✖


Jump to content

Сплав с памятью формы

(Перенаправлено из сплава с памятью формы )

В металлургии сплав с памятью 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» . [ нужна ссылка ] «Запомненную геометрию» можно изменить, зафиксировав желаемую геометрию и подвергнув ее термической обработке, например, проволоку можно научить запоминать форму винтовой пружины.

Детали, изготовленные из сплавов с памятью формы, могут представлять собой легкую твердотельную альтернативу традиционным приводам , таким как гидравлические , пневматические и моторные системы. Их также можно использовать для создания герметичных соединений в металлических трубах, а также можно заменить замкнутый контур датчика-исполнителя для контроля температуры воды путем регулирования соотношения потоков горячей и холодной воды.

Обзор

[ редактировать ]

Двумя наиболее распространенными сплавами с памятью формы являются медь - алюминий - никель и никель - титан ( NiTi ), но SMA также можно создавать 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 применений из-за их стабильность и практичность [1] [2] [3] а также их превосходные термомеханические характеристики. [4] SMA могут существовать в двух разных фазах с тремя различными кристаллическими структурами (т.е. двойниковый мартенсит, двойниковый мартенсит и аустенит) и шестью возможными превращениями. [5] [6] Термомеханическое поведение СПФ определяется 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 А с и А ф — температуры, при которых начинается и заканчивается превращение мартенсита в аустенит.

Приложение механической нагрузки к мартенситу приводит к переориентации кристаллов, называемой «раздваиванием», что приводит к деформации, которая не восстанавливается (не запоминается) после снятия механической нагрузки. Удаление двойников начинается при определенном напряжении σ s и заканчивается при σ f, выше которого мартенсит продолжает проявлять только упругое поведение (пока нагрузка ниже предела текучести). Запомненная деформация, возникшая в результате разделения двойников, восстанавливается после нагрева до аустенита.

Фазовое превращение аустенита в мартенсит также может происходить при постоянной температуре за счет приложения механической нагрузки выше определенного уровня. Преобразование происходит в обратном направлении при снятии нагрузки.

Переход из мартенситной фазы в аустенитную фазу зависит только от температуры и напряжения, а не от времени, как и большинство фазовых изменений, поскольку диффузия не происходит. Точно так же аустенитная структура получила свое название от стальных сплавов аналогичной структуры. Именно обратимый бездиффузионный переход между этими двумя фазами приводит к особым свойствам. Хотя мартенсит может образоваться из аустенита при быстром охлаждении углеродистой стали , этот процесс необратим, поэтому сталь не обладает свойствами памяти формы.

На этом рисунке вертикальная ось представляет долю мартенсита. Разница между переходом нагревания и переходом охлаждения приводит к гистерезису, при котором в процессе теряется часть механической энергии. Форма кривой зависит от свойств материала сплава с памятью формы, например от состава сплава. [7] и упрочнение работы . [8]

Эффект памяти формы

[ редактировать ]
Продолжительность: 10 секунд.
Эта анимация иллюстрирует эффект полной памяти формы:
  1. Охлаждение от аустенита до (двойникового) мартенсита, которое происходит либо в начале срока службы SMA, либо в конце термического цикла.
  2. Применение напряжения для разделения мартенсита.
  3. Нагревание мартенсита для реформирования аустенита и восстановления первоначальной формы.
  4. Охлаждение аустенита до состояния двойникового мартенсита.

Эффект памяти формы (SME) [9] происходит потому, что фазовое превращение, вызванное температурой, обращает деформацию вспять, как показано на предыдущей кривой гистерезиса. Обычно мартенситная фаза является моноклинной или ромбической (В19' или В19 ). Поскольку в этих кристаллических структурах недостаточно систем скольжения для легкого движения дислокаций, они деформируются за счет двойникования , а точнее, детвинирования. [10]

Мартенсит термодинамически предпочтителен при более низких температурах, тогда как аустенит ( кубический B2 ) термодинамически предпочтителен при более высоких температурах. Поскольку эти структуры имеют разные размеры решетки и симметрию, охлаждение аустенита в мартенсит приводит к появлению внутренней энергии деформации в мартенситной фазе. Чтобы уменьшить эту энергию, мартенситная фаза образует множество двойников — это называется «самоаккомодирующимся двойникованием» и является версией двойникования геометрически необходимых дислокаций . Поскольку сплав с памятью формы будет изготавливаться при более высоких температурах и обычно разрабатывается таким образом, чтобы мартенситная фаза доминировала при рабочей температуре, чтобы воспользоваться эффектом памяти формы, SMA «запускаются» с высокой степенью двойникования. [11]

Когда мартенсит нагружен, эти самоадаптирующиеся двойники обеспечивают легкий путь для деформации. Приложенные напряжения раздваивают мартенсит, но все атомы остаются в том же положении относительно соседних атомов — никакие атомные связи не разрываются и не реформируются (как это было бы при движении дислокации). Таким образом, когда температура повышается и аустенит становится термодинамически выгодным, все атомы перестраиваются в структуру B2, которая оказывается той же макроскопической формы, что и форма B19' до деформации. [12] Этот фазовый переход происходит чрезвычайно быстро и придает SMA характерный «щелчок».

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

Односторонняя и двусторонняя память формы

[ редактировать ]

Сплавы с памятью формы обладают различными эффектами памяти формы. Двумя распространенными эффектами являются односторонняя SMA и двусторонняя SMA. Схема эффектов показана ниже.Процедуры очень похожи: начиная с мартенсита, добавляя деформацию, нагревая образец и снова охлаждая его.

Эффект односторонней памяти

[ редактировать ]

Когда сплав с памятью формы находится в холодном состоянии (ниже M f ), металл можно согнуть или растянуть и сохранять эту форму до тех пор, пока он не нагреется выше температуры перехода. При нагревании форма меняется на первоначальную. Когда металл снова остынет, он сохранит форму, пока снова не деформируется.

При одностороннем эффекте охлаждение от высоких температур не вызывает макроскопического изменения формы. Деформация необходима для создания низкотемпературной формы. При нагреве 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 °C до 200 °C .

Двусторонний эффект

[ редактировать ]

Двусторонний эффект памяти формы — это эффект, при котором материал запоминает две разные формы: одну при низких температурах и одну при высокой температуре.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, кроется в обучении. Обучение подразумевает, что память формы может «научиться» вести себя определенным образом.В нормальных условиях сплав с памятью формы «помнит» свою низкотемпературную форму, но при нагревании для восстановления высокотемпературной формы немедленно «забывает» низкотемпературную форму. Однако его можно «обучить» «помнить» и оставлять в высокотемпературных фазах некоторые напоминания о деформированном низкотемпературном состоянии. Один из способов тренировки СМА заключается в применении циклической термической нагрузки в условиях постоянного поля напряжений. В ходе этого процесса в микроструктуру вводятся внутренние дефекты, которые создают внутренние постоянные напряжения, облегчающие ориентацию мартенситных кристаллов. [15] Таким образом, при охлаждении обработанного СПФ в аустенитной фазе без приложенного напряжения мартенсит образуется расдвойникованным за счет внутренних напряжений, что приводит к изменению формы материала. И при обратном нагревании SMA до аустенита он восстанавливает свою первоначальную форму.

Есть несколько способов сделать это. [16] Обработанный объект определенной формы, нагретый до определенной точки, потеряет эффект двусторонней памяти.

Псевдоэластичность

[ редактировать ]

SMA демонстрируют явление, которое иногда называют сверхэластичностью, но точнее его называют псевдоэластичностью . «Сверхупругость» подразумевает, что атомные связи между атомами растягиваются до чрезвычайной длины, не подвергаясь пластической деформации. Псевдоэластичность по-прежнему обеспечивает большие, восстанавливаемые деформации практически без остаточной деформации, но она опирается на более сложные механизмы.

Продолжительность: 9 секунд.
Анимация псевдоэластичности

SMA обладают как минимум тремя видами псевдоэластичности. Двумя менее изученными видами псевдоэластичности являются образование псевдодвойников и резиноподобное поведение из-за ближнего порядка. [17]

При напряжениях выше мартенситного напряжения (А) аустенит преобразуется в мартенсит и вызывает большие макроскопические деформации до тех пор, пока аустенит не останется (С). При разгрузке мартенсит вернется в аустенитную фазу под действием аустенитного напряжения (D), после чего деформация будет восстанавливаться до тех пор, пока материал не станет полностью аустенитным и деформация практически не останется. [18]

Основной псевдоупругий эффект возникает в результате 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 мартенситной деформации M d . На рисунке выше показано, как это возможно, путем связи псевдоупругого фазового превращения, вызванного напряжением, с фазовым превращением, вызванным температурой и эффектом памяти формы. Для конкретной точки 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 . Первоначально материал демонстрирует типичное для металлов упруго-пластическое поведение. Однако как только материал достигнет мартенситного напряжения, аустенит превратится в мартенсит и распадется. Как обсуждалось ранее, это разделение обратимо при обратном превращении мартенсита в аустенит. При приложении больших напряжений в таких местах, как границы зерен или включения, инициируется пластическое поведение, такое как расчленение и скольжение мартенсита. [19] [20] Если материал разгрузить до того, как произойдет пластическая деформация, он снова превратится в аустенит, как только будет достигнуто критическое напряжение для аустенита (σ as ). Материал восстановит почти всю деформацию, вызванную структурными изменениями, а для некоторых SMA деформации могут превышать 10 процентов. [21] [22] Эта петля гистерезиса показывает работу, совершаемую за каждый цикл движения 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 псевдоэластичность на самом деле являются разными частями одного и того же явления, как показано слева.

Ключом к большим деформационным деформациям является разница в кристаллической структуре двух фаз. Аустенит обычно имеет кубическую структуру, тогда как мартенсит может быть моноклинной или другой структурой, отличной 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 выдерживать более высокие деформации по сравнению с другими ориентациями под действием приложенного напряжения. Таким образом, из этого следует, что материал будет стремиться сформировать ориентацию, которая максимизирует общую деформацию до любого увеличения приложенного напряжения. [23] Одним из механизмов, способствующих этому процессу, является двойникование мартенситной фазы. В кристаллографии граница двойника представляет собой двумерный дефект, в котором укладка атомных плоскостей решетки зеркально отражается поперек плоскости границы. В зависимости от напряжения и температуры эти процессы деформации будут конкурировать с остаточной деформацией, такой как скольжение.

σ мс зависит от таких параметров, как температура и количество мест зародышеобразования для зарождения фазы. Интерфейсы и включения обеспечат общие места для начала трансформации, и если их будет много, это увеличит движущую силу зарождения. [24] меньшее σ мс Потребуется , чем для гомогенной нуклеации. Аналогичным образом, повышение температуры уменьшит движущую силу фазового превращения, поэтому большее σ мс потребуется . Видно, что при повышении рабочей температуры СПФ σ мс будет больше предела текучести σ y , и сверхэластичность перестанет наблюдаться.

История

[ редактировать ]

Первые зарегистрированные шаги к открытию эффекта памяти формы были предприняты в 1930-х годах. По словам Оцуки и Уэймана, Арне Оландер открыл псевдоупругое поведение сплава Au-Cd в 1932 году. Гренингер и Мурадиан (1938) наблюдали образование и исчезновение мартенситной фазы при уменьшении и повышении температуры сплава Cu-Zn. Об основном явлении эффекта памяти, обусловленном термоупругим поведением мартенситной фазы, десять лет спустя широко сообщили Курдюмов и Хандрос (1949), а также Чанг и Рид (1951). [13]

Никель-титановые сплавы были впервые разработаны в 1962–1963 годах США Военно-морской артиллерийской лабораторией и поступили на рынок под торговым названием Нитинол (аббревиатура от Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Их замечательные свойства были открыты случайно. Образец, который много раз деформировался, был представлен на совещании руководства лаборатории. Один из заместителей технического директора, доктор Дэвид С. Маззи, решил посмотреть, что произойдет, если образец подвергнуть нагреву, и поднести под него трубку зажигалки. Ко всеобщему изумлению, образец снова принял свою первоначальную форму. [25] [26]

Существует другой 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 отклик, вызванный температурой.

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

Кристаллические структуры

[ редактировать ]

Многие металлы имеют несколько разных кристаллических структур одного и того же состава, но большинство металлов не проявляют такого эффекта памяти формы. Особое свойство, позволяющее сплавам с памятью формы возвращаться к исходной форме после нагрева, заключается в том, что их кристаллическая трансформация полностью обратима. В большинстве кристаллических преобразований атомы в структуре перемещаются через металл путем диффузии, локально меняя состав, даже если металл в целом состоит из одних и тех же атомов. Обратимое преобразование не предполагает такой диффузии атомов, вместо этого все атомы смещаются одновременно, образуя новую структуру, во многом подобно тому, как параллелограмм можно составить из квадрата, надавив на две противоположные стороны. При разных температурах предпочтительны разные структуры, и когда структура охлаждается до температуры перехода, из аустенитной фазы образуется мартенситная структура.

Производство

[ редактировать ]

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

Способ «обучения» сплавов зависит от желаемых свойств. «Обучение» определяет форму, которую сплав запомнит при нагревании. Это происходит путем нагревания сплава, чтобы дислокации заняли устойчивое положение, но не настолько горячего, чтобы материал рекристаллизовался . Их нагревают до температуры от 400 до 500 °C в течение 30 минут, формуют в горячем состоянии, а затем быстро охлаждают путем закалки в воде или охлаждения на воздухе.

Характеристики

[ редактировать ]

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

Предел текучести сплавов с памятью формы ниже, чем у обычных сталей, но некоторые составы имеют более высокий предел текучести, чем пластик или алюминий. Предел текучести Ni Ti может достигать 500 МПа . Высокая стоимость самого металла и требования к обработке делают внедрение SMA в конструкцию сложным и дорогостоящим. В результате эти материалы используются там, где можно использовать сверхэластичные свойства или эффект памяти формы. Наиболее распространенное применение – приведение в действие.

Одним из преимуществ использования сплавов с памятью формы является высокий уровень восстанавливаемой пластической деформации, которую можно вызвать. Максимальная восстанавливаемая деформация, которую эти материалы могут выдерживать без необратимых повреждений, для некоторых сплавов составляет до 8% . Это сопоставимо с максимальной деформацией 0,5% для обычных сталей.

Практические ограничения

[ редактировать ]

SMA имеет множество преимуществ перед традиционными приводами, но имеет ряд ограничений, которые могут препятствовать практическому применению. В многочисленных исследованиях подчеркивалось, что лишь немногие из запатентованных применений сплавов с памятью формы являются коммерчески успешными из-за ограничений материалов в сочетании с отсутствием знаний о материалах и конструкции, а также связанных с ними инструментов, таких как неправильные подходы к проектированию и используемые методы. [27] Проблемы при разработке 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 ответа

[ редактировать ]

Приводы SMA обычно приводятся в действие электрически, при этом электрический ток приводит к джоулевому нагреву . Деактивация обычно происходит за счет свободной конвективной передачи тепла в окружающую среду. Следовательно, активация SMA обычно асимметрична, с относительно быстрым временем активации и медленным временем деактивации. Для сокращения времени дезактивации СМА предложен ряд методов, в том числе принудительная конвекция, [29] и изоляцию SMA проводящим материалом для управления скоростью теплопередачи.

Новые методы повышения эффективности приводов SMA включают использование проводящего « запаздывания ». в этом методе используется термопаста для быстрой передачи тепла от SMA за счет 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 ток, необходимый для достижения заданной силы срабатывания. [30]

Сравнительная реакция сила-время для сплава Ni-Ti с памятью формы без покрытия и с запаздыванием. [31]

Структурная усталость и функциональная усталость.

[ редактировать ]

SMA подвержен структурной усталости – виду разрушения, при котором циклическая нагрузка приводит к возникновению и распространению трещины, что в конечном итоге приводит к катастрофической потере функции в результате разрушения. Физика, лежащая в основе этого режима усталости, заключается в накоплении микроструктурных повреждений во время циклического нагружения. Этот режим разрушения наблюдается в большинстве конструкционных материалов, а не только в SMA.

SMA также подвержены функциональной усталости, виду разрушения, не типичному для большинства конструкционных материалов, при этом SMA не разрушается структурно, но со временем теряет свои характеристики памяти формы и сверхэластичности. В результате циклического нагружения (как механического, так и термического) материал теряет способность подвергаться обратимому фазовому превращению. Например, рабочий объем привода уменьшается с увеличением числа циклов. Физика, лежащая в основе этого, заключается в постепенном изменении микроструктуры, точнее, в накоплении дислокаций аккомодационного скольжения . Это часто сопровождается существенным изменением температуры превращения. [32] Конструкция приводов SMA также может влиять как на структурную, так и на функциональную усталость SMA, например, на конфигурации шкивов в системе SMA-Pulley. [33]

Непреднамеренное срабатывание

[ редактировать ]

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

Приложения

[ редактировать ]

Промышленный

[ редактировать ]

Самолеты и космические корабли

[ редактировать ]

Boeing , General Electric Aircraft Engines , Goodrich Corporation , НАСА , Техасский университет A&M и All Nippon Airways разработали шеврон с изменяемой геометрией с использованием NiTi SMA. Такая конструкция вентиляторного сопла переменной площади (VAFN) позволит в будущем создавать более тихие и эффективные реактивные двигатели. В 2005 и 2006 годах компания Boeing провела успешные летные испытания этой технологии. [34]

SMA изучаются в качестве гасителей вибрации для ракет-носителей и коммерческих реактивных двигателей. Большой гистерезис, наблюдаемый во время эффекта сверхэластичности, позволяет SMA рассеивать энергию и гасить вибрации. Эти материалы обещают снизить высокие вибрационные нагрузки на полезную нагрузку во время запуска, а также на лопасти вентиляторов коммерческих реактивных двигателей, что позволяет создавать более легкие и эффективные конструкции. [35] SMA также демонстрируют потенциал для других применений с высокими ударными нагрузками, таких как шарикоподшипники и шасси. [36]

Также существует большой интерес к использованию SMA для различных применений приводов в коммерческих реактивных двигателях, что позволит значительно снизить их вес и повысить эффективность. [37] Однако в этой области необходимо провести дальнейшие исследования для повышения температур трансформации и улучшения механических свойств этих материалов, прежде чем их можно будет успешно реализовать. Обзор последних достижений в области высокотемпературных сплавов с памятью формы (ВТСМА) представлен Ма и др. [21]

Также изучаются различные технологии трансформации крыльев. [35]

Автомобильная промышленность

[ редактировать ]

Первый крупносерийный продукт (>5 миллионов приводов в год) представляет собой автомобильный клапан, используемый для управления пневматическими баллонами низкого давления в автомобильном сиденье , которые регулируют контур поясничной опоры/валиков. Общие преимущества SMA по сравнению с традиционно используемыми в этом приложении соленоидами (меньший шум/ЭМС/вес/форм-фактор/потребление энергии) стали решающим фактором в решении о замене старой стандартной технологии на SMA.

Chevrolet Corvette 2014 года стал первым автомобилем, оснащенным приводами SMA, которые заменили более тяжелые моторизованные приводы для открытия и закрытия вентиляционного отверстия люка, выпускающего воздух из багажника, что облегчает его закрытие. Также планируется использовать множество других приложений, в том числе электрические генераторы для выработки электроэнергии из выхлопных газов и воздушные плотины по требованию для оптимизации аэродинамики на различных скоростях.

Робототехника

[ редактировать ]

Также были проведены ограниченные исследования по использованию этих материалов в робототехнике , например, робот-любитель Stiquito (и «Roboterfrau Lara» [38] ), так как они позволяют создавать очень лёгких роботов. Недавно Loh et al. представили протез руки. который может почти повторять движения человеческой руки [Loh2005]. Также изучаются другие биомиметические приложения. Слабыми местами технологии являются энергетическая неэффективность, медленное время отклика и большой гистерезис .

Клапаны

[ редактировать ]

SMA также используются для привода клапанов . [39] Клапаны SMA имеют особенно компактную конструкцию.

Биоинженерная роботизированная рука

[ редактировать ]

Существует несколько прототипов роботизированной руки на основе SMA, которые используют эффект памяти формы (SME) для перемещения пальцев. [40]

Гражданские конструкции

[ редактировать ]

SMA находят множество применений в гражданских конструкциях, таких как мосты и здания. В виде арматуры или пластин их можно использовать для изгиба, сдвига и сейсмического усиления бетонных и стальных конструкций. Еще одно применение — интеллектуальный железобетон (IRC), в котором используются провода SMA, встроенные в бетон. Эти провода могут чувствовать трещины и сжиматься, чтобы залечить микротрещины. Также возможна активная настройка собственной частоты конструкции с использованием проводов SMA для гашения вибраций, а также использование волокон SMA в бетоне. [41]

Трубопроводы

[ редактировать ]

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

Бытовая электроника

[ редактировать ]

Камеры смартфонов

[ редактировать ]

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

Лекарство

[ редактировать ]

Сплавы с памятью формы применяются в медицине, например, в качестве фиксирующих устройств при остеотомиях в ортопедической хирургии , в качестве привода в хирургических инструментах; активные управляемые хирургические иглы для минимально инвазивных чрескожных вмешательств при раке при таких хирургических процедурах, как биопсия и брахитерапия , [42] в зубных брекетах для воздействия на зубы постоянной силы, вызывающей перемещение зубов, в капсульной эндоскопии их можно использовать в качестве триггера для биопсии.

В конце 1980-х годов произошло коммерческое внедрение нитинола в качестве технологии, позволяющей использовать его в ряде минимально инвазивных эндоваскулярных медицинских применений. Хотя нитиноловые сплавы более дороги, чем нержавеющая сталь, их саморасширяющиеся свойства, изготовленные по стандарту BTR (температурная реакция тела), стали привлекательной альтернативой баллонным расширяемым устройствам в стент-графтах , где они дают возможность адаптироваться к форме определенных кровеносных сосудов при подвергается воздействию температуры тела. В среднем 50% всех периферических сосудистых стентов , доступных в настоящее время на мировом рынке, производятся из нитинола.

Оптометрия

[ редактировать ]

Оправы для очков из титансодержащих СМА продаются под торговыми марками Flexon и TITANflex. Эти рамы обычно изготавливаются из сплавов с памятью формы, температура перехода которых установлена ​​ниже ожидаемой комнатной температуры. Это позволяет рамам подвергаться значительной деформации под нагрузкой, но при этом восстанавливать свою заданную форму после повторной разгрузки металла. Очень большие, по-видимому, упругие деформации обусловлены мартенситным эффектом, вызванным напряжением, при котором кристаллическая структура может трансформироваться под нагрузкой, позволяя форме временно изменяться под нагрузкой. Это означает, что очки, изготовленные из сплавов с памятью формы, более устойчивы к случайным повреждениям.

Ортопедическая хирургия

[ редактировать ]

Металл с эффектом памяти использовался в ортопедической хирургии в качестве фиксационно-компрессионного устройства при остеотомии , обычно при процедурах на нижних конечностях. Устройство, обычно в виде крупной скобы, хранится в холодильнике в гибкой форме и имплантируется в предварительно просверленные отверстия в кости поперек остеотомии. По мере того, как скоба нагревается, она возвращается в свое неподатливое состояние и сжимает костные поверхности вместе, способствуя сращению костей. [43]

Стоматология

[ редактировать ]

Спектр применения СМА с годами расширился, и основной областью развития стала стоматология. Одним из примеров является распространенность зубных брекетов , использующих технологию SMA для приложения к зубам постоянной силы, вызывающей перемещение зубов; Нитиноловая дуга была разработана в 1972 году ортодонтом Джорджем Андреасеном . [44] Это произвело революцию в клинической ортодонтии. Сплав Андресена обладает структурной памятью формы, расширяясь и сжимаясь в заданных температурных диапазонах благодаря своему геометрическому программированию.

Хармит Д. Валия позже использовал этот сплав при изготовлении файлов корневых каналов для эндодонтии .

Эссенциальный тремор

[ редактировать ]

Традиционные методы активного подавления для уменьшения 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 производства больших амплитуд мощности на частотах человеческого тремора. SMA зарекомендовали себя как эффективный метод срабатывания в портативных приложениях и позволили создать устройства активного подавления тремора нового класса. [45] Одним из недавних примеров такого устройства является ложка Liftware , разработанная Verily Life Sciences дочерней компанией Lift Labs, .

Двигатели

[ редактировать ]

Экспериментальные твердотельные тепловые двигатели, работающие от относительно небольших перепадов температур в резервуарах с холодной и горячей водой, разрабатываются с 1970-х годов, в том числе двигатель Банкса, разработанный Риджуэем Бэнксом .

Ремесла

[ редактировать ]

Продаются небольшими круглыми отрезками для использования в браслетах без креплений.

Отопление и охлаждение

[ редактировать ]

Немецкие ученые из Саарского университета создали прототип машины, которая передает тепло с помощью проволоки из никель-титанового сплава («нитинол»), намотанной вокруг вращающегося цилиндра. Когда цилиндр вращается, тепло поглощается с одной стороны и выделяется с другой, поскольку проволока переходит из «сверхэластичного» состояния в разгруженное состояние. Согласно статье, опубликованной Саарским университетом в 2019 году, эффективность передачи тепла выше, чем у типичного теплового насоса или кондиционера. [46]

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

Материалы

[ редактировать ]

Различные сплавы обладают эффектом памяти формы. Легирующие компоненты можно регулировать для контроля температуры превращения ЩМА. Некоторые распространенные системы включают следующее (ни в коем случае не исчерпывающий список):

  • Ag-Cd 44/49 ат.% Cd
  • Au-Cd 46,5/50 ат.% Cd
  • Ко-Ни-Ал [47]
  • Ко-Ни-Га
  • Cu-Al-Be-X(X:Zr, B, Cr, Gd)
  • Cu-Al-Ni 14/14.5 wt.% Al, 3/4.5 wt.% Ni
  • Cu-Al-Ni-Hf
  • Cu-Sn ок. 15 ат.% Sn
  • Cu-Zn 38,5/41,5 мас.% Zn
  • Cu–Zn–X (X = Si, Al, Sn)
  • Fe-Mn-Si
  • Fe-Pt ок. 25 ат.% Pt
  • Mn-Cu 5/35 ат.% Cu
  • Ни-Фе-Га
  • Ni-Ti ок. 55–60 мас.% Ni
  • Ни-Ти-Гф
  • Ni-Ti-Pd
  • Ni-Mn-Ga [48]
  • Ni-Mn-Ga-Cu
  • Ni-Mn-Ga-Co
  • The-Nb

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Уилкс, Кеннет Э.; Лиав, Питер К.; Уилкс, Кеннет Э. (октябрь 2000 г.). «Усталостное поведение сплавов с памятью формы». ДЖОМ . 52 (10): 45–51. Бибкод : 2000JOM....52j..45W . дои : 10.1007/s11837-000-0083-3 . S2CID   137826371 .
  2. ^ Седерстрем, Дж.; Ван Хамбик, Дж. (февраль 1995 г.). «Связь между свойствами материалов с памятью формы и их применением» . Le Journal de Physique IV . 05 (С2): С2-335–С2-341. дои : 10.1051/jp4:1995251 .
  3. ^ Ходжсон, Дэрел Э.; Ву, Мин Х.; Бирманн, Роберт Дж. (1990). «Сплавы с памятью формы». Свойства и выбор: цветные сплавы и материалы специального назначения . стр. 897–902. дои : 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. дои : 10.1016/S0261-3069(01)00039-5 .
  5. ^ Сан, Л.; Хуанг, ВМ (21 мая 2010 г.). «Природа многостадийного превращения в сплавах с памятью формы при нагреве». Металловедение и термическая обработка . 51 (11–12): 573–578. Бибкод : 2009МСТ...51..573С . дои : 10.1007/s11041-010-9213-x . S2CID   135892973 .
  6. ^ Михальч, Иштван (2001). «Основные характеристики и метод расчета никель-титанового сплава с памятью формы» . Периодика Политехнического Машиностроения . 45 (1): 75–86.
  7. ^ Ву, С; Уэйман, К. (1987). «Мартенситные превращения и эффект памяти формы в сплавах Ti50Ni10Au40 и Ti50Au50». Металлография . 20 (3): 359. дои : 10.1016/0026-0800(87)90045-0 .
  8. ^ Филип, Питер; Мазанец, Карел (май 1995 г.). «Влияние наклепа и термообработки на субструктуру и деформационное поведение сплавов TiNi с памятью формы». Scripta Metallurgica et Materialia . 32 (9): 1375–1380. дои : 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 применения » . Журнал науки и техники Аль-Джазари . doi : 10.31202/ecjse.562177 . ISSN   2148-3736 .
  10. ^ Кортни, Томас Х. (2000). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Бостон: МакГроу Хилл. ISBN  0070285942 . OCLC   41932585 .
  11. ^ Оцука, К.; Рен, X. (июль 2005 г.). «Физическая металлургия сплавов с памятью формы на основе Ti–Ni». Прогресс в материаловедении . 50 (5): 511–678. дои : 10.1016/j.pmatsci.2004.10.001 . ISSN   0079-6425 .
  12. ^ «Определение сплава с памятью формы» . smart.tamu.edu . Архивировано из оригинала 01 октября 2018 г. Проверено 24 мая 2019 г.
  13. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б К. Оцука; CM Уэйман, ред. (1999). Материалы с памятью формы (PDF) . Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-66384-9 . [ нужна страница ]
  14. ^ Дюриг, ТВ; Пелтон, Арканзас (1994). «Сплавы Ti-Ni с памятью формы». У Герхарда Вельша; Родни Бойер; Э. У. Коллингс (ред.). Справочник по свойствам материалов: Титановые сплавы . Американское общество металлов. стр. 1035–48. ISBN  0-87170-481-1 .
  15. ^ Сплавы с памятью формы: моделирование и инженерное применение . Димитрис К. Лагудас. Нью-Йорк: Спрингер. 2008. ISBN  978-0-387-47685-8 . OCLC   272298744 . {{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  16. ^ Учебное пособие по обучению форме сплавов с памятью формы . (PDF) . Проверено 4 декабря 2011 г.
  17. ^ Кадзухиро Оцука; Рен, Сяобин (1997). «Происхождение резиноподобного поведения в металлических сплавах». Природа . 389 (6651): 579–582. Бибкод : 1997Natur.389..579R . дои : 10.1038/39277 . ISSN   1476-4687 . S2CID   4395776 .
  18. ^ Цянь, Хуэй; Ли, Хуннань; Песня, групповуха; Го, Вэй (2013). «Повторное центрирование пассивного демпфера из сплава с памятью формы для контроля структурной вибрации» . Математические проблемы в технике . 2013 : 1–13. дои : 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. Бибкод : 1995JMPSo..43.1243S . дои : 10.1016/0022-5096(95)00024-D .
  20. ^ Чоудхури, Пияс; Сехитоглу, Гусейн (2017). «Возврат к атомистическому обоснованию скольжения сплавов с памятью формы» . Прогресс в материаловедении . 85 : 1–42. дои : 10.1016/j.pmatsci.2016.10.002 . ISSN   0079-6425 .
  21. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ма, Дж.; Караман, И.; Ноэбе, Р.Д. (2010). «Высокотемпературные сплавы с памятью формы». Международные обзоры материалов . 55 (5): 257. Бибкод : 2010ИМРв...55..257М . дои : 10.1179/095066010x12646898728363 . S2CID   218662109 .
  22. ^ Танака, Ю.; Химуро, Ю.; Кайнума, Р.; Суто, Ю.; Омори, Т.; Исида, К. (18 марта 2010 г.). «Железный поликристаллический сплав с памятью формы, демонстрирующий огромную сверхэластичность». Наука . 327 (5972): 1488–1490. Бибкод : 2010Sci...327.1488T . дои : 10.1126/science.1183169 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   20299589 . S2CID   9536512 .
  23. ^ Франкель, Дана Дж.; Олсон, Грегори Б. (2015). «Разработка SMA на основе NiTi и PdTi, усиленных осаждением Гейслера, для циклической работы» . Память формы и сверхэластичность . 1 (2): 162–179. Бибкод : 2015ШМеС...1...17Ф . дои : 10.1007/s40830-015-0017-0 . ISSN   2199-384X .
  24. ^ Сан-Хуан, Дж.; Нет, МЛ (2013). «Сверхэластичность и память формы на наноуровне: влияние размера на мартенситное превращение». Журнал сплавов и соединений . 577 : С25–С29. дои : 10.1016/j.jallcom.2011.10.110 .
  25. ^ Кауфман, Джордж и Исаак Мэй (октябрь 1993 г.). «Мемори-метал» (PDF ) ChemMatters : 4–7.
  26. ↑ Устная история Уильяма Дж. Бюлера. Архивировано 3 марта 2016 г. в Wayback Machine . wolaa.org.
  27. ^ М. Джани, Дж.; Лири, М.; Субик, А. (2016). «Проектирование линейных приводов из сплава с памятью формы: обзор». Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 28 (13): 1699. дои : 10.1177/1045389X16679296 . S2CID   138509568 .
  28. ^ М. Джани, Дж.; Лири, М.; Субик, А.; Гибсон, Марк А. (2014). «Обзор исследований, применений и возможностей сплавов с памятью формы». Материалы и дизайн . 56 (5): 1078–1113. дои : 10.1016/j.matdes.2013.11.084 .
  29. ^ Лара-Кинтанилья, А.; Халскамп, AW; Берзее, HE (октябрь 2013 г.). «Высокоскоростной актуатор из сплава с памятью формы для управления аэродинамической нагрузкой на ветряных турбинах» . Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 24 (15): 1834–1845. дои : 10.1177/1045389X13478271 . S2CID   110098888 .
  30. ^ Хуанг, С; Лири, Мартин; Атталла, Укротитель; Пробст, К; Субик, А (2012). «Оптимизация времени отклика сплава Ni – Ti с памятью формы путем анализа нестационарной теплопередачи». Материалы и дизайн . 35 : 655–663. дои : 10.1016/j.matdes.2011.09.043 .
  31. ^ 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. дои : 10.1016/j.matdes.2009.10.010 .
  32. ^ Миядзаки, С.; Ким, Хай; Хосода, Х. (2006). «Разработка и характеристика безникелевых сплавов с памятью формы на основе титана и сверхэластичных сплавов». Материаловедение и инженерия: А. 438–440: 18–24. дои : 10.1016/j.msea.2006.02.054 .
  33. ^ М. Джани, Дж.; Лири, М.; Субик, А. (2016). «Усталость системы NiTi SMA-шкивов с использованием Тагучи и ANOVA». Умные материалы и конструкции . 25 (5): 057001. Бибкод : 2016SMaS...25e7001M . дои : 10.1088/0964-1726/25/5/057001 . S2CID   138542543 .
  34. ^ Мэйб, Дж. Х.; Калкинс, FT; Алкислар, МБ (2008). «Сопло переменной площади с приводами из сплава с памятью формы в антагонистической конструкции». В Дэвисе, Л. Портер; Хендерсон, Бенджамин К; МакМикелл, М. Бретт (ред.). Промышленное и коммерческое применение технологий интеллектуальных структур. 2008 . Том. 6930. С. 69300Т. дои : 10.1117/12.776816 . S2CID   111594060 .
  35. ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Лагудас, округ Колумбия; Хартл, диджей (2007). «Аэрокосмическое применение сплавов с памятью формы» . Труды Института инженеров-механиков, Часть G: Журнал аэрокосмической техники . 221 (4): 535. doi : 10.1243/09544100jaero211 .
  36. ^ ДеллаКорте, К. (2014) Новые сверхэластичные материалы для современных подшипников .
  37. ^ Вебстер, Дж. (2006). «Высоконадежные адаптивные компоненты SMA для газовых турбин». В белом, Эдвард V (ред.). Интеллектуальные конструкции и материалы 2006: Промышленное и коммерческое применение технологий интеллектуальных структур . Том. 6171. стр. 61710F. дои : 10.1117/12.669027 . S2CID   108583552 .
  38. ^ Проект Лара – G1 и G2 . Лараробот.де. Проверено 4 декабря 2011 г.
  39. ^ «Сверхкомпактные: клапаны с приводами с памятью формы – Здравоохранение» . 24 марта 2021 г.
  40. ^ Дюриг, ТВ; Мелтон, КНДР; Профт, Дж. Л. (1990), «Сплавы с памятью формы с широким гистерезисом», Инженерные аспекты сплавов с памятью формы , Elsevier, стр. 130–136, doi : 10.1016/b978-0-7506-1009-4.50015-9 , ISBN  9780750610094
  41. ^ Песня, Г.; Мужчина.; Ли, Х.-Н. (2006). «Применение сплавов с памятью формы в гражданских конструкциях». Инженерные сооружения . 28 (9): 1266. Бибкод : 2006EngSt..28.1266S . doi : 10.1016/j.engstruct.2005.12.010 .
  42. ^ Карими, Саид; Конх, Бардия (2019). «3D-управляемая активная хирургическая игла». 2019 Конференция «Дизайн медицинского оборудования» . дои : 10.1115/DMD2019-3307 . ISBN  978-0-7918-4103-7 . S2CID   200136206 .
  43. ^ Меро, Тринити М.; Форд, Тимоти К. (март 2006 г.). «Нитиноловые компрессионные скобы для фиксации костей в хирургии стопы». Журнал Американской ортопедической медицинской ассоциации . 96 (2): 102–106. дои : 10.7547/0960102 . ПМИД   16546946 . S2CID   29604863 .
  44. ^ Некролог доктора Андреасена . Нью-Йорк Таймс (15 августа 1989 г.). Получено в 2016 году.
  45. ^ Патхак, Анупам (2010). Разработка технологии активации антагонистической СМА для активной компенсации тремора человека (Диссертация). hdl : 2027.42/76010 .
  46. ^ Саарский университет (13 марта 2019 г.). «Исследовательская группа использует искусственные мышцы для разработки кондиционера будущего» . физ.орг .
  47. ^ Дилибал, С.; Сехитоглу, Х.; Гамильтон, РФ; Майер, HJ; Чумляков, Ю. (2011). «Об изменении объема Co–Ni–Al при псевдоупругости» (PDF) . Материаловедение и инженерия: А. 528 (6): 2875. doi : 10.1016/j.msea.2010.12.056 .
  48. ^ Гамильтон, РФ; Дилибал, С.; Сехитоглу, Х.; Майер, HJ (2011). «Основной механизм двойного гистерезиса в монокристаллах NiMnGa». Материаловедение и инженерия: А. 528 (3): 1877. doi : 10.1016/j.msea.2010.10.042 .
[ редактировать ]

СМИ, связанные с материалами по памяти формы , на Викискладе?

Veritasium - Как НАСА заново изобрело колесо

Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Shape-memory_alloy&oldid=1236157848"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 483025263b2613e66b9626158b8ada87__1721715720
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/48/87/483025263b2613e66b9626158b8ada87.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Shape-memory alloy - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)