Сплав с памятью формы

Сплав с памятью формы представляет собой сплав , который может быть деформирован при холодном , но возвращается к предварительно-деформированному ( «помнил») форму при нагревании. Он также может быть вызван памяти металла , сплава с эффектом памяти , смарт - металла , смарт - сплав , или мышечной проволоки . [ необходима цитата ]

Детали, изготовленные из сплавов с памятью формы, могут быть легкой твердотельной альтернативой обычным приводам, таким как гидравлические , пневматические и моторные системы. Их также можно использовать для герметизации металлических труб.

Двумя наиболее распространенными сплавами с памятью формы являются медь - алюминий - никель и никель - титан ( NiTi ), 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 предпочтительнее для большинства приложений из-за их стабильность и практичность. [1] [2] [3] и превосходные термомеханические характеристики. [4] SMA могут существовать в двух разных фазах, с тремя различными кристаллическими структурами (т.е. двойниковый мартенсит, раздвойниковый мартенсит и аустенит) и шестью возможными превращениями. [5] [6]

Сплавы NiTi при охлаждении превращаются из аустенита в мартенсит ; M f - температура, при которой завершается переход в мартенсит после охлаждения. Соответственно, во время нагрева A s и A f - это температуры, при которых превращение мартенсита в аустенит начинается и заканчивается. Повторное использование эффекта памяти формы может привести к сдвигу характерных температур трансформации (этот эффект известен как функциональная усталость, поскольку он тесно связан с изменением микроструктурных и функциональных свойств материала). [7] Максимальная температура, при которой SMA больше не могут быть вызваны напряжением, называется M d , когда SMA постоянно деформируются. [8]

Переход от мартенситной фазы к аустенитной фазе зависит только от температуры и напряжения, а не от времени, как и большинство фазовых переходов, поскольку диффузия отсутствует. Точно так же структура аустенита получила свое название от стальных сплавов схожей структуры. Именно обратимый бездиффузионный переход между этими двумя фазами приводит к особым свойствам. В то время как мартенсит может быть образован из аустенита путем быстрого охлаждения углерода - сталь , этот процесс не является обратимым, так что сталь не обладает свойствами , с памятью формы.

Sma wire.jpg

На этом рисунке ξ (T) представляет долю мартенсита. Разница между переходом нагрева и переходом охлаждения вызывает гистерезис, при котором часть механической энергии теряется в процессе. Форма кривой зависит от свойств материала сплава с памятью формы, таких как состав сплава [9] и деформационное упрочнение . [10]

"> File:Shape Memory Effect Animation.ogvВоспроизвести медиа
Эта анимация иллюстрирует полный эффект памяти формы:
  1. Охлаждение от аустенита до (двойникового) мартенсита, которое происходит либо в начале срока службы SMA, либо в конце теплового цикла.
  2. Приложение напряжения для отделения мартенсита.
  3. Нагрев мартенсита для преобразования аустенита с восстановлением первоначальной формы.
  4. Охлаждение аустенита обратно до двойникового мартенсита.

Эффект памяти формы (SME) [11] возникает из-за того, что индуцированное температурой фазовое превращение обращает деформацию, как показано на предыдущей кривой гистерезиса. Обычно мартенситная фаза моноклинная или ромбическая (B19 'или B19 ). Поскольку эти кристаллические структуры не имеют достаточного количества систем скольжения для легкого движения дислокаций, они деформируются за счет двойникования - или, скорее, расщепления. [12]

Мартенсит термодинамически предпочтителен при более низких температурах, в то время как аустенит ( кубический B2 ) термодинамически предпочтителен при более высоких температурах. Поскольку эти структуры имеют разные размеры решетки и симметрию, охлаждение аустенита до мартенсита приводит к появлению внутренней энергии деформации в мартенситной фазе. Чтобы уменьшить эту энергию, мартенситная фаза образует множество двойников - это называется «самоаккомодирующимся двойникованием» и представляет собой двойниковую версию геометрически необходимых дислокаций . Поскольку сплав с памятью формы будет производиться при более высоких температурах и обычно конструируется так, чтобы мартенситная фаза преобладала при рабочей температуре, чтобы воспользоваться эффектом памяти формы, SMA «начинают» сильно двойниковые. [13]

Когда мартенсит нагружен, эти самоприкладывающиеся двойники обеспечивают легкий путь деформации. Приложенные напряжения будут разъединять мартенсит, но все атомы остаются в одном и том же положении относительно соседних атомов - никакие атомные связи не разрываются или не реформируются (как при движении дислокации). Таким образом, когда температура повышается и аустенит становится термодинамически благоприятным, все атомы перестраиваются в структуру B2, которая оказывается той же макроскопической формы, что и форма до деформации B19 '. [14] Это фазовое преобразование происходит очень быстро и придает SMA характерный «щелчок».

Сплавы с памятью формы обладают различными эффектами памяти формы. Два общих эффекта - это односторонняя и двусторонняя память формы. Схема эффектов показана ниже.

SMAoneway.jpgSMAtwoway.jpg

Процедуры очень похожи: начиная с мартенсита (a), добавляя обратимую деформацию для одностороннего эффекта или сильную деформацию с необратимой величиной для двустороннего (b), нагревая образец (c) и снова охлаждая его ( г).

Односторонний эффект памяти

Когда сплав с памятью формы находится в холодном состоянии (ниже A s ), металл может изгибаться или растягиваться и будет сохранять эти формы до тех пор, пока не нагреется выше температуры перехода. При нагревании форма становится исходной. Когда металл снова остынет, он сохранит форму до тех пор, пока снова не деформируется.

При одностороннем эффекте охлаждение от высоких температур не вызывает макроскопического изменения формы. Для создания низкотемпературной формы необходима деформация. При нагревании превращение начинается при A s и завершается при A f (обычно от 2 до 20 ° C или выше, в зависимости от сплава или условий нагрузки). A s определяется типом и составом сплава и может варьироваться от-150 ° С и200 ° С .

Двусторонний эффект памяти

Двусторонний эффект памяти формы - это эффект, при котором материал запоминает две разные формы: одну при низких температурах, а другую при высокой. О материале, который проявляет эффект памяти формы как при нагревании, так и при охлаждении, говорят, что он обладает двусторонней памятью формы. Этого также можно добиться без приложения внешней силы (внутренний двусторонний эффект). Причина, по которой материал ведет себя по-разному в этих ситуациях, кроется в обучении. Тренировка подразумевает, что память формы может «научиться» вести себя определенным образом. В нормальных условиях сплав с памятью формы «запоминает» свою низкотемпературную форму, но при нагревании для восстановления высокотемпературной формы немедленно «забывает» низкотемпературную форму. Однако его можно «обучить» «запоминать» оставлять некоторые напоминания о деформированном низкотемпературном состоянии в высокотемпературных фазах. Есть несколько способов сделать это. [15] Дрессированный объект определенной формы, нагретый до определенной точки, теряет эффект двусторонней памяти.

SMA демонстрируют явление, иногда называемое сверхупругостью, но более точно описываемое как псевдоупругость . «Сверхупругость» означает, что атомные связи между атомами растягиваются до предельной длины, не вызывая пластической деформации. Псевдоупругость по-прежнему позволяет достичь больших восстанавливаемых деформаций с небольшой остаточной деформацией или без нее, но она основана на более сложных механизмах.

"> File:Pseudoelasticity Animation.ogvВоспроизвести медиа
Анимация псевдоупругости

SMA проявляют по крайней мере 3 вида псевдоупругости. Двумя менее изученными видами псевдоупругости являются образование псевдодвойников и каучукоподобное поведение из-за ближнего порядка. [16]

При напряжениях, превышающих мартенситное напряжение (A), аустенит превратится в мартенсит и вызовет большие макроскопические деформации до тех пор, пока аустенит не останется (C). После разгрузки мартенсит вернется в аустенитную фазу под действием аустенитного напряжения (D), и в этот момент деформация будет восстанавливаться до тех пор, пока материал не станет полностью аустенитным и не останется практически никакой деформации. [17]

Основной псевдоупругий эффект возникает из-за фазового превращения, вызванного напряжением. На рисунке справа показано, как происходит этот процесс.

Здесь нагрузка изотермически прикладывается к SMA выше конечной температуры аустенита A f , но ниже температуры деформации мартенсита M d . На приведенном выше рисунке показано, как это возможно, путем связывания фазового превращения, вызванного псевдоупругим напряжением, с фазовым превращением, вызванным эффектом памяти формы, с температурой. Для конкретной точки на A f можно выбрать точку на линии M s  с более высокой температурой, если эта точка M d также имеет более высокое напряжение . Материал изначально демонстрирует типичное для металлов упругопластическое поведение. Однако, как только материал достигает мартенситного напряжения, аустенит превращается в мартенсит и детвин. Как обсуждалось ранее, это разделение двойников обратимо при обратном превращении мартенсита в аустенит. При приложении больших напряжений пластическое поведение, такое как разделение двойников и скольжение мартенсита, будет инициироваться на таких участках, как границы зерен или включения. [18] [19] Если материал будет разгружен до того, как произойдет пластическая деформация, он превратится в аустенит после достижения критического напряжения для аустенита (σ as ). Материал восстановит почти всю деформацию, вызванную структурным изменением, а для некоторых SMA это может быть деформация более 10 процентов. [20] [21] Эта петля гистерезиса показывает работу, проделанную для каждого цикла материала между состояниями малых и больших деформаций, что важно для многих приложений.

График зависимости напряжения от температуры линий мартенсита и аустенита в сплаве с памятью формы.

На графике зависимости деформации от температуры начальная и конечная линии аустенита и мартенсита проходят параллельно. SME и псевдоупругость на самом деле являются разными частями одного и того же явления, как показано слева.

Ключом к большим деформациям деформации является различие в кристаллической структуре двух фаз. Аустенит обычно имеет кубическую структуру, в то время как мартенсит может быть моноклинным или иметь другую структуру, отличную от исходной фазы, обычно с более низкой симметрией. Для моноклинного мартенситного материала, такого как нитинол, моноклинная фаза имеет более низкую симметрию, что важно, поскольку определенные кристаллографические ориентации будут приспосабливаться к более высоким напряжениям по сравнению с другими ориентациями под действием приложенного напряжения. Из этого следует, что материал будет иметь тенденцию формировать ориентацию, которая максимизирует общую деформацию до любого увеличения приложенного напряжения. [22] Одним из механизмов, который помогает в этом процессе, является двойникование мартенситной фазы. В кристаллографии двойная граница - это двумерный дефект, в котором наложение атомных плоскостей решетки отражается поперек плоскости границы. В зависимости от напряжения и температуры эти процессы деформации будут конкурировать с остаточной деформацией, такой как скольжение.

Важно отметить, что σ ms зависит от таких параметров, как температура и количество центров зародышеобразования для фазового зародышеобразования. Интерфейсы и включения обеспечат общие места для начала превращения, и если их много, это увеличит движущую силу зарождения. [23] Требуется меньшее σ мс , чем для гомогенного зародышеобразования. Аналогичным образом, повышение температуры уменьшит движущую силу фазового превращения, поэтому потребуется большее значение σ ms . Можно видеть, что по мере увеличения рабочей температуры SMA, σ ms будет больше, чем предел текучести, σ y , и сверхупругость больше не будет наблюдаться.

Первые зарегистрированные шаги к открытию эффекта памяти формы были предприняты в 1930-х годах. Согласно Оцуке и Уэйману , Арне Оландер обнаружил псевдоупругое поведение сплава Au-Cd в 1932 году. Гренингер и Мурадиан (1938) наблюдали образование и исчезновение мартенситной фазы при понижении и повышении температуры сплава Cu-Zn. Об основном явлении эффекта памяти, обусловленном термоупругим поведением мартенситной фазы, десять лет спустя широко сообщили Курджумов и Хандрос (1949), а также Чанг и Рид (1951). [7]

Никель-титановые сплавы были впервые разработаны в 1962–1963 годах Военно-морской артиллерийской лабораторией США и поступили на рынок под торговым наименованием Nitinol (аббревиатура от Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Их замечательные свойства были обнаружены случайно. Образец, который много раз изгибался, был представлен на заседании руководства лаборатории. Один из младших технических директоров, доктор Дэвид С. Муззи, решил посмотреть, что произойдет, если образец будет подвергнут нагреву, и поднес к нему свою трубку-зажигалку. К всеобщему изумлению, образец вернулся к своей первоначальной форме. [24] [25]

Существует еще один тип SMA, называемый ферромагнитным сплавом с памятью формы (FSMA), который меняет форму под действием сильных магнитных полей. Эти материалы представляют особый интерес, поскольку магнитный отклик имеет тенденцию быть быстрее и эффективнее, чем отклик, индуцированный температурой.

Металлические сплавы - не единственные термочувствительные материалы; Также были разработаны полимеры с памятью формы , которые стали коммерчески доступными в конце 1990-х годов.

Многие металлы имеют несколько различных кристаллических структур одного и того же состава, но большинство металлов не проявляют этого эффекта памяти формы. Особое свойство, которое позволяет сплавам с памятью формы возвращаться к своей исходной форме после нагрева, заключается в том, что их кристаллическое преобразование полностью обратимо. В большинстве преобразований кристаллов атомы в структуре будут перемещаться через металл путем диффузии, локально изменяя состав, даже если металл в целом состоит из одних и тех же атомов. Обратимое преобразование не включает диффузию атомов, вместо этого все атомы сдвигаются одновременно, образуя новую структуру, во многом так же, как параллелограмм можно сделать из квадрата, нажав на две противоположные стороны. При разных температурах предпочтительны разные структуры, и когда структура охлаждается до температуры перехода, мартенситная структура образуется из аустенитной фазы.

Сплавы с памятью формы обычно производятся путем литья с использованием вакуумно-дуговой плавки или индукционной плавки. Это специальные методы, используемые для сведения к минимуму примесей в сплаве и обеспечения хорошего перемешивания металлов. Затем слиток подвергается горячей прокатке на более длинные секции, а затем вытягивается, чтобы превратить его в проволоку.

Способ «тренировки» сплавов зависит от желаемых свойств. «Тренировка» определяет форму, которую сплав будет помнить при нагревании. Это происходит за счет нагрева сплава, так что дислокации переупорядочиваются в стабильные положения, но не настолько горячие, чтобы материал рекристаллизовался . Они нагреваются до400 ° C и500 ° C в течение 30 минут, формуют в горячем состоянии, а затем быстро охлаждают путем закалки в воде или путем охлаждения воздухом.

Сплавы на основе меди и NiTi с памятью формы считаются конструкционными материалами. Эти композиции могут быть изготовлены практически любой формы и размера.

Предел текучести сплавов с памятью формы ниже, чем у обычной стали, но некоторые составы имеют более высокий предел текучести, чем пластик или алюминий. Предел текучести для Ni Ti может достигать500  МПа . Высокая стоимость самого металла и требования к обработке делают сложным и дорогостоящим внедрение SMA в конструкцию. В результате эти материалы используются в приложениях, где можно использовать сверхэластичные свойства или эффект памяти формы. Чаще всего применяется срабатывание.

Одним из преимуществ использования сплавов с памятью формы является высокий уровень восстанавливаемой пластической деформации, которая может быть вызвана. Максимальное восстанавливаемое напряжение, которое эти материалы могут выдерживать без необратимого повреждения, составляет до8% для некоторых сплавов. Это сравнимо с максимальной нагрузкой.0,5% для обычных сталей.

SMA имеет много преимуществ перед традиционными приводами, но страдает рядом ограничений, которые могут препятствовать практическому применению. В многочисленных исследованиях подчеркивалось, что только некоторые из запатентованных применений сплавов с памятью формы являются коммерчески успешными из-за материальных ограничений в сочетании с отсутствием знаний о материалах и конструкции и связанных инструментов, таких как неправильные подходы к проектированию и используемые методы. [26] Задачи при разработке приложений SMA состоят в том, чтобы преодолеть их ограничения, которые включают относительно небольшую полезную деформацию, низкую частоту срабатывания, низкую управляемость, низкую точность и низкую энергоэффективность. [27]

Время отклика и симметрия отклика

Приводы SMA обычно приводятся в действие электрически, где электрический ток вызывает джоулев нагрев . Деактивация обычно происходит за счет свободной конвективной передачи тепла в окружающую среду. Следовательно, срабатывание SMA обычно асимметрично, с относительно быстрым временем срабатывания и медленным временем отключения. Для уменьшения времени дезактивации SMA был предложен ряд методов, включая принудительную конвекцию [28] и задержку SMA проводящим материалом для управления скоростью теплопередачи.

Новые методы, позволяющие повысить эффективность приводов SMA, включают использование проводящего « запаздывания ». В этом методе используется термопаста для быстрого отвода тепла от SMA за счет теплопроводности. Это тепло легче передается в окружающую среду за счет конвекции, поскольку внешние радиусы (и площадь теплопередачи) значительно больше, чем у неизолированного провода. Этот метод приводит к значительному сокращению времени деактивации и симметричному профилю активации. Вследствие повышенной скорости теплопередачи увеличивается ток, необходимый для достижения заданной силы срабатывания. [29]

Сравнительная характеристика зависимости силы от времени для сплава Ni-Ti с памятью формы без покрытия и с отставанием. [30]

Структурная усталость и функциональная усталость

SMA подвержен структурной усталости - режиму разрушения, при котором циклическое нагружение приводит к возникновению и распространению трещины, что в конечном итоге приводит к катастрофической потере функции из-за разрушения. Физика, лежащая в основе этого режима усталости, заключается в накоплении микроструктурных повреждений во время циклического нагружения. Этот режим отказа наблюдается в большинстве конструкционных материалов, а не только в SMA.

SMA также подвержены функциональной усталости, режиму разрушения, не типичному для большинства конструкционных материалов, в результате чего SMA не разрушается структурно, а со временем теряет свои характеристики памяти формы / сверхупругости. В результате циклического нагружения (как механического, так и термического) материал теряет способность претерпевать обратимые фазовые превращения. Например, рабочий объем привода уменьшается с увеличением количества циклов. Физика, стоящая за этим, заключается в постепенном изменении микроструктуры, а точнее, накоплении аккомодационных дислокаций скольжения . Часто это сопровождается значительным изменением температуры превращения. [31] Конструкция приводов SMA может также влиять как на структурную, так и на функциональную усталость SMA, например, конфигурации шкивов в системе SMA-Pulley. [32]

Непреднамеренное срабатывание

Приводы SMA обычно приводятся в действие электрически за счет джоулева нагрева . Если SMA используется в среде, где температура окружающей среды не контролируется, может произойти непреднамеренное срабатывание из-за нагрева окружающей среды.

Промышленное

Самолеты и космические аппараты

Boeing , General Electric Aircraft Engines , Goodrich Corporation , НАСА , Техасский университет A&M и All Nippon Airways разработали Chevron с изменяемой геометрией с использованием NiTi SMA. Такая конструкция сопла с регулируемой площадью сечения (VAFN) позволит в будущем создавать более тихие и более эффективные реактивные двигатели. В 2005 и 2006 годах компания Boeing провела успешные летные испытания этой технологии. [33]

SMA исследуются как гасители вибрации для ракет-носителей и коммерческих реактивных двигателей. Большой гистерезис, наблюдаемый во время сверхупругого эффекта, позволяет SMA рассеивать энергию и гасить колебания. Эти материалы обещают снизить высокие вибрационные нагрузки на полезные нагрузки во время запуска, а также на лопасти вентиляторов в коммерческих реактивных двигателях, что позволяет создавать более легкие и эффективные конструкции. [34] SMA также обладают потенциалом для других применений с высокими ударными нагрузками, таких как шарикоподшипники и шасси. [35]

Также существует большой интерес к использованию SMA для различных приложений исполнительных механизмов в коммерческих реактивных двигателях, что значительно снизит их вес и повысит эффективность. [36] Однако в этой области необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы повысить температуры превращения и улучшить механические свойства этих материалов, прежде чем они смогут быть успешно реализованы. Обзор последних достижений в области высокотемпературных сплавов с памятью формы (HTSMA) представлен Ma et al. [20]

Также изучаются различные технологии трансформации крыльев. [34]

Автомобильная промышленность

Первым продуктом большого объема (> 5 млн приводов в год) является автомобильный клапан, используемый для управления пневматическими баллонами низкого давления в автокресле, которые регулируют контур поясничной опоры / валиков. Общие преимущества SMA по сравнению с традиционно используемыми соленоидами в этом приложении (более низкий уровень шума / ЭМС / вес / форм-фактор / энергопотребление) стали решающим фактором в решении заменить старую стандартную технологию на SMA.

Chevrolet Corvette 2014 года стал первым автомобилем, оснащенным исполнительными механизмами SMA, которые заменили более тяжелые моторизованные исполнительные механизмы для открывания и закрывания вентиляционного люка, через который воздух выходит из багажника, что упрощает его закрытие. Также нацелены на множество других приложений, включая электрические генераторы для выработки электричества из тепла выхлопных газов и воздушные заслонки по запросу для оптимизации аэродинамики на различных скоростях.

Робототехника

Также были ограниченные исследования по использованию этих материалов в робототехнике , например, в роботах-любителях Стикито (и «Роботфрау Лара» [37] ), поскольку они позволяют создавать очень легких роботов. Недавно Loh et al. Представили протез руки. который может почти копировать движения человеческой руки [Loh2005]. Также изучаются другие применения в биомиметике. Слабыми сторонами технологии являются неэффективность использования энергии, медленное время отклика и большой гистерезис .

Биоинженерная роботизированная рука

Есть несколько прототипов руки робота на основе SMA, которые используют эффект памяти формы (SME) для перемещения пальцев. [38]

Гражданские сооружения

SMA находят множество применений в гражданских конструкциях, таких как мосты и здания. Одним из таких приложений является интеллектуальный армированный бетон (IRC), который включает провода SMA, встроенные в бетон. Эти провода могут ощущать трещины и сжиматься, чтобы залечить микротрещины. Другое применение - активная настройка собственной частоты конструкции с помощью проводов SMA для гашения вибраций. [39]

Трубопровод

Первым потребительским коммерческим применением была муфта с памятью формы для трубопроводов, например нефтепроводов для промышленного применения, водопроводных труб и аналогичных типов трубопроводов для бытовых / коммерческих применений.

Телекоммуникации

Вторым массовым применением был привод автофокуса (AF) для смартфона . В настоящее время несколько компаний работают над модулем оптической стабилизации изображения (OIS), управляемым проводами, сделанными из SMA [ необходима ссылка ]

Медицина

Сплавы с памятью формы применяются в медицине, например, в качестве фиксирующих устройств для остеотомий в ортопедической хирургии , в качестве исполнительного механизма в хирургических инструментах; активные управляемые хирургические иглы для минимально инвазивных вмешательств при чрескожном раке в хирургических процедурах, таких как биопсия и брахитерапия , [40] в зубных скобах для приложения постоянных сил перемещения зубов на зубы, в капсульной эндоскопии они могут использоваться в качестве триггера для действия биопсии .

В конце 80-х годов прошлого века нитинол был коммерчески внедрен в качестве вспомогательной технологии в ряде малоинвазивных эндоваскулярных медицинских применений. Будучи более дорогостоящими, чем нержавеющая сталь, саморасширяющиеся свойства нитиноловых сплавов, изготовленных по технологии BTR (Body Temperature Response), представляют собой привлекательную альтернативу устройствам, расширяемым баллоном, в стент-графтах, где они дают возможность адаптироваться к форме определенных кровеносных сосудов, когда подвергается воздействию температуры тела. В среднем,50% всех стентов для периферических сосудов, доступных в настоящее время на мировом рынке, производятся с использованием нитинола.

Оптометрии

Оправы для очков, изготовленные из титансодержащих SMA, продаются под торговыми марками Flexon и TITANflex. Эти оправы обычно изготавливаются из сплавов с памятью формы, для которых температура перехода установлена ​​ниже ожидаемой комнатной температуры. Это позволяет каркасам претерпевать большую деформацию под воздействием напряжения, но при этом возвращать свою заданную форму после того, как металл снова разгружается. Очень большие, по-видимому, упругие деформации возникают из-за вызванного напряжением мартенситного эффекта, когда кристаллическая структура может трансформироваться под нагрузкой, позволяя временно изменять форму под нагрузкой. Это означает, что очки, изготовленные из сплавов с памятью формы, более устойчивы к случайным повреждениям.

Ортопедическая хирургия

Металл с эффектом памяти использовался в ортопедической хирургии в качестве фиксирующе-компрессионного устройства при остеотомии , как правило, при операциях на нижних конечностях. Устройство, обычно в виде большой скобы, хранится в холодильнике в податливой форме и имплантируется в предварительно просверленные отверстия в кости через остеотомию. По мере того, как скоба нагревается, она возвращается в не податливое состояние и сжимает костные поверхности вместе, чтобы способствовать сращению костей. [41]

Стоматология

Спектр приложений для SMA с годами вырос, и основной областью развития является стоматология. Одним из примеров является широкое распространение брекетов, в которых используется технология SMA для приложения постоянных сил перемещения зубов на зубы; Нитиноловая дуга была разработана в 1972 году ортодонта Джордж Андреасена . [42] Это произвело революцию в клинической ортодонтии. Сплав Андреасена обладает структурной памятью формы, расширяясь и сжимаясь в заданных температурных диапазонах из-за его геометрического программирования.

Позже Хармит Д. Валиа использовал этот сплав для изготовления файлов корневых каналов для эндодонтии .

Эссенциальный тремор

Традиционные методы активного подавления тремора используют электрические, гидравлические или пневматические системы для приведения объекта в действие в направлении, противоположном возмущению. Однако эти системы ограничены из-за большой инфраструктуры, необходимой для получения больших амплитуд мощности на частотах сотрясения человека. SMA зарекомендовали себя как эффективный метод срабатывания в портативных приложениях и позволили создать устройства активного подавления тремора нового класса. [43] Одним из недавних примеров такого устройства является ложка Liftware , разработанная Lift Labs, дочерней компанией Verily Life Sciences .

Двигатели

Экспериментальные твердотельные тепловые двигатели, работающие при относительно небольших перепадах температур в резервуарах с холодной и горячей водой, были разработаны с 1970-х годов, в том числе Banks Engine, разработанный Ridgway Banks .

Ремесла

Поставляется небольшой круглой длины для использования в браслетах без прикрепления.

Отопление и охлаждение

Немецкие ученые из Саарландского университета создали прототип устройства, передающего тепло с помощью проволоки из сплава никель-титан («нитинол»), намотанной вокруг вращающегося цилиндра. Когда цилиндр вращается, тепло поглощается с одной стороны и выделяется с другой, поскольку проволока переходит из своего «сверхупругого» состояния в ненагруженное. Согласно статье 2019 года, опубликованной Саарландским университетом, эффективность передачи тепла оказывается выше, чем у обычного теплового насоса или кондиционера. [44]

Практически все кондиционеры и тепловые насосы, которые используются сегодня, используют парокомпрессию хладагентов . Со временем некоторые из хладагентов, используемых в этих системах, просачиваются в атмосферу и способствуют глобальному потеплению . Если новая технология, в которой не используются хладагенты, окажется экономичной и практичной, она может стать значительным прорывом в усилиях по уменьшению изменения климата. [ необходима цитата ]

Различные сплавы проявляют эффект памяти формы. Легирующие компоненты можно регулировать для контроля температуры превращения SMA. Некоторые распространенные системы включают следующее (далеко не исчерпывающий список):

  • Ag-Cd 44/49 ат.% Cd
  • Au-Cd 46,5 / 50 ат.% Cd
  • Co-Ni-Al [45]
  • Co-Ni-Ga
  • Cu-Al-Be-X (X: Zr, B, Cr, Gd)
  • Cu-Al-Ni 14 / 14,5 мас.% Al, 3 / 4,5 мас.% Ni
  • Cu-Al-Ni-Hf
  • Cu-Sn прибл. 15 ат.% Sn
  • Cu-Zn 38,5 / 41,5 мас.% Zn
  • Cu-Zn-X (X = Si, Al, Sn)
  • Fe-Mn-Si
  • Fe-Pt прибл. 25 ат.% Pt
  • Mn-Cu 5/35 ат.% Cu
  • Ni-Fe-Ga
  • Ni-Ti прибл. 55–60 мас.% Ni
  • Ni-Ti-Hf
  • Ni-Ti-Pd
  • Ni-Mn-Ga [46]
  • Ti-Nb

  1. ^ Уилкс, Кеннет Э .; Liaw, Питер К .; Уилкс, Кеннет Э. (октябрь 2000 г.). «Усталостное поведение сплавов с памятью формы». JOM . 52 (10): 45–51. Bibcode : 2000JOM .... 52j..45W . DOI : 10.1007 / s11837-000-0083-3 . S2CID  137826371 .
  2. ^ Cederström, J .; Ван Хамбик Дж. (Февраль 1995 г.). «Взаимосвязь между свойствами материала с памятью формы и приложениями» . Le Journal de Physique IV . 05 (C2): C2-335 – C2-341. DOI : 10,1051 / JP4: 1995251 .
  3. ^ «Сплавы с памятью формы». Свойства и выбор: цветные сплавы и материалы специального назначения . 1990. С. 897–902. DOI : 10,31399 / asm.hb.v02.a0001100 . ISBN 978-1-62708-162-7.
  4. ^ Хуанг, В. (февраль 2002 г.). «О выборе сплавов с памятью формы для приводов». Материалы и дизайн . 23 (1): 11–19. DOI : 10.1016 / S0261-3069 (01) 00039-5 .
  5. ^ Вс, л .; Хуанг, ВМ (21 мая 2010 г.). «Природа многоступенчатого превращения в сплавах с памятью формы при нагревании». Металловедение и термическая обработка . 51 (11–12): 573–578. Bibcode : 2009MSHT ... 51..573S . DOI : 10.1007 / s11041-010-9213-х . S2CID  135892973 .
  6. ^ Михальч, Иштван (2001). «Основные характеристики и метод расчета никель-титанового сплава с памятью формы» . Periodica Polytechnica Машиностроение . 45 (1): 75–86.
  7. ^ а б К. Оцука; CM Wayman, ред. (1999). Материалы с памятью формы (PDF) . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-66384-9.[ требуется страница ]
  8. ^ Duerig, TW; Пелтон, АР (1994). «Сплавы Ti-Ni с памятью формы». В Герхарде Велше; Родни Бойер; EW Collings (ред.). Справочник свойств материалов: титановые сплавы . Американское общество металлов. С. 1035–48. ISBN 0-87170-481-1.
  9. ^ Wu, S; Уэйман, С. (1987). «Мартенситные превращения и эффект памяти формы в сплавах Ti50Ni10Au40 и Ti50Au50». Металлография . 20 (3): 359. DOI : 10,1016 / 0026-0800 (87) 90045-0 .
  10. ^ Филип, Питер; Мазанец, Карел (май 1995 г.). «Влияние деформационного упрочнения и термической обработки на субструктуру и деформационное поведение сплавов TiNi с памятью формы». Scripta Metallurgica et Materialia . 32 (9): 1375–1380. DOI : 10.1016 / 0956-716X (95) 00174-Т .
  11. ^ КАДЕР, Ибрагим Назем; КОК, Медиха; Дагделен, Фетхи; АЙДОГДУ, Йылдырым (30 сентября 2019 г.). « « Обзор умных материалов: исследования и приложения » » . El-Cezeri Fen ve Mühendislik Dergisi . DOI : 10.31202 / ecjse.562177 . ISSN  2148-3736 .
  12. ^ Кортни, Томас Х. (2000). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Бостон: Макгроу Хилл. ISBN 0070285942. OCLC  41932585 .
  13. ^ Otsuka, K .; Рен, X. (июль 2005 г.). «Металлургия сплавов с памятью формы на основе Ti – Ni». Прогресс в материаловедении . 50 (5): 511–678. DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2004.10.001 . ISSN  0079-6425 .
  14. ^ «Определение сплава с памятью формы» . smart.tamu.edu . Проверено 24 мая 2019 .
  15. ^ Учебное пособие по форме сплава с памятью формы . (PDF). Проверено 4 декабря 2011.
  16. ^ Казухиро Оцука; Рен, Сяобин (1997). «Происхождение резиноподобного поведения металлических сплавов». Природа . 389 (6651): 579–582. Bibcode : 1997Natur.389..579R . DOI : 10.1038 / 39277 . ISSN  1476-4687 . S2CID  4395776 .
  17. ^ Цянь, Хуэй; Ли, Хуннань; Песня, Групповуха; Го, Вэй (2013). «Пассивный амортизатор из сплава с памятью формы с повторным центрированием для контроля структурных колебаний» . Математические проблемы инженерии . 2013 : 1–13. DOI : 10.1155 / 2013/963530 . ISSN  1024-123X .
  18. ^ Shaw, J .; Кириакидес, С. (1995). «Термомеханические аспекты NiTi». Журнал механики и физики твердого тела . 43 (8): 1243–1281. Bibcode : 1995JMPSo..43.1243S . DOI : 10.1016 / 0022-5096 (95) 00024-D .
  19. ^ Чоудхури, Пияс; Сехитоглу, Хусейн (2017). «Возвращение к атомистическому обоснованию скольжения в сплавах с памятью формы» . Прогресс в материаловедении . 85 : 1–42. DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2016.10.002 . ISSN  0079-6425 .
  20. ^ а б Ma, J .; Караман, И .; Ноэбе, RD (2010). «Высокотемпературные сплавы с памятью формы». Международные обзоры материалов . 55 (5): 257. DOI : 10,1179 / 095066010x12646898728363 .
  21. ^ Tanaka, Y .; Химуро, Й .; Kainuma, R .; Sutou, Y .; Омори, Т .; Исида, К. (18 марта 2010 г.). «Черный поликристаллический сплав с памятью формы, демонстрирующий огромную сверхупругость». Наука . 327 (5972): 1488–1490. Bibcode : 2010Sci ... 327.1488T . DOI : 10.1126 / science.1183169 . ISSN  0036-8075 . PMID  20299589 . S2CID  9536512 .
  22. ^ Франкель, Дана Дж .; Олсон, Грегори Б. (2015). "Дизайн Хейслера упрочненных осаждением SMA на основе NiTi и PdTi для циклических характеристик" . Память формы и сверхупругость . 1 (2): 162–179. Bibcode : 2015ShMeS ... 1 ... 17F . DOI : 10.1007 / s40830-015-0017-0 . ISSN  2199-384X .
  23. ^ Сан-Хуан, Дж .; Нет, ML (2013). «Сверхупругость и память формы в наномасштабе: влияние размера на мартенситное превращение». Журнал сплавов и соединений . 577 : S25 – S29. DOI : 10.1016 / j.jallcom.2011.10.110 .
  24. ^ Кауфман, Джордж и Исаак Мэйо (октябрь 1993 г.). "Металл памяти" (PDF) . ChemMatters : 4–7.
  25. ↑ Устная история Уильяма Дж. Бюлера . wolaa.org.
  26. ^ M. Jani, J .; Лири, М .; Субик, А. (2016). «Проектирование линейных приводов из сплава с памятью формы: обзор». Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 28 (13): 1699. DOI : 10,1177 / 1045389X16679296 . S2CID  138509568 .
  27. ^ M. Jani, J .; Лири, М .; Субик, А .; Гибсон, Марк А. (2014). «Обзор исследований, применения и возможностей сплавов с памятью формы». Материалы и дизайн . 56 (5): 1078–1113. DOI : 10.1016 / j.matdes.2013.11.084 .
  28. ^ Lara-Quintanilla, A .; Hulskamp, ​​AW; Bersee, HE (октябрь 2013 г.). «Высокоскоростной привод из сплава с памятью формы для управления аэродинамической нагрузкой на ветряные турбины» . Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 24 (15): 1834–1845. DOI : 10.1177 / 1045389X13478271 . S2CID  110098888 .
  29. ^ Хуанг, S; Лири, Мартин; Атталла, Укротитель; Пробст, К; Субик, А (2012). «Оптимизация времени отклика сплава Ni – Ti с памятью формы с помощью анализа нестационарного теплопереноса». Материалы и дизайн . 35 : 655–663. DOI : 10.1016 / j.matdes.2011.09.043 .
  30. ^ Лири, М; Скьявоне, Ф; Субик, А (2010). «Запаздывание для управления временем отклика привода из сплава с памятью формы». Материалы и дизайн . 31 (4): 2124–2128. DOI : 10.1016 / j.matdes.2009.10.010 .
  31. ^ Миядзаки, S .; Kim, HY; Хосода, Х. (2006). «Разработка и характеристика безнижниковых сплавов с памятью формы на основе титана и сверхупругих сплавов». Материалы Наука и техника: A . 438–440: 18–24. DOI : 10.1016 / j.msea.2006.02.054 .
  32. ^ M. Jani, J .; Лири, М .; Субик, А. (2016). «Усталость системы NiTi SMA-шкив с использованием Тагучи и ANOVA». Умные материалы и конструкции . 25 (5): 057001. Bibcode : 2016SMaS ... 25e7001M . DOI : 10.1088 / 0964-1726 / 25/5/057001 .
  33. ^ Mabe, JH; Калкинс, FT; Алкислар, МБ (2008). «Струйное сопло переменного сечения, использующее приводы из сплава с памятью формы в антагонистической конструкции». У Дэвиса, Л. Портера; Хендерсон, Бенджамин К; Макмикелл, М. Бретт (ред.). Промышленное и коммерческое применение технологий интеллектуальных структур 2008 . Промышленное и коммерческое применение технологий интеллектуальных структур 2008. 6930 . стр. 69300T. DOI : 10.1117 / 12.776816 . S2CID  111594060 .
  34. ^ а б Лагудас, округ Колумбия; Хартл, ди-джей (2007). «Аэрокосмические применения сплавов с памятью формы» . Труды Института инженеров-механиков, Часть G: Журнал аэрокосмической техники . 221 (4): 535. DOI : 10,1243 / 09544100jaero211 .
  35. ^ ДеллаКорте, К. (2014) Новые сверхэластичные материалы для сложных подшипников .
  36. ^ Вебстер, Дж. (2006). «Высоконадежные адаптивные компоненты SMA для газовых турбин». В белом, Эдвард V (ред.). Интеллектуальные структуры и материалы 2006: Промышленное и коммерческое применение технологий интеллектуальных структур . Интеллектуальные структуры и материалы 2006: Промышленное и коммерческое применение технологий интеллектуальных структур. 6171 . стр. 61710F. DOI : 10.1117 / 12.669027 . S2CID  108583552 .
  37. ^ Проект Лара - G1 и G2 . Lararobot.de. Проверено 4 декабря 2011.
  38. ^ Duerig, TW; Мелтон, KN; Профт, JL (1990), "Широкий Гистерезис памятью формы сплавов", технические аспекты с памятью формы сплавов , Elsevier, стр. 130-136, DOI : 10.1016 / b978-0-7506-1009-4.50015-9 , ISBN 9780750610094
  39. ^ Песня, G .; Человек.; Ли, Х. -Н. (2006). «Применение сплавов с памятью формы в строительных конструкциях». Инженерные сооружения . 28 (9): 1266. DOI : 10.1016 / j.engstruct.2005.12.010 .
  40. ^ Карими, Саид; Кон, Бардия (2019). «Управляемая активная хирургическая игла 3D». Конференция по дизайну медицинских изделий 2019 . DOI : 10.1115 / DMD2019-3307 . ISBN 978-0-7918-4103-7.
  41. ^ Меро, Тринити М .; Форд, Тимоти С. (март 2006 г.). «Нитиноловые компрессионные скобы для фиксации костей в хирургии стопы» . Журнал Американской подиатрической медицинской ассоциации . 96 (2): 102–106. DOI : 10.7547 / 0960102 . PMID  16546946 . S2CID  29604863 .
  42. ↑ Некролог доктора Андреасена . Нью-Йорк Таймс (1989-08-15). Проверено в 2016 году.
  43. ^ Патхак, Анупам (2010). Разработка технологии срабатывания антагонистической SMA для активного подавления тремора человека (Диссертация). ЛВП : 2027,42 / 76010 .
  44. ^ Саарландский университет (13 марта 2019 г.). «Исследовательская группа использует искусственные мышцы, чтобы разработать кондиционер будущего» . Phys.org .
  45. ^ Дилибал, С .; Sehitoglu, H .; Гамильтон, РФ; Maier, HJ; Чумляков Ю. (2011). «Об изменении объема Co – Ni – Al при псевдоупругости» (PDF) . Материалы Наука и техника: A . 528 (6): 2875. DOI : 10.1016 / j.msea.2010.12.056 .
  46. ^ Гамильтон, РФ; Дилибал, С .; Sehitoglu, H .; Майер, HJ (2011). «Основной механизм двойного гистерезиса в монокристаллах NiMnGa». Материалы Наука и техника: A . 528 (3): 1877. DOI : 10.1016 / j.msea.2010.10.042 .

СМИ, связанные с материалами с памятью формы на Викискладе?