stringtranslate.com

Сплав с эффектом памяти формы

В металлургии сплав с эффектом памяти формы ( SMA ) — это сплав , который может деформироваться в холодном состоянии , но возвращается к своей предварительно деформированной («запомненной») форме при нагревании. Он также известен под другими названиями, такими как металл с эффектом памяти , сплав с эффектом памяти , умный металл , умный сплав и мышечная проволока . [ требуется ссылка ] «Запомненная геометрия» может быть изменена путем фиксации желаемой геометрии и ее термической обработки, например, проволоку можно научить запоминать форму спиральной пружины.

Детали из сплавов с эффектом памяти формы могут быть легкими, твердотельными альтернативами обычным приводам , таким как гидравлические , пневматические и моторные системы. Их также можно использовать для создания герметичных соединений в металлических трубах, а также они могут заменить замкнутый контур датчика-привода для контроля температуры воды путем регулирования соотношения расхода горячей и холодной воды.

Обзор

Два наиболее распространенных сплава с эффектом памяти формы — это медь - алюминий - никель и никель - титан ( NiTi ), но сплавы с памятью формы также могут быть созданы путем сплавления цинка , меди , золота и железа . Хотя сплавы с памятью формы на основе железа и меди, такие как Fe -Mn-Si, Cu-Zn-Al и Cu-Al-Ni, коммерчески доступны и дешевле, чем NiTi, сплавы с памятью формы на основе NiTi предпочтительны для большинства применений из-за их стабильности и практичности [1] [2] [3], а также их превосходных термомеханических характеристик. [4] ССП могут существовать в двух различных фазах с тремя различными кристаллическими структурами (т. е. двойниковый мартенсит, раздвойниковый мартенсит и аустенит) и шестью возможными превращениями. [5] [6] Термомеханическое поведение сплавов с памятью формы регулируется фазовым превращением между аустенитом и мартенситом.

Сплавы NiTi переходят из аустенита в мартенсит при охлаждении, начиная с температуры ниже M s ; M f — температура, при которой завершается переход в мартенсит при охлаждении. Соответственно, при нагреве A s и A f — температуры, при которых начинается и заканчивается превращение мартенсита в аустенит.

Приложение механической нагрузки к мартенситу приводит к переориентации кристаллов, называемой «раздвоением», что приводит к деформации, которая не восстанавливается (не запоминается) после снятия механической нагрузки. Раздвоение начинается при определенном напряжении σ s и заканчивается при σ f , выше которого мартенсит продолжает демонстрировать только упругое поведение (до тех пор, пока нагрузка ниже предела текучести). Запомненная деформация от раздвоения восстанавливается после нагрева до аустенита.

Фазовое превращение из аустенита в мартенсит может также происходить при постоянной температуре путем приложения механической нагрузки выше определенного уровня. Превращение происходит в обратном порядке при снятии нагрузки.

Переход из фазы мартенсита в фазу аустенита зависит только от температуры и напряжения, а не от времени, как большинство фазовых изменений, поскольку здесь нет диффузии. Аналогично, структура аустенита получила свое название от стальных сплавов с похожей структурой. Именно обратимый бездиффузионный переход между этими двумя фазами приводит к особым свойствам. Хотя мартенсит может быть образован из аустенита путем быстрого охлаждения углеродистой стали , этот процесс необратим, поэтому сталь не обладает свойствами памяти формы.

На этом рисунке вертикальная ось представляет собой долю мартенсита. Разница между переходом при нагреве и переходом при охлаждении приводит к гистерезису , когда часть механической энергии теряется в процессе. Форма кривой зависит от свойств материала сплава с памятью формы, таких как состав сплава [7] и деформационное упрочнение . [8]

Эффект памяти формы

Эта анимация иллюстрирует полный эффект памяти формы:
  1. Охлаждение из аустенита в (двойниковый) мартенсит, которое происходит либо в начале срока службы сплава с памятью формы, либо в конце термического цикла.
  2. Приложение напряжения для разрушения мартенсита.
  3. Нагрев мартенсита для преобразования аустенита и восстановления первоначальной формы.
  4. Охлаждение аустенита обратно в двойниковый мартенсит.

Эффект памяти формы (ЭПФ) [9] возникает из-за того, что температурно-индуцированное фазовое превращение обращает деформацию, как показано на предыдущей кривой гистерезиса. Обычно мартенситная фаза является моноклинной или орторомбической (B19' или B19). Поскольку эти кристаллические структуры не имеют достаточного количества систем скольжения для легкого движения дислокаций, они деформируются путем двойникования — или, скорее, раздвойникования. [10]

Мартенсит термодинамически предпочтителен при более низких температурах, в то время как аустенит (B2 cube) термодинамически предпочтителен при более высоких температурах. Поскольку эти структуры имеют разные размеры решетки и симметрию, охлаждение аустенита в мартенсит вносит внутреннюю энергию деформации в мартенситную фазу. Чтобы уменьшить эту энергию, мартенситная фаза образует много двойников — это называется «самоадаптирующимся двойникованием» и является версией двойникования геометрически необходимых дислокаций . Поскольку сплав с памятью формы будет изготавливаться при более высокой температуре и обычно проектируется таким образом, чтобы мартенситная фаза доминировала при рабочей температуре, чтобы воспользоваться эффектом памяти формы, SMA «стартуют» с высокой степенью двойникования. [11]

Когда мартенсит нагружен, эти самоприспосабливающиеся двойники обеспечивают легкий путь для деформации. Приложенные напряжения расцепляют мартенсит, но все атомы остаются в том же положении относительно соседних атомов — никакие атомные связи не разрываются и не перестраиваются (как это было бы при движении дислокаций). Таким образом, когда температура повышается и аустенит становится термодинамически благоприятным, все атомы перестраиваются в структуру B2, которая оказывается той же макроскопической формой, что и форма B19' до деформации. [12] Это фазовое превращение происходит чрезвычайно быстро и дает SMA их характерный «щелчок».

Повторное использование эффекта памяти формы может привести к сдвигу характерных температур превращения (этот эффект известен как функциональная усталость, поскольку он тесно связан с изменением микроструктурных и функциональных свойств материала). [13] Максимальная температура, при которой SMA больше не могут подвергаться воздействию напряжений, называется M d , при которой SMA постоянно деформируются. [14]

Односторонняя и двусторонняя память формы

Сплавы с эффектом памяти формы имеют различные эффекты памяти формы. Два распространенных эффекта — односторонний SMA и двухсторонний SMA. Схема эффектов показана ниже. Процедуры очень похожи: начиная с мартенсита, добавляя деформацию, нагревая образец и снова охлаждая его.

Односторонний эффект памяти

Когда сплав с эффектом памяти формы находится в холодном состоянии (ниже M f ), металл можно сгибать или растягивать, и он будет сохранять эти формы до тех пор, пока не нагреется выше температуры перехода. При нагревании форма принимает первоначальную форму. Когда металл снова остывает, он сохраняет форму, 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

Двусторонний эффект памяти формы — это эффект, при котором материал запоминает две разные формы: одну при низких температурах и одну при высоких температурах. Говорят, что материал, который демонстрирует эффект памяти формы как при нагревании, так и при охлаждении, имеет двустороннюю память формы. Этого также можно добиться без приложения внешней силы (внутренний двусторонний эффект). Причина, по которой материал ведет себя так по-разному в этих ситуациях, заключается в обучении. Обучение подразумевает, что память формы может «научиться» вести себя определенным образом. При нормальных обстоятельствах сплав с памятью формы «помнит» свою низкотемпературную форму, но при нагревании для восстановления высокотемпературной формы немедленно «забывает» низкотемпературную форму. Однако его можно «обучить» «помнить», чтобы оставить некоторые напоминания о деформированном низкотемпературном состоянии в высокотемпературных фазах. Один из способов обучения SMA заключается в приложении циклической термической нагрузки в постоянном поле напряжений. В ходе этого процесса в микроструктуру вносятся внутренние дефекты, что создает внутренние постоянные напряжения, которые облегчают ориентацию мартенситных кристаллов. [15] Поэтому при охлаждении обученного SMA в аустенитной фазе без приложенного напряжения мартенсит формируется расдвойникованным из-за внутренних напряжений, что приводит к изменению формы материала. А при обратном нагревании SMA в аустенит он восстанавливает свою первоначальную форму.

Есть несколько способов сделать это. [16] Сформированный, обученный объект, нагретый сверх определенной точки, потеряет двусторонний эффект памяти.

Псевдоэластичность

SMA демонстрируют явление, иногда называемое сверхэластичностью, но более точное его описание — псевдоэластичность . «Сверхэластичность» подразумевает, что атомные связи между атомами растягиваются до экстремальной длины без пластической деформации. Псевдоэластичность все еще достигает больших, восстанавливаемых деформаций с незначительной или отсутствующей постоянной деформацией, но она основана на более сложных механизмах.

Анимация псевдоупругости

SMA проявляют по крайней мере 3 вида псевдоупругости. Два менее изученных вида псевдоупругости — это образование псевдодвойников и резиноподобное поведение из-за ближнего порядка. [17]

При напряжениях выше мартенситного напряжения (A) аустенит преобразуется в мартенсит и вызывает большие макроскопические деформации до тех пор, пока не останется аустенита (C). После снятия нагрузки мартенсит вернется в фазу аустенита под аустенитным напряжением (D), в этой точке деформация будет восстанавливаться до тех пор, пока материал не станет полностью аустенитным и не останется практически никакой деформации. [18]

Основной псевдоупругий эффект возникает из-за фазового превращения, вызванного напряжением. Рисунок справа показывает, как происходит этот процесс.

Здесь к SMA изотермически прикладывается нагрузка выше температуры окончания аустенита, A f , но ниже температуры деформации мартенсита, M d . Рисунок выше иллюстрирует, как это возможно, связывая псевдоупругое фазовое превращение, вызванное напряжением, с фазовым превращением, вызванным температурой эффекта памяти формы. Для конкретной точки на A f можно выбрать точку на линии M s  с более высокой температурой, при условии, что эта точка M d также имеет более высокое напряжение . Материал изначально демонстрирует типичное для металлов упруго-пластическое поведение. Однако, как только материал достигает мартенситного напряжения, аустенит преобразуется в мартенсит и расдвойниковывается. Как обсуждалось ранее, это расдвойниковывание обратимо при обратном превращении из мартенсита в аустенит. Если прилагаются большие напряжения, пластическое поведение, такое как расдвойникование и скольжение мартенсита, начнется в таких местах, как границы зерен или включения. [19] [20] Если материал разгрузить до того, как произойдет пластическая деформация, он вернется в аустенит, как только будет достигнуто критическое напряжение для аустенита (σ as ). Материал восстановит почти всю деформацию, которая была вызвана структурным изменением, и для некоторых сплавов с памятью формы это могут быть деформации, превышающие 10 процентов. [21] [22] Эта петля гистерезиса показывает работу, проделанную для каждого цикла материала между состояниями малых и больших деформаций, что важно для многих применений.

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

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

Ключом к большим деформациям деформации является разница в кристаллической структуре между двумя фазами. Аустенит обычно имеет кубическую структуру, в то время как мартенсит может быть моноклинным или иметь другую структуру, отличную от исходной фазы, как правило, с более низкой симметрией. Для моноклинного мартенситного материала, такого как нитинол, моноклинная фаза имеет более низкую симметрию, что важно, поскольку определенные кристаллографические ориентации будут выдерживать более высокие деформации по сравнению с другими ориентациями при приложенном напряжении. Таким образом, следует, что материал будет стремиться формировать ориентации, которые максимизируют общую деформацию до любого увеличения приложенного напряжения. [23] Одним из механизмов, который помогает в этом процессе, является двойникование мартенситной фазы. В кристаллографии граница двойника представляет собой двумерный дефект, в котором укладка атомных плоскостей решетки зеркально отражается по отношению к плоскости границы. В зависимости от напряжения и температуры эти процессы деформации будут конкурировать с постоянной деформацией, такой как скольжение.

σ ms зависит от таких параметров, как температура и количество центров зародышеобразования для зародышеобразования фазы. Интерфейсы и включения предоставят общие центры для начала превращения, и если их много, это увеличит движущую силу зародышеобразования. [24] Потребуется меньшее значение σ ms , чем для однородного зародышеобразования. Аналогично, повышение температуры уменьшит движущую силу для фазового превращения, поэтому потребуется большее значение σ ms . Можно видеть, что при повышении рабочей температуры SMA σ ms будет больше предела текучести, σ y , и сверхэластичность больше не будет наблюдаться.

История

Первые сообщенные шаги к открытию эффекта памяти формы были сделаны в 1930-х годах. По словам Оцуки и Веймана, Арне Оландер открыл псевдоупругое поведение сплава Au-Cd в 1932 году. Гренингер и Мурадян (1938) наблюдали образование и исчезновение мартенситной фазы при понижении и повышении температуры сплава Cu-Zn. Основное явление эффекта памяти, управляемое термоупругим поведением мартенситной фазы, было широко описано десятилетием позже Курджумовым и Хандросом (1949), а также Чангом и Ридом (1951). [13]

Никель-титановые сплавы были впервые разработаны в 1962–1963 годах Лабораторией военно-морского вооружения США и поступили в продажу под торговым названием Нитинол (аббревиатура от Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Их замечательные свойства были обнаружены случайно. Образец, который много раз изгибался, был представлен на совещании руководства лаборатории. Один из помощников технических директоров, доктор Дэвид С. Маззи, решил посмотреть, что произойдет, если образец подвергнуть нагреву, и поднес под него зажигалку для трубки. К всеобщему изумлению образец растянулся и принял свою первоначальную форму. [25] [26]

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 более быстрым и эффективным, чем отклики, вызванные температурой.

Металлические сплавы — не единственные термочувствительные материалы; также были разработаны полимеры с эффектом памяти формы , которые стали коммерчески доступны в конце 1990-х годов.

Кристаллические структуры

Многие металлы имеют несколько различных кристаллических структур при одном и том же составе, но большинство металлов не демонстрируют этот эффект памяти формы. Особое свойство, которое позволяет сплавам с памятью формы возвращаться к своей первоначальной форме после нагрева, заключается в том, что их кристаллическая трансформация полностью обратима. В большинстве кристаллических трансформаций атомы в структуре будут перемещаться по металлу путем диффузии, локально изменяя состав, даже если металл в целом состоит из тех же атомов. Обратимое преобразование не включает эту диффузию атомов, вместо этого все атомы смещаются одновременно, образуя новую структуру, во многом подобно тому, как параллелограмм можно сделать из квадрата, надавив на две противоположные стороны. При разных температурах предпочтительны разные структуры, и когда структура охлаждается до температуры перехода, мартенситная структура образуется из аустенитной фазы.

Производство

Сплавы с эффектом памяти формы обычно изготавливаются методом литья, с использованием вакуумной дуговой плавки или индукционной плавки. Это специальные методы, используемые для сведения примесей в сплаве к минимуму и обеспечения хорошего смешивания металлов. Затем слиток подвергается горячей прокатке в более длинные секции, а затем вытягивается, чтобы превратиться в проволоку.

Способ, которым сплавы «обучаются», зависит от желаемых свойств. «Обучение» диктует форму, которую сплав запомнит при нагревании. Это происходит путем нагревания сплава таким образом, чтобы дислокации переупорядочивались в стабильные положения, но не настолько, чтобы материал рекристаллизовался . Они нагреваются до между400 °С и500 °C в течение 30 минут, формуют в горячем состоянии, а затем быстро охлаждают путем закалки в воде или охлаждением на воздухе.

Характеристики

Сплавы с эффектом памяти формы на основе меди и NiTi считаются конструкционными материалами. Эти составы могут быть изготовлены практически любой формы и размера.

Предел текучести сплавов с эффектом памяти 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 затрудняют и удорожают внедрение SMA в конструкцию. В результате эти материалы используются в приложениях, где можно использовать сверхэластичные свойства или эффект памяти формы. Наиболее распространенное применение — в приводах.

Одним из преимуществ использования сплавов с эффектом памяти формы является высокий уровень восстанавливаемой пластической деформации, которую можно вызвать. Максимальная восстанавливаемая деформация, которую эти материалы могут выдерживать без постоянного повреждения, составляет до8% для некоторых сплавов. Это сопоставимо с максимальной деформацией0,5% для обычных сталей.

Практические ограничения

SMA имеют много преимуществ по сравнению с традиционными приводами, но страдают от ряда ограничений, которые могут препятствовать практическому применению. В многочисленных исследованиях подчеркивалось, что только несколько запатентованных применений сплавов с эффектом памяти формы являются коммерчески успешными из-за ограничений материалов в сочетании с отсутствием знаний о материалах и конструкции и связанных с ними инструментов, таких как неправильные подходы к проектированию и используемые методы. [27] Проблемы при проектировании приложений SMA заключаются в преодолении их ограничений, которые включают относительно небольшую полезную деформацию, низкую частоту срабатывания, низкую управляемость, низкую точность и низкую энергоэффективность. [28]

Время отклика и симметрия отклика

Приводы SMA обычно приводятся в действие электрически, где электрический ток приводит к джоулевому нагреву . Деактивация обычно происходит путем свободной конвективной передачи тепла в окружающую среду. Следовательно, приведение в действие SMA обычно асимметрично, с относительно быстрым временем срабатывания и медленным временем деактивации. Было предложено несколько методов для сокращения времени деактивации SMA, включая принудительную конвекцию [29] и задержку SMA с помощью проводящего материала для управления скоростью теплопередачи.

Новые методы повышения осуществимости приводов SMA включают использование проводящей « задержки ». Этот метод использует термопасту для быстрой передачи тепла от SMA путем проводимости. Это тепло затем легче передается в окружающую среду путем конвекции, поскольку внешние радиусы (и площадь теплопередачи) значительно больше, чем у оголенного провода. Этот метод приводит к значительному сокращению времени дезактивации и симметричному профилю активации. Вследствие увеличения скорости теплопередачи увеличивается требуемый ток для достижения заданной силы срабатывания. [30]

Сравнительный отклик силы во времени для чистого и запаздывающего сплава Ni-Ti с эффектом памяти формы. [31]

Структурная усталость и функциональная усталость

SMA подвержен структурной усталости — режиму отказа, при котором циклическая нагрузка приводит к возникновению и распространению трещины, которая 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 циклической нагрузки. Этот режим отказа наблюдается в большинстве конструкционных материалов, а не только в SMA.

SMA также подвержены функциональной усталости, режиму отказа, не типичному для большинства конструкционных материалов, при котором SMA не выходит из строя структурно, но со временем теряет свои характеристики памяти формы/сверхэластичности. В результате циклической нагрузки (как механической, так и термической) материал теряет способность подвергаться обратимому фазовому превращению. Например, рабочее смещение в приводе уменьшается с увеличением числа циклов. Физика, лежащая в основе этого, заключается в постепенном изменении микроструктуры, а именно в накоплении дислокаций скольжения аккомодации . Это часто сопровождается значительным изменением температур превращения. [32] Конструкция приводов SMA также может влиять как на структурную, так и на функциональную усталость SMA, например, на конфигурации шкивов в системе SMA-шкив. [33]

Непреднамеренное срабатывание

Приводы SMA обычно приводятся в действие электрически с помощью джоулева нагрева . Если SMA используется в среде, где температура окружающей среды не контролируется, может произойти непреднамеренное срабатывание под воздействием окружающего тепла.

Приложения

Промышленный

Самолеты и космические корабли

Boeing , General Electric Aircraft Engines , Goodrich Corporation , NASA , Texas A&M University и All Nippon Airways разработали шеврон с переменной геометрией, используя NiTi SMA. Такая конструкция сопла вентилятора с переменной площадью (VAFN) позволит в будущем создавать более тихие и эффективные реактивные двигатели. В 2005 и 2006 годах Boeing провела успешные летные испытания этой технологии. [34]

SMA исследуются в качестве виброгасителей для ракет-носителей и коммерческих реактивных двигателей. Большое количество гистерезиса, наблюдаемое во время эффекта суперэластичности, позволяет SMA рассеивать энергию и гасить вибрации. Эти материалы показывают перспективность для снижения высоких вибрационных нагрузок на полезные грузы во время запуска, а также на лопасти вентилятора в коммерческих реактивных двигателях, что позволяет создавать более легкие и эффективные конструкции. [35] SMA также демонстрируют потенциал для других высокоударных применений, таких как шарикоподшипники и шасси. [36]

Также существует большой интерес к использованию SMA для различных применений приводов в коммерческих реактивных двигателях, что значительно снизит их вес и повысит эффективность. [37] Однако необходимо провести дополнительные исследования в этой области, чтобы увеличить температуры превращения и улучшить механические свойства этих материалов, прежде чем они смогут быть успешно внедрены. Обзор последних достижений в области высокотемпературных сплавов с эффектом памяти формы (HTSMA) представлен Ma et al. [21]

Также изучаются различные технологии трансформации крыльев. [35]

Автомобильный

Первый продукт массового производства (> 5 млн актуаторов / год) — автомобильный клапан, используемый для управления пневматическими баллонами низкого давления в автомобильном сиденье , которые регулируют контур поясничной поддержки / валиков. Общие преимущества SMA по сравнению с традиционно используемыми соленоидами в этом приложении (меньший шум/ЭМС/вес/форм-фактор/потребление энергии) стали решающим фактором в решении заменить старую стандартную технологию на SMA.

Chevrolet Corvette 2014 года стал первым автомобилем, в котором были использованы приводы SMA, которые заменили более тяжелые моторизованные приводы для открытия и закрытия люка, который выпускает воздух из багажника, что облегчило его закрытие. Также планируется использовать множество других приложений, включая электрогенераторы для выработки электроэнергии из тепла выхлопных газов и воздушные заслонки по требованию для оптимизации аэродинамики на разных скоростях.

Робототехника

Также были проведены ограниченные исследования по использованию этих материалов в робототехнике , например, любительский робот Stiquito (и "Roboterfrau Lara" [38] ), поскольку они позволяют создавать очень легких роботов. Недавно Ло и др. представили протез руки, который может почти копировать движения человеческой руки [Loh2005]. Также изучаются другие биомиметические приложения. Слабыми сторонами технологии являются энергетическая неэффективность, медленное время отклика и большой гистерезис .

Клапаны

SMA также используются для приведения в действие клапанов . [39] Клапаны SMA имеют особенно компактную конструкцию.

Биоинженерная роботизированная рука

Существуют некоторые прототипы роботизированной руки на основе SMA, которые используют эффект памяти формы (SME) для перемещения пальцев. [40]

Гражданские сооружения

SMA находят разнообразное применение в гражданских сооружениях, таких как мосты и здания. В виде арматуры или пластин они могут использоваться для изгиба, сдвига и сейсмического усиления бетонных и стальных конструкций. Другое применение — интеллектуальный железобетон (IRC), который включает в себя провода SMA, встроенные в бетон. Эти провода могут определять трещины и сокращаться для заживления микротрещин. Также возможна активная настройка собственной частоты конструкции с использованием проводов SMA для гашения вибраций, а также использование волокон SMA в бетоне. [41]

Трубопровод

Первым коммерческим потребительским применением стало использование муфт с эффектом памяти формы для трубопроводов, например, нефтепроводов промышленного назначения, водопроводов и аналогичных типов трубопроводов потребительского/коммерческого назначения.

Бытовая электроника

Камеры смартфонов

Несколько компаний-производителей смартфонов выпустили телефоны с модулями оптической стабилизации изображения (OIS), включающими приводы SMA, произведенные по лицензии Cambridge Mechatronics.

Лекарство

Сплавы с эффектом памяти формы применяются в медицине, например, в качестве фиксирующих устройств для остеотомий в ортопедической хирургии , в качестве привода в хирургических инструментах; в качестве активных управляемых хирургических игл для малоинвазивных чрескожных вмешательств при раке в хирургических процедурах, таких как биопсия и брахитерапия , [42] в зубных брекетах для приложения к зубам постоянных сил, приводящих к перемещению зубов, в капсульной эндоскопии их можно использовать в качестве триггера для действия биопсии.

В конце 1980-х годов произошло коммерческое внедрение нитинола в качестве технологии, позволяющей использовать его в ряде минимально инвазивных эндоваскулярных медицинских приложений. Хотя он и дороже нержавеющей стали, саморасширяющиеся свойства сплавов нитинола, изготовленных в соответствии с BTR (Body Temperature Response), обеспечили привлекательную альтернативу устройствам, расширяемым баллонами, в стент-графтах , где он дает возможность адаптироваться к форме определенных кровеносных сосудов при воздействии температуры тела. В среднем,50% всех периферических сосудистых стентов , доступных в настоящее время на мировом рынке, изготавливаются с использованием нитинола.

Оптометрия

Оправы для очков, изготовленные из титансодержащих SMA, продаются под торговыми марками Flexon и TITANflex. Эти оправы обычно изготавливаются из сплавов с эффектом памяти формы, температура перехода которых установлена ​​ниже ожидаемой комнатной температуры. Это позволяет оправам подвергаться большой деформации под нагрузкой, но при этом восстанавливать свою предполагаемую форму после того, как металл снова разгружается. Очень большие, по-видимому, упругие деформации обусловлены мартенситным эффектом, вызванным напряжением, когда кристаллическая структура может трансформироваться под нагрузкой, позволяя форме временно изменяться под нагрузкой. Это означает, что очки из сплавов с эффектом памяти формы более устойчивы к случайным повреждениям.

Ортопедическая хирургия

Металл с эффектом памяти использовался в ортопедической хирургии в качестве фиксирующе-компрессионного устройства для остеотомий , как правило, для процедур на нижних конечностях. Устройство, обычно в виде большой скобы, хранится в холодильнике в пластичной форме и имплантируется в предварительно просверленные отверстия в кости через остеотомию. По мере нагревания скоба возвращается в непластичное состояние и сжимает костные поверхности вместе, способствуя сращению костей. [43]

Стоматология

Диапазон применения SMA расширялся с годами, и основным направлением развития стала стоматология. Одним из примеров является распространенность зубных брекетов , использующих технологию SMA для приложения постоянных сил перемещения зубов; нитиноловая дуга была разработана в 1972 году ортодонтом Джорджем Андреасеном . [44] Это произвело революцию в клинической ортодонтии. Сплав Андреасена обладает структурированной памятью формы, расширяясь и сжимаясь в заданных температурных диапазонах из-за своего геометрического программирования.

Позднее Хармит Д. Валия использовал этот сплав при изготовлении файлов для обработки корневых каналов в эндодонтии .

Эссенциальный тремор

Традиционные методы активного подавления для снижения 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 создания больших амплитуд мощности на частотах человеческого тремора. SMA оказались эффективным методом приведения в действие в ручных приложениях и позволили создать новый класс устройств активного подавления тремора. [45] Одним из последних примеров такого устройства является ложка Liftware , разработанная дочерней компанией Verily Life Sciences Lift Labs .

Двигатели

Экспериментальные твердотельные тепловые двигатели, работающие за счет сравнительно небольшой разницы температур в резервуарах с холодной и горячей водой, разрабатываются с 1970-х годов, включая двигатель Бэнкса, разработанный Риджуэем Бэнксом .

Ремесла

Продается в виде небольших круглых отрезков для использования в браслетах без крепления.

Отопление и охлаждение

Немецкие ученые из Саарландского университета создали прототип машины, которая передает тепло с помощью проволоки из сплава никеля и титана («нитинол»), обернутой вокруг вращающегося цилиндра. При вращении цилиндра тепло поглощается с одной стороны и выделяется с другой, поскольку проволока переходит из своего «сверхэластичного» состояния в свое ненагруженное состояние. Согласно статье, опубликованной в 2019 году Саарландским университетом, эффективность передачи тепла, по-видимому, выше, чем у типичного теплового насоса или кондиционера. [46]

Почти все кондиционеры и тепловые насосы, используемые сегодня, используют сжатие паров хладагентов . Со временем некоторые хладагенты, используемые в этих системах, просачиваются в атмосферу и способствуют глобальному потеплению . Если новая технология, не использующая хладагенты, окажется экономичной и практичной, она может стать значительным прорывом в усилиях по сокращению изменения климата. [ необходима цитата ]

Системы зажима

Сплавы с эффектом памяти формы (SMA), такие как никель-титан (нитинол) , используются в зажимных системах из-за их уникального термочувствительного поведения. [47] Зажимы, изготовленные из SMA, используются в челюстно-лицевой хирургии для лечения переломов нижней челюсти . [48]

Материалы

Эффект памяти формы проявляют различные сплавы. Легирующие компоненты можно регулировать для управления температурами превращения SMA. Некоторые распространенные системы включают следующее (ни в коем случае не исчерпывающий список):

Ссылки

  1. ^ Уилкс, Кеннет Э.; Лио, Питер К.; Уилкс, Кеннет Э. (октябрь 2000 г.). «Усталостное поведение сплавов с эффектом памяти формы». JOM . 52 (10): 45–51. Bibcode :2000JOM....52j..45W. doi :10.1007/s11837-000-0083-3. S2CID  137826371.
  2. ^ Cederström, J.; Van Humbeeck, J. (февраль 1995 г.). «Связь между свойствами материалов с памятью формы и их применением». Le Journal de Physique IV . 05 (C2): C2-335–C2-341. doi : 10.1051/jp4:1995251 .
  3. ^ Hodgson, Darel E.; Wu, Ming H.; Biermann, Robert J. (1990). «Сплавы с эффектом памяти формы». Свойства и выбор: цветные сплавы и материалы специального назначения . стр. 897–902. doi :10.31399/asm.hb.v02.a0001100. ISBN 978-1-62708-162-7.
  4. ^ Хуан, В. (февраль 2002 г.). «О выборе сплавов с эффектом памяти формы для приводов». Материалы и дизайн . 23 (1): 11–19. doi :10.1016/S0261-3069(01)00039-5.
  5. ^ Sun, L.; Huang, WM (21 мая 2010 г.). «Природа многостадийного превращения в сплавах с эффектом памяти формы при нагревании». Metal Science and Heat Treatment . 51 (11–12): 573–578. Bibcode :2009MSHT...51..573S. doi :10.1007/s11041-010-9213-x. S2CID  135892973.
  6. ^ Михалц, Иштван (2001). «Основные характеристики и метод проектирования никель-титанового сплава с памятью формы». Periodica Polytechnica Mechanical Engineering . 45 (1): 75–86.
  7. ^ Wu, S; Wayman, C (1987). «Мартенситные превращения и эффект памяти формы в сплавах Ti50Ni10Au40 и Ti50Au50». Металлография . 20 (3): 359. doi :10.1016/0026-0800(87)90045-0.
  8. ^ Филипп, Питер; Мазанец, Карел (май 1995 г.). «Влияние упрочнения и термической обработки на субструктуру и деформационное поведение сплавов с памятью формы TiNi». Scripta Metallurgica et Materialia . 32 (9): 1375–1380. doi :10.1016/0956-716X(95)00174-T.
  9. ^ КАДЕР, Ибрагим Назем; КОК, Медиха; Дагделен, Фетхи; АЙДОГДУ, Йылдырым (30 сентября 2019 г.). «Обзор умных материалов: исследования и приложения». Эль-Сезери Фен и Мюхендислик Дергиси . doi : 10.31202/ecjse.562177 . ISSN  2148-3736.
  10. ^ Кортни, Томас Х. (2000). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Бостон: McGraw Hill. ISBN 0070285942. OCLC  41932585.
  11. ^ Оцука, К.; Рен, Х. (июль 2005 г.). «Физическая металлургия сплавов с памятью формы на основе Ti–Ni». ​​Progress in Materials Science . 50 (5): 511–678. doi :10.1016/j.pmatsci.2004.10.001. ISSN  0079-6425.
  12. ^ "Определение сплава с эффектом памяти формы". smart.tamu.edu . Архивировано из оригинала 2018-10-01 . Получено 2019-05-24 .
  13. ^ ab K. Otsuka; CM Wayman, ред. (1999). Материалы с эффектом памяти формы (PDF) . Cambridge University Press. ISBN 0-521-66384-9.[ нужна страница ]
  14. ^ Duerig, TW; Pelton, AR (1994). "Сплавы с памятью формы Ti-Ni". В Gerhard Welsch; Rodney Boyer; EW Collings (ред.). Справочник по свойствам материалов: титановые сплавы . Американское общество металлов. стр. 1035–48. ISBN 0-87170-481-1.
  15. ^ Сплавы с эффектом памяти формы: моделирование и инженерные приложения. Димитрис К. Лагудас. Нью-Йорк: Springer. 2008. ISBN 978-0-387-47685-8. OCLC  272298744.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  16. ^ Учебное пособие по формообразованию сплавов с эффектом памяти формы. (PDF). Получено 04.12.2011.
  17. ^ Kazuhiro Otsuka; Ren, Xiaobing (1997). «Происхождение резиноподобного поведения в металлических сплавах». Nature . 389 (6651): 579–582. Bibcode :1997Natur.389..579R. doi :10.1038/39277. ISSN  1476-4687. S2CID  4395776.
  18. ^ Цянь, Хуэй; Ли, Хуннань; Сун, Ганбин; Го, Вэй (2013). «Пассивный демпфер из сплава с эффектом памяти формы с рецентрированием для контроля вибрации конструкций». Математические проблемы в машиностроении . 2013 : 1–13. doi : 10.1155/2013/963530 . ISSN  1024-123X.
  19. ^ Шоу, Дж.; 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.
  20. ^ Chowdhury, Piyas; Sehitoglu, Huseyin (2017). «Пересмотр атомистического обоснования скольжения в сплавах с памятью формы». Progress in Materials Science . 85 : 1–42. doi : 10.1016/j.pmatsci.2016.10.002 . ISSN  0079-6425.
  21. ^ ab Ma, J.; Karaman, I.; Noebe, RD (2010). "Высокотемпературные сплавы с эффектом памяти формы". International Materials Reviews . 55 (5): 257. Bibcode : 2010IMRv...55..257M. doi : 10.1179/095066010x12646898728363. S2CID  218662109.
  22. ^ Танака, Y.; Химуро, Y.; Кайнума, R.; Суто, Y.; Омори, T.; Ишида, K. (2010-03-18). «Железный поликристаллический сплав с эффектом памяти формы, демонстрирующий огромную сверхэластичность». Science . 327 (5972): 1488–1490. Bibcode :2010Sci...327.1488T. doi :10.1126/science.1183169. ISSN  0036-8075. PMID  20299589. S2CID  9536512.
  23. ^ Франкель, Дана Дж.; Олсон, Грегори Б. (2015). «Проектирование сплавов с памятью формы на основе NiTi и PdTi, упрочненных осаждением Гейслера, для циклических характеристик». Память формы и сверхэластичность . 1 (2): 162–179. Bibcode : 2015ShMeS...1...17F. doi : 10.1007/s40830-015-0017-0 . ISSN  2199-384X.
  24. ^ Сан-Хуан, Дж.; Но, М.Л. (2013). «Сверхэластичность 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.
  25. ^ Кауфман, Джордж и Айзек Майо (октябрь 1993 г.). «Memory Metal» (PDF) . ChemMatters : 4–7.
  26. ↑ Устная история Уильяма Дж. Бюлера. Архивировано 03.03.2016 на Wayback Machine . wolaa.org.
  27. ^ M. Jani, J.; Leary, M.; Subic, A. (2016). «Проектирование линейных приводов из сплава с эффектом памяти формы: обзор». Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 28 (13): 1699. doi :10.1177/1045389X16679296. S2CID  138509568.
  28. ^ М. Джани, Дж.; Лири, М.; Субик, А.; Гибсон, Марк А. (2014). «Обзор исследований, приложений и возможностей сплавов с эффектом памяти формы». Материалы и дизайн . 56 (5): 1078–1113. doi :10.1016/j.matdes.2013.11.084.
  29. ^ Лара-Кинтанилья, А.; Хульскамп, AW; Берси, Х.Э. (октябрь 2013 г.). «Высокоскоростной привод из сплава с эффектом памяти формы для управления аэродинамической нагрузкой на ветряных турбинах». Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 24 (15): 1834–1845. doi :10.1177/1045389X13478271. S2CID  110098888.
  30. ^ Хуан, С.; Лири, Мартин; Атталла, Тамер; Пробст, К.; Субик, А. (2012). «Оптимизация времени отклика сплава с эффектом памяти формы Ni–Ti с помощью анализа переходного теплообмена». Материалы и проектирование . 35 : 655–663. doi :10.1016/j.matdes.2011.09.043.
  31. ^ Лири, М.; Скьявоне, Ф.; Субик, А. (2010). «Задержка для управления временем отклика привода из сплава с эффектом памяти формы». Материалы и проектирование . 31 (4): 2124–2128. doi :10.1016/j.matdes.2009.10.010.
  32. ^ Миядзаки, С.; Ким, Х.Й.; Хосода, Х. (2006). «Разработка и характеристика сплавов на основе титана с памятью формы и сверхэластичных сплавов без Ni». Материаловедение и инженерия: A . 438–440: 18–24. doi :10.1016/j.msea.2006.02.054.
  33. ^ M. Jani, J.; Leary, M.; Subic, A. (2016). "Усталость системы NiTi SMA-шкив с использованием Taguchi и ANOVA". Smart Materials and Structures . 25 (5): 057001. Bibcode : 2016SMaS...25e7001M. doi : 10.1088/0964-1726/25/5/057001. S2CID  138542543.
  34. ^ Mabe, JH; Calkins, FT; Alkislar, MB (2008). "Реактивное сопло переменной площади с использованием приводов из сплава с эффектом памяти формы в антагонистической конструкции". В Davis, L. Porter; Henderson, Benjamin K; McMickell, M. Brett (ред.). Промышленные и коммерческие приложения технологий интеллектуальных структур 2008. Том 6930. С. 69300T. doi :10.1117/12.776816. S2CID  111594060.
  35. ^ ab Lagoudas, DC; Hartl, DJ (2007). "Применение сплавов с эффектом памяти формы в аэрокосмической промышленности". Труды Института инженеров-механиков, часть G: Журнал аэрокосмической техники . 221 (4): 535. doi : 10.1243/09544100jaero211 .
  36. ^ ДеллаКорте, К. (2014) Новые сверхэластичные материалы для усовершенствованных подшипниковых применений.
  37. ^ Вебстер, Дж. (2006). «Высокоинтегрированные адаптивные компоненты SMA для газовых турбин». В Уайт, Эдвард В. (ред.). Интеллектуальные структуры и материалы 2006: промышленные и коммерческие применения технологий интеллектуальных структур . Том 6171. С. 61710F. doi : 10.1117/12.669027. S2CID  108583552.
  38. ^ Проект Лара – G1 и G2. Lararobot.de. Получено 04.12.2011.
  39. ^ "Сверхкомпактные: клапаны с приводами с памятью формы - Здравоохранение". 24 марта 2021 г.
  40. ^ Дюериг, TW; Мелтон, KN; Профт, JL (1990), «Сплавы с эффектом памяти формы с широким гистерезисом», Инженерные аспекты сплавов с эффектом памяти формы , Elsevier, стр. 130–136, doi :10.1016/b978-0-7506-1009-4.50015-9, ISBN 9780750610094
  41. ^ Song, G.; Ma, N.; Li, H. -N. (2006). "Применение сплавов с эффектом памяти формы в гражданских сооружениях". Engineering Structures . 28 (9): 1266. Bibcode : 2006EngSt..28.1266S. doi : 10.1016/j.engstruct.2005.12.010.
  42. ^ Карими, Саид; Конх, Бардия (2019). «3D управляемая активная хирургическая игла». Конференция по проектированию медицинских приборов 2019 года . doi : 10.1115/DMD2019-3307. ISBN 978-0-7918-4103-7. S2CID  200136206.
  43. ^ Mereau, Trinity M.; Ford, Timothy C. (март 2006 г.). «Нитиноловые компрессионные скобы для фиксации костей при хирургии стопы». Журнал Американской медицинской ассоциации подиатрии . 96 (2): 102–106. doi :10.7547/0960102. PMID  16546946. S2CID  29604863.
  44. ↑ Некролог доктора Андреасена. New York Times (1989-08-15). Получено в 2016 году.
  45. ^ Патхак, Анупам (2010). Разработка технологии антагонистической активации SMA для активного устранения тремора человека (диссертация). hdl :2027.42/76010.
  46. ^ Университет Саара (13 марта 2019 г.). «Исследовательская группа использует искусственные мышцы для разработки кондиционера будущего». phys.org .
  47. ^ "NT0404 Nitinol Spring (Nickel Titanium)". Advanced Refractory Metals . Получено 7 сентября 2024 г.
  48. ^ Другач, Дж.; Лекстон, З. (1995). «Использование зажимов с эффектом памяти формы TiNiCo при хирургическом лечении переломов нижней челюсти ». J Oral Maxillofac Surg . 53 (6): 665–71. doi :10.1016/0278-2391(95)90166-3. PMID  7776049.
  49. ^ Dilibal, S.; Sehitoglu, H.; Hamilton, RF; Maier, HJ; Chumlyakov, Y. (2011). "Об изменении объема в Co–Ni–Al во время псевдоупругости" (PDF) . Materials Science and Engineering: A . 528 (6): 2875. doi :10.1016/j.msea.2010.12.056.
  50. ^ Гамильтон, RF; Дилибал, S.; Сехитоглу, H.; Майер, HJ (2011). «Основной механизм двойного гистерезиса в монокристаллах NiMnGa». Materials Science and Engineering: A . 528 (3): 1877. doi :10.1016/j.msea.2010.10.042.

Внешние ссылки

Медиа, связанные с материалами с памятью формы на Wikimedia Commons

Veritasium — Как НАСА заново изобрело колесо