("nitinol") alaşımlı tel kullanarak ısıyı aktaran bir prototip makine üretti. Silindir döndükçe, tel "süper elastik" durumundan yüksüz durumuna geçerken ısı bir taraftan emilir ve diğer taraftan salınır. Saarland Üniversitesi tarafından yayınlanan yakın tarihli bir makaleye göre, ısının aktarılma verimliliği, tipik bir ısı pompası veya klimadan daha yüksek görünmektedir.[43]

Hemen hemen tüm klimalar ve ısı pompaları bugün kullanımda olan buhar sıkıştırmasını kullanır soğutucular. Zamanla bu sistemlerde kullanılan soğutucu akışkanların bir kısmı atmosfere sızarak, küresel ısınma. Soğutucu akışkan kullanmayan yeni teknoloji ekonomik ve pratik olursa, iklim değişikliğini azaltma çabasında önemli bir atılım sunabilir.[kaynak belirtilmeli ]

Malzemeler

Çeşitli alaşımlar şekil hafızası etkisi sergiler. Alaşım bileşenleri, SMA'nın dönüşüm sıcaklıklarını kontrol etmek için ayarlanabilir. Bazı yaygın sistemler aşağıdakileri içerir (hiçbir şekilde kapsamlı bir liste yoktur):

  • Ag-Cd 44/49 at.% Cd
  • Au-Cd 46.5 / 50,% Cd'de
  • Co-Ni-Al[44]
  • Co-Ni-Ga
  • Cu-Al-Be-X (X: Zr, B, Cr, Gd)
  • Cu-Al-Ni 14 / 14.5 wt.% Al, 3 / 4.5 wt.% Ni
  • Cu-Al-Ni-Hf
  • Cu-Sn yakl. 15 içinde.% Sn
  • Cu-Zn 38.5 / 41.5 wt.% Zn
  • Cu-Zn-X (X = Si, Al, Sn)
  • Fe-Mn-Si
  • Fe-Pt yakl. 25 içinde.% Pt
  • Mn-Cu 5/35 içinde.% Cu
  • Ni-Fe-Ga
  • Ni-Ti yakl. 55–60 ağırlık% Ni
  • Ni-Ti-Hf
  • Ni-Ti-Pd
  • Ni-Mn-Ga[45]
  • Ti-Nb

Referanslar

  1. ^ Wilkes, Kenneth E .; Liaw, Peter K .; Wilkes, Kenneth E. (Ekim 2000). "Şekil hafızalı alaşımların yorulma davranışı". JOM. 52 (10): 45–51. Bibcode:2000JOM .... 52j..45W. doi:10.1007 / s11837-000-0083-3. S2CID  137826371.
  2. ^ Cederström, J .; Van Humbeeck, J. (Şubat 1995). "Şekil Belleği Malzeme Özellikleri ve Uygulamaları Arasındaki İlişki". Le Journal de Physique IV. 05 (C2): C2-335 – C2-341. doi:10.1051 / jp4: 1995251.
  3. ^ "Şekil Hafızalı Alaşımlar". Özellikler ve Seçim: Demir Dışı Alaşımlar ve Özel Amaçlı Malzemeler. 1990. s. 897–902. doi:10.31399 / asm.hb.v02.a0001100. ISBN  978-1-62708-162-7.
  4. ^ Huang, W. (Şubat 2002). "Aktüatörler için şekil hafızalı alaşımların seçimi hakkında". Malzemeler ve Tasarım. 23 (1): 11–19. doi:10.1016 / S0261-3069 (01) 00039-5.
  5. ^ Sun, L .; Huang, W. M. (21 Mayıs 2010). "Isıtma üzerine şekil hafızalı alaşımlarda çok aşamalı dönüşümün doğası". Metal Bilimi ve Isıl İşlem. 51 (11–12): 573–578. Bibcode:2009 MSHT ... 51..573S. doi:10.1007 / s11041-010-9213-x. S2CID  135892973.
  6. ^ Mihálcz, István (2001). "Nikel-titanyum şekil hafızalı alaşım için temel özellikler ve tasarım yöntemi". Periodica Polytechnica Makine Mühendisliği. 45 (1): 75–86.
  7. ^ a b K. Otsuka; SANTİMETRE. Wayman, eds. (1999). Şekil Belleği Malzemeleri (PDF). Cambridge University Press. ISBN  0-521-66384-9.[sayfa gerekli ]
  8. ^ Duerig, T.W .; Pelton, A.R. (1994). "Ti-Ni şekil hafızalı alaşımlar". Gerhard Welsch'de; Rodney Boyer; E.W. Collings (editörler). Malzeme Özellikleri El Kitabı: Titanyum Alaşımları. Amerikan Metaller Topluluğu. s. 1035–48. ISBN  0-87170-481-1.
  9. ^ Wu, S; Wayman, C (1987). "Martensitik dönüşümler ve Ti50Ni10Au40 ve Ti50Au50 alaşımlarında şekil hafızası etkisi". Metalografi. 20 (3): 359. doi:10.1016/0026-0800(87)90045-0.
  10. ^ Filip, Peter; Mazanec, Karel (Mayıs 1995). "İş sertleştirme ve ısıl işlemin TiNi şekil hafızalı alaşımların alt yapısı ve deformasyon davranışına etkisi". Scripta Metallurgica ve Materialia. 32 (9): 1375–1380. doi:10.1016 / 0956-716X (95) 00174-T.
  11. ^ Courtney, Thomas H. (2000). Malzemelerin mekanik davranışı (2. baskı). Boston: McGraw Hill. ISBN  0070285942. OCLC  41932585.
  12. ^ Otsuka, K .; Ren, X. (Temmuz 2005). "Ti – Ni tabanlı şekil hafızalı alaşımların fiziksel metalurjisi". Malzeme Biliminde İlerleme. 50 (5): 511–678. doi:10.1016 / j.pmatsci.2004.10.001. ISSN  0079-6425.
  13. ^ "Şekil Hafızalı Alaşımın Tanımı". smart.tamu.edu. Alındı 2019-05-24.
  14. ^ Şekil Hafızası Alaşım Şekli Eğitimi Eğitimi. (PDF). Erişim tarihi: 2011-12-04.
  15. ^ Kazuhiro Otsuka; Ren, Xiaobing (1997). "Metal alaşımlarında kauçuk benzeri davranışın kaynağı". Doğa. 389 (6651): 579–582. Bibcode:1997Natur.389..579R. doi:10.1038/39277. ISSN  1476-4687. S2CID  4395776.
  16. ^ Qian, Hui; Li, Hongnan; Şarkı, Gangbing; Guo Wei (2013). "Yapısal Titreşim Kontrolü için Yeniden Merkezleme Şekilli Hafızalı Alaşım Pasif Sönümleyici". Mühendislikte Matematiksel Problemler. 2013: 1–13. doi:10.1155/2013/963530. ISSN  1024-123X.
  17. ^ Shaw, J .; Kyriakides, S. (1995). "NiTi'nin termomekanik yönleri". Katıların Mekaniği ve Fiziği Dergisi. 43 (8): 1243–1281. Bibcode:1995JMPSo..43.1243S. doi:10.1016 / 0022-5096 (95) 00024-D.
  18. ^ Chowdhury, Piyas; Şehitoğlu, Hüseyin (2017). "Şekil hafızalı alaşımlarda kayma için atomistik mantığa bir yeniden bakış". Malzeme Biliminde İlerleme. 85: 1–42. doi:10.1016 / j.pmatsci.2016.10.002. ISSN  0079-6425.
  19. ^ a b Ma, J .; Karaman, I .; Noebe, R. D. (2010). "Yüksek sıcaklıkta şekil hafızalı alaşımlar". Uluslararası Materyal İncelemeleri. 55 (5): 257. doi:10.1179 / 095066010x12646898728363.
  20. ^ Tanaka, Y .; Himuro, Y .; Kainuma, R .; Sutou, Y .; Omori, T .; Ishida, K. (2010-03-18). "Muazzam Süper Esneklik Gösteren Demirli Polikristalin Şekil Hafızalı Alaşım". Bilim. 327 (5972): 1488–1490. Bibcode:2010Sci ... 327.1488T. doi:10.1126 / science.1183169. ISSN  0036-8075. PMID  20299589. S2CID  9536512.
  21. ^ Frankel, Dana J .; Olson Gregory B. (2015). "Heusler Yağışının Tasarımı Döngüsel Performans için Güçlendirilmiş NiTi- ve PdTi-Base SMA'ları". Şekil Belleği ve Süper Esneklik. 1 (2): 162–179. Bibcode:2015ShMeS ... 1 ... 17F. doi:10.1007 / s40830-015-0017-0. ISSN  2199-384X.
  22. ^ San Juan, J .; Nó, M.L. (2013). "Nano ölçekte süper esneklik ve şekil belleği: Martensitik dönüşümde boyut etkileri". Alaşım ve Bileşikler Dergisi. 577: S25 – S29. doi:10.1016 / j.jallcom.2011.10.110.
  23. ^ Kauffman, George & Isaac Mayo (Ekim 1993). "Hafıza Metal" (PDF). ChemMatters: 4–7.
  24. ^ William J. Buehler'in sözlü tarihi. wolaa.org.
  25. ^ M. Jani, J .; Leary, M .; Subic, A. (2016). "Şekil hafızalı alaşımlı doğrusal aktüatörlerin tasarımı: Bir inceleme". Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 28 (13): 1699. doi:10.1177 / 1045389X16679296. S2CID  138509568.
  26. ^ M. Jani, J .; Leary, M .; Subic, A .; Gibson, Mark A. (2014). "Şekil hafızalı alaşım araştırmalarının, uygulamalarının ve fırsatlarının bir incelemesi". Malzemeler ve Tasarım. 56 (5): 1078–1113. doi:10.1016 / j.matdes.2013.11.084.
  27. ^ Lara-Quintanilla, A .; Hulskamp, ​​A. W .; Bersee, H. E. (Ekim 2013). "Rüzgar türbinlerinde aerodinamik yük kontrolü için yüksek hızlı şekil hafızalı alaşım aktüatör". Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 24 (15): 1834–1845. doi:10.1177 / 1045389X13478271. S2CID  110098888.
  28. ^ Huang, S; Leary, Martin; Attalla, Tamer; Probst, K; Subic, A (2012). "Ni – Ti şekil hafızalı alaşım yanıt süresinin geçici ısı transferi analizi ile optimizasyonu". Malzemeler ve Tasarım. 35: 655–663. doi:10.1016 / j.matdes.2011.09.043.
  29. ^ Leary, M; Schiavone, F; Subic, A (2010). "Şekil hafızalı alaşım aktüatör yanıt süresinin kontrolü için geciktirme". Malzemeler ve Tasarım. 31 (4): 2124–2128. doi:10.1016 / j.matdes.2009.10.010.
  30. ^ Miyazaki, S .; Kim, H. Y .; Hosoda, H. (2006). "Ni içermeyen Ti bazlı şekil hafızasının ve süper elastik alaşımların geliştirilmesi ve karakterizasyonu". Malzeme Bilimi ve Mühendisliği: A. 438–440: 18–24. doi:10.1016 / j.msea.2006.02.054.
  31. ^ M. Jani, J .; Leary, M .; Subic, A. (2016). "Taguchi ve ANOVA kullanan NiTi SMA kasnak sisteminin yorgunluğu". Akıllı Malzemeler ve Yapılar. 25 (5): 057001. Bibcode:2016SMaS ... 25e7001M. doi:10.1088/0964-1726/25/5/057001.
  32. ^ Mabe, J. H .; Calkins, F. T .; Alkışlar, M. B. (2008). "Variable area jet nozzle using shape memory alloy actuators in an antagonistic design". In Davis, L. Porter; Henderson, Benjamin K; McMickell, M. Brett (eds.). Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies 2008. Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies 2008. 6930. pp. 69300T. doi:10.1117/12.776816. S2CID  111594060.
  33. ^ a b Lagoudas, D. C.; Hartl, D. J. (2007). "Aerospace applications of shape memory alloys". Makine Mühendisleri Kurumu Bildirileri, Bölüm G: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Dergisi. 221 (4): 535. doi:10.1243/09544100jaero211.
  34. ^ DellaCorte, C. (2014) Novel Super-Elastic Materials for Advanced Bearing Applications.
  35. ^ Webster, J. (2006). "High integrity adaptive SMA components for gas turbine applications". In White, Edward V (ed.). Smart Structures and Materials 2006: Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies. Smart Structures and Materials 2006: Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies. 6171. pp. 61710F. doi:10.1117/12.669027. S2CID  108583552.
  36. ^ The Lara Project – G1 and G2. Lararobot.de. Erişim tarihi: 2011-12-04.
  37. ^ Duerig, T.W.; Melton, K.N.; Proft, J.L. (1990), "Wide Hysteresis Shape Memory Alloys", Engineering Aspects of Shape Memory Alloys, Elsevier, pp. 130–136, doi:10.1016/b978-0-7506-1009-4.50015-9, ISBN  9780750610094
  38. ^ Şarkı, G .; Ma, N.; Li, H. -N. (2006). "Applications of shape memory alloys in civil structures". Mühendislik Yapıları. 28 (9): 1266. doi:10.1016/j.engstruct.2005.12.010.
  39. ^ Karimi, Saeed; Konh, Bardia (2019). "3D Steerable Active Surgical Needle". 2019 Design of Medical Devices Conference. doi:10.1115/DMD2019-3307. ISBN  978-0-7918-4103-7.
  40. ^ Mereau, Trinity M.; Ford, Timothy C. (March 2006). "Nitinol Compression Staples for Bone Fixation in Foot Surgery". Amerikan Podiatrik Tıp Derneği Dergisi. 96 (2): 102–106. doi:10.7547/0960102. PMID  16546946. S2CID  29604863.
  41. ^ Obituary of Dr. Andreasen. New York Times (1989-08-15). Retrieved in 2016.
  42. ^ Pathak, Anupam (2010). The Development of an Antagonistic SMA Actuation Technology for the Active Cancellation of Human Tremor (Tez). hdl:2027.42/76010.
  43. ^ Saarland University (March 13, 2019). "Research team uses artificial muscles to develop an air conditioner for the future". phys.org.
  44. ^ Dilibal, S.; Sehitoglu, H.; Hamilton, R. F.; Maier, H. J.; Chumlyakov, Y. (2011). "On the volume change in Co–Ni–Al during pseudoelasticity" (PDF). Malzeme Bilimi ve Mühendisliği: A. 528 (6): 2875. doi:10.1016/j.msea.2010.12.056.
  45. ^ Hamilton, R. F.; Dilibal, S.; Sehitoglu, H.; Maier, H. J. (2011). "Underlying mechanism of dual hysteresis in NiMnGa single crystals". Malzeme Bilimi ve Mühendisliği: A. 528 (3): 1877. doi:10.1016/j.msea.2010.10.042.

Dış bağlantılar

İle ilgili medya Shape-memory materials Wikimedia Commons'ta