Stopy z pamięcią kształtu (SMA, z ) – materiały inteligentne, w których zachodzi odwracalna, termosprężysta przemiana martenzytyczna lub zmiana orientacji krystalicznej martenzytu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.
Ogólne informacje Wyróżnia się dwa główne typy efektów pamięci kształtu ze względu na zjawisko je indukujące: odwracalna przemiana martenzytyczna indukowana cieplnie zmiana orientacji krystalicznej martenzytu indukowana zewnętrznym polem magnetycznym (MFIS).
Najczęściej wykorzystywanymi materiałami z pierwszej grupy są stopy Ni-Ti, Cu-Al i Cu-Zn-Al. Określa się je wspólnym mianem termosprężystych stopów z pamięcią kształtu (TSMA). Z drugiej grupy najczęściej wykorzystywany jest stop Ni-Mn-Ga. Tego typu materiały nazywa się magnetycznymi stopami z pamięcią kształtu (MSMA) lub ferromagnetycznymi stopami z pamięcią kształtu (FSMA).
Historia W 1932 roku szwedzki naukowiec Arne Őlander opublikował pracę dotyczącą niezrozumiałego sprężystego zachowania stopu Au-Cd w temperaturze pokojowej. Równolegle i niezależnie Scheil badał pseudosprężystość w stopach Fe-Ni (żelazoniklu). W 1938 roku Greninger i Mooradian jako pierwsi dokonali obserwacji tworzenia się martenzytu termosprężystego w stopie Cu-Zn. W 1949 roku Kurdjumov i Khandros opublikowali pierwszy artykuł w całości poświęcony efektowi pamięci kształtu. W 1951 roku Chang i Read przedstawili pierwszy poprawny opis mechanizmu zjawiska pseudosprężystości zachodzącego w stopach Au-Cd. W 1952 roku Reynolds i Bever odkryli pseudosprężyste zachowanie w stopach Cu-Zn (potwierdzone niezależnie przez Hornbogena i Wassermanna w 1956 roku). W 1953 roku Burkhart i Read odkryli efekt pseudosprężystości w stopach In-Tl (niezależnie potwierdzone przez Basinskiego i Christiana w 1954 roku). W 1958 roku Rachinger odkrył zachowanie pseudosprężyste w stopie Cu-Al-Ni. W 1963 roku William J. Buehler i Frederick Wang odkryli efekt pamięci kształtu w stopach Ni-Ti (nitinolu). Jak miało się później okazać, owo odkrycie stało się kamieniem milowym w badaniach stopów z pamięcią kształtu. W 1971 roku pierwszy raz wykorzystano stop Ni-Ti do celów komercyjnych. W tym samym roku Wayman odkrył zjawisko pamięci kształtu w stopie Fe3Pt. W 1982 roku Sato zaobserwował efekt pamięci kształtu w stopach Fe-Mn-Si. W 1984 roku Maki odkrył efekt pamięci kształtu w stopach Fe-Ni-Co-Ti. Webster obserwuje magnetyczny efekt pamięci kształtu w stopie Ni2MnGa. W 1996 roku Ullakko pierwszy zaobserwował zmianę orientacji krystalicznej martenzytu indukowanej zewnętrznym polem magnetycznym.
Największe zastosowanie znalazły stopy z pamięcią kształtu na bazie niklu (głównie nitinol), miedzi (CuZnX oraz CuAlX) i żelaza.
Przykłady stopów W tabeli zestawiono przykładowe stopy wykazujące efekt pamięci kształtu z ich uśrednionymi własnościami: Materiał Skład [% atomowe]Zakres temperaturowyprzemiany [°C] Wielkość pętli histerezy [°C] Ag-Cd Ag(51–56) – Cd(44–49) −190 ÷ −50 ~15 Au-Cd Au(50–53,5) – Cd(46,5–50) 30 ÷ 100 ~15 In-Ti In(77–82) – Ti(18–23) 60 ÷ 100 ~4 Mn-Cu Mn(65–95) – Cu(5–35) −250 ÷ 180 ~25 Cu-Al-Ni Cu(81–83) – Al(14–14,5) – Ni(3–4,5) −250 ÷ 180 ~25 Cu-Sn Cu(~85) – Sn(~15) −120 ÷ 30 – Cu-Zn Cu(58,5–61,5) – Zn(38,5–41,5) −180 ÷ −10 ~10 Cu-Zn-X (X=Si, Sn, Al) Cu(~50) – Zn(38,5–41,5) – X(~5) −180 ÷ 200 ~10 Ni-Al Ni(62–64) – Al(36–38) −180 ÷ 100 ~10 Ni-Ti Ni(49–51) – Ti(49–51) −50 ÷ 110 ~30 Fe-Pt Fe(~75) – Pt(~25) ~−130 ~4 Fe-Mn-Si Fe(~62) – Mn(~32) – Si(~6) −200 ÷ 150 ~100
Zastosowanie termosprężystych stopów z pamięcią kształtu Technika Zastosowanie w technice stopów z pamięcią kształtu można podzielić na kilka głównych grup: trwałe połączenia mechaniczne i elektryczne silniki cieplne roboty czujniki temperatury układy regulacyjne układy pracujące w niskich temperaturach układy tłumiące drgania i hałas wykorzystujące efekt pseudosprężystości zastępujące bimetale.
Połączenia złącza rur Złączka w kształcie tulei zostaje odkształcona w stanie martenzytycznym przez rozparcie dla zwiększenia jej średnicy. Przechowywana jest w ciekłym azocie. W odkształconą tuleję wsuwane są końce łączonych rur. Przeprowadza się nagrzewanie do temperatury otoczenia. Ten zakres temperatur powinien w stopie z pamięcią kształtu wypadać między temperaturą As, a Af. Następuje przemiana fazowa objawiająca się skurczem złączki. Uzyskuje się trwałe i szczelne połączenie pozbawione wad metalurgicznych. Metoda eliminuje potrzebę wykorzystania technologii takich jak spawanie, czy lutowanie. Złączki znalazły zastosowanie głównie w przemyśle lotniczym oraz stoczniowym. złącza elektryczne i optyczne Wtyk jest oziębiany, aby był w stanie martenzytycznym. Wprowadzany jest do gniazda i podgrzewany do temperatury otoczenia. Przemiana fazowa uniemożliwia jego rozłączenie. Dodatkowo na gniazdo nasuwa się pierścień ochronny, również wykonany z materiału z pamięcią kształtu. Zaletą złącz jest odporność na wstrząsy, duża wytrzymałość mechaniczna, stabilny opór elektryczny złącza. zaciski i nity Nit o odgiętych końcówkach jest oziębiany do stanu martenzytycznego. Następnie mechanicznie końcówka jest prostowana. Tak przygotowany element wsuwa się do miejsca połączenia. Po wsunięciu do łączonych elementów nit jest podgrzewany w wyniku czego końcówki z powrotem odginają się.
Czujniki temperatury termoregulatory Stopy z pamięcią kształtu znalazły zastosowanie jako czujniki temperatury oraz układy czynnie reagujące. Zadaniem takiego mechanizmu jest reagowanie na zadany przedział temperaturowy, od skrajnie wysokiego do niskiego. Większość histerez materiałów z pamięcią kształtu jest zbyt duża, aby istniała możliwość bezpośredniego ich zastosowania. Z tego powodu opracowano mechanizm składający się z dwu sprężyn. Jedna z nich jest wykonana z materiału z pamięcią kształtu, a druga najczęściej ze stali (mechanizm oporowy). W przypadku wzrostu temperatury powyżej górnej granicy układ wyłącza się w wyniku nacisku sprężyny wykazującej efekt pamięci kształtu. Spadek temperatury poniżej dolnej granicy powoduje, że układ zostaje włączony w wyniku nacisku stalowej sprężyny. Takie rozwiązanie znalazło zastosowanie głównie w przemyśle grzewczym (grzejniki, klimatyzatory itp.). zawór odcinający dopływ gazu w przypadku pożaru Technologia zaworu opiera się na działaniu sprężyny śrubowej wykonanej ze stopu z pamięcią kształtu. W przypadku wzrostu temperatury sprężyna wywiera nacisk na zawór kulisty odcinając dopływ gazu. Takie zawory montowane są głównie przed licznikiem gazowym lub innymi urządzeniami gazowymi. Przy spadku temperatury zawór nie otwiera się samoczynnie. Ze względów bezpieczeństwa wymagana jest ingerencja człowieka.
Samoczynne otwieranie drzwi i okien Urządzenie spełniające owe czynności jest zawias zaopatrzony w stalową sprężynę utrzymującą okno w stanie zamkniętym oraz w sprężynę wykonaną z materiału z pamięcią kształtu. Stop jest tak dobrany, aby występowanie stanu martenzytycznego wypadało w temperaturze, w której okno jest zamknięte, a sprężyna ściśnięta. Przy wzroście temperatury materiał wykazujący efekt pamięci kształtu pokonuje opór stawiany przez stalową sprężynę i pozwala otworzyć okno. Przy spadku temperatury okno samoczynnie zamyka się. Na podobnej zasadzie zaprojektowano drzwi ewakuacyjne, które otwierają się w przypadku wybuchu pożaru.
Elementy pojazdów termostat samochodowy
Klasyczne zawory zawierają czujniki kontrolujące w postaci cieczy lub wosku. Termostaty wykorzystujące efekt pamięci kształtu pełnią funkcję czujnika temperatury i regulatora przepływu cieczy chłodzącej. Ich zastosowanie pozwala uniknąć problemów z wyciekiem cieczy lub wosku. Niepotrzebne jest również konstruowanie osobnych mechanizmów uruchamiających. Dzięki temu termostat ma prostszą, lżejszą i zwartą konstrukcję. sprzęgło wentylatora
Wykorzystuje się śrubową sprężynę wykazującą efekt pamięci kształtu. Pracuje ona przeciwko czterem sprężynom płytkowym zrobionym ze stali. Element z pamięcią kształtu uruchamia sprzęgło, co w konsekwencji wprowadza wentylator chłodzący w ruch. Dzieje się to w momencie przekroczenia danej temperatury, która powoduje w sprężynie odwrotną przemianę martenzytyczną. Zastosowanie takiej sprężyny pozwala wprowadzić różnicę prędkości obrotowej wentylatora w zależności od temperatury. Sprzęgło pracujące w takim trybie jest mniej hałaśliwe i oszczędza paliwo. regulacja dopływu paliwa do gaźnika
W konwencjonalnych gaźnikach dysza wyregulowana jest dla temperatury otoczenia. Ze wzrostem temperatury spada lepkość paliwa i przy niezmiennym położeniu igły w dyszy rośnie też ilość wtłaczanego paliwa. Zastosowanie dyszy z dwukierunkowym efektem pamięci kształtu umożliwia zmianę i dostosowanie średnicy w zależności od danej temperatury. W przypadku wzrostu temperatury dysza w wyniku zajścia przemiany martenzytycznej zmniejsza swą średnicę. Uzyskuje się dzięki temu obniżenie ilości wydzielanych spalin i oszczędzenie paliwa.
Roboty
Standardowe elementy mechaniczne zostały zastąpione przez układ materiałów z pamięcią kształtu. Wykorzystuje się ich oporowe nagrzewanie. Problemem konstrukcyjnym jest szybkie odprowadzanie ciepła w celu wykonania przeciwnej reakcji. Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu pozwala dodatkowo regulować dużo więcej parametrów pracy (np. dłoń robota ma możliwość precyzyjnej kontroli uścisku elementów).
Silnik cieplny
W tego typu silniku cieplnym wykorzystuje się bezpośrednią przemianę energii cieplnej w mechaniczną. Idea urządzenia jest prosta. Na drut wykonany ze stopu wykazującego efekt pamięci kształtu w stanie martenzytycznym zawiesza się dany ciężar. Podczas nagrzewania zachodzi przemiana fazowa w austenit, co objawia się skurczem drutu. Układ wykonana pracę zależną od przyłożonego ciężaru i wielkości skurczu materiału. Efekt wykorzystuje się cyklicznie. Ogólnie silniki cieplne bazujące na pamięci kształtu charakteryzują się słabą sprawnością (rzędu kilku %). Najlepszy z nich wykazywał sprawność do 20% i brak wyraźnego pogorszenia efektu pamięci kształtu po 17·106 cyklach. Największy silnik cieplny wykorzystujący efekt pamięci kształtu charakteryzował się mocą 665 W oraz sprawnością około 5%.
Tłumienie drgań Materiały wykazujące efekt pamięci kształtu mają duży współczynnik tłumienia drgań i hałasu w stanie martenzytycznym. Wartość tłumienia jest zależna od temperatury i od amplitudy odkształceń. Im temperatura jest niżej od Ms, tym materiał charakteryzuje się lepszym tłumieniem. Tak samo jest w przypadku, gdy rośnie amplituda drgań. Znajdują zastosowanie jako powłoki i podkładki absorbujące.
Wykorzystanie pseudosprężystości Stopy wykazujące efekt pseudosprężystości mogą być wykorzystane jako magazyny energii. Dzięki nim możliwe jest odzyskanie dużych wartości odkształceń. Przy przemianie martenzytycznej występuje stała wartość naprężeń, dlatego stopy mogą odkształcać już przy nieznacznych zmianach naprężeń. W branży motoryzacyjnej zaproponowano użycie układu, który magazynowałby część energii powstałej w wyniku hamowania pojazdu, a następnie jej uwolnienie i spożytkowanie przy ruszaniu.
Medycyna Zastosowanie w medycynie stopów z pamięcią kształtu jest utrudnione ze względu na wysokie wymogi stawiane tym materiałom. Przede wszystkim nie mogą mieć one negatywnego wpływu na użytkującego ich pacjenta. W przypadku materiałów z pamięcią kształtu pracujących w ciele człowieka jednym z najważniejszych aspektów jest tzw. metaloza. Problemem konstrukcyjnym jest dostosowanie temperatury przemiany fazowej do temperatury organizmu ludzkiego (również z uwzględnieniem ewentualnych wzrostów temperatury w wyniku chorób). Najczęściej implant wykazujący efekt pamięci kształtu wprowadza się w stanie austenitycznym do ciała pacjenta. Ciepło potrzebne do zajścia przemiany martenzytycznej doprowadza się zewnętrznie lub pochodzi z ciała człowieka.
Osteosynteza
Elementy do osteosyntezy wykonane z materiałów wykazujących efekt pamięci kształtu: klamry