Сплав с памятью формы - Shape-memory alloy

А сплав с памятью формы является сплав это может быть деформируется при холоде но возвращается к своей предварительно деформированной («запомненной») форме при нагревании. Его также можно назвать металл памяти, сплав памяти, умный металл, умный сплав, или мышечный провод.[нужна цитата ]

Детали из сплавов с памятью формы могут быть легкой твердотельной альтернативой обычным. приводы такие как гидравлический, пневматический, и мотор -системы. Их также можно использовать для герметизации металлических труб.

Обзор

Двумя наиболее распространенными сплавами с памятью формы являются медь -алюминий -никель и никель -титан (NiTi ), но СПП можно также получить легированием цинк, медь, золото и утюг.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 предпочтительны для большинства приложений из-за их стабильности и практичности.[1][2][3] и превосходные термомеханические характеристики.[4] SMA могут существовать в двух разных фазах с тремя различными кристаллическими структурами (т. Е. Двойниковым мартенситом, раздвоенным мартенситом и аустенитом) и шестью возможными превращениями.[5][6]

Сплавы NiTi меняются с аустенит к мартенсит при охлаждении; Mж - температура, при которой завершается переход в мартенсит после охлаждения. Соответственно при нагреве Аs и Аж - температуры, при которых начинается и заканчивается превращение мартенсита в аустенит. Многократное 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).[7] Максимальная температура, при которой SMA больше не может индуцироваться напряжением, называется Md, где СПП деформированы постоянно.[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 углерод -сталь, этот процесс необратим, поэтому сталь не обладает свойствами памяти формы.

Sma wire.jpg

На этом рисунке ξ (T) представляет долю мартенсита. Разница между тепловым переходом и охлаждающим переходом приводит к гистерезис где часть механической энергии теряется в процессе. Форма кривой зависит от свойств материала сплава с памятью формы, таких как состав сплава.[9] и упрочнение.[10]

Эффект памяти формы

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. Нагревание мартенсита для преобразования аустенита с восстановлением исходной формы.
  4. Охлаждение аустенита обратно до двойникового мартенсита.

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

Мартенсит термодинамически предпочтителен при более низких температурах, а аустенит (Би 2 кубический) термодинамически предпочтительнее 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 является версией двойникования. геометрически необходимые дислокации. Поскольку сплав с памятью формы будет производиться при более высоких температурах и обычно конструируется так, чтобы мартенситная фаза преобладала при рабочей температуре, чтобы воспользоваться преимуществом эффекта памяти формы, SMA «начинают» сильно двойниковые.[12]

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 это было бы 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 B19 'до деформации.[13] Это фазовое преобразование происходит очень быстро и придает SMA характерный «щелчок».

Односторонняя и двусторонняя память формы

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 (а), добавляя обратимую деформацию для одностороннего эффекта или сильную деформацию с необратимой величиной для двустороннего (б), нагревая образец (в) и снова охлаждая его ( г).

Односторонний эффект памяти

Когда сплав с памятью формы находится в холодном состоянии (ниже Аs) металл можно сгибать или растягивать, и он будет удерживать эти формы до тех пор, пока не нагреется выше температуры перехода. При нагревании форма принимает первоначальную форму. Когда металл снова остынет, он сохранит 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 трансформация начинается при Аs и завершается в Аж (обычно от 2 до 20 ° C или выше, в зависимости от сплава или условий нагрузки). Аs определяется типом и составом сплава и может варьироваться от -150 ° С и 200 ° 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. Говорят, что материал, который проявляет эффект памяти формы как при нагревании, так и при охлаждении, обладает двусторонней памятью формы. Это также может быть получено 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 «натренировать», чтобы «помнить» оставлять некоторые напоминания о деформированном низкотемпературном состоянии в высокотемпературных фазах. Есть несколько способов сделать это.[14] Дрессированный объект определенной формы, нагретый до определенной точки, потеряет эффект двусторонней памяти.

Псевдоупругость

SMA демонстрируют явление, иногда называемое сверхэластичностью, 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 зависит от более сложных механизмов.

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.[15]

При напряжениях выше мартенситного напряжения (A) аустенит превращается в мартенсит и вызывает большие макроскопические деформации до тех пор, пока аустенит не останется (C). После разгрузки мартенсит снова превратится в аустенитную фазу под действием аустенитного напряжения (D), при этом деформация будет восстанавливаться до тех пор, пока материал не станет полностью аустенитным и не останется практически никакой деформации.[16]

Основной псевдоупругий эффект связан с фазовым превращением, вызванным напряжением. На рисунке справа показано, как происходит этот процесс.

Здесь нагрузка изотермически приложена к SMA выше конечной температуры аустенита, Aж, но ниже температуры деформации мартенсита Md. На приведенном выше рисунке показано, как это возможно, путем связывания фазового превращения, вызванного псевдоупругим напряжением, с фазовым преобразованием, вызванным эффектом памяти формы, с температурой. Для конкретной точки на Aе, можно выбрать точку на Ms линия с выше температура, пока эта точка Md также имеет более высокий стресс. 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.[17][18] Если материал будет разгружен до того, как произойдет пластическая деформация, он превратится в аустенит после достижения критического напряжения для аустенита (σтак как). Материал восстановит почти все деформации, вызванные структурным изменением, а для некоторых SMA это может быть деформация более 10 процентов.[19][20] 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 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 при приложении напряжения. Отсюда следует, что материал будет иметь тенденцию формировать ориентацию, которая максимизирует общую деформацию до любого увеличения приложенного напряжения.[21] Одним из механизмов, который способствует этому процессу, является двойникование мартенситной фазы. В кристаллографии двойная граница - это двумерный дефект, в котором наложение атомных плоскостей решетки зеркально отражается на плоскости границы. В зависимости от напряжения и температуры эти процессы деформации будут конкурировать с остаточной деформацией, такой как скольжение.

Важно отметить, что σРС зависит от таких параметров, как температура и количество центров зарождения фаз. Интерфейсы и включения обеспечат общие места для начала превращения, и если их много, это увеличит движущую силу для зарождения.[22] Чем меньше σРС понадобится, чем для гомогенного зародышеобразования. Аналогичным образом, повышение температуры уменьшит движущую силу фазового превращения, поэтому большее значение σРС будет необходимо. Видно, что при увеличении рабочей температуры SMA σРС будет больше предела текучести, σy, и сверхупругость больше не будет наблюдаться.

История

Первые зарегистрированные шаги к открытию эффекта памяти формы были сделаны в 1930-х годах. По словам Оцуки и Уэймана, Арне Оландер открыли 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 гг. Соединенные Штаты Военно-морская артиллерийская лаборатория и коммерциализируется под торговой маркой Нитинол (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 подвергнется нагреву, и поднес к нему свою трубку-зажигалку. К всеобщему изумлению, образец вернулся к своей первоначальной форме.[23][24]

Существует еще один тип SMA, называемый ферромагнитный сплав с памятью формы (FSMA), который меняет форму под действием сильных магнитных полей. Эти материалы представляют особый интерес, поскольку магнитный отклик обычно бывает быстрее и эффективнее, чем отклик, вызванный температурой.

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

Кристаллические структуры

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, подобно тому, 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.

Производство

Сплавы с памятью формы обычно изготавливают 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. В слиток затем горячекатаный на более длинные разделы, а затем нарисованный превратить в проволоку.

Способ «тренировки» сплавов зависит от желаемых свойств. «Тренировка» определяет форму, которую сплав запомнит при нагревании. Это происходит за счет нагрева сплава так, чтобы вывихи переупорядочить в стабильные позиции, но не настолько, чтобы материал перекристаллизовывается. Они нагреваются до 400 ° С и 500 ° С в течение 30 минут, формуют в горячем состоянии, а затем быстро охлаждают путем закалки в воде или путем охлаждения воздухом.

Свойства

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 достигать 500 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 могут использоваться 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 до 8% для некоторых сплавов. Это сопоставимо с максимальной нагрузкой 0.5% для обычных сталей.

Практические ограничения

SMA имеет много преимуществ по сравнению с традиционными приводами, но страдает рядом ограничений, которые могут препятствовать практическому применению. В многочисленных исследованиях подчеркивалось, что лишь 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.[25] Проблемы 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.[26]

Время отклика и симметрия отклика

Приводы SMA обычно приводятся в действие электрически, когда электрический ток приводит к Джоулевое нагревание. 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. Был предложен ряд методов сокращения времени дезактивации SMA, в том числе принудительная конвекция,[27] и изоляцию SMA проводящим материалом, чтобы управлять скоростью теплопередачи.

Новые методы для повышения осуществимости приводов SMA включают использование проводящего "отставание ". В этом методе используется термопаста для быстрой передачи 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. метод приводит к значительному сокращению времени деактивации и симметричному профилю активации. теплопередача Скорость, требуемый ток для достижения заданной силы срабатывания увеличивается.[28]

Сравнительная характеристика зависимости силы от времени для сплава Ni-Ti с памятью формы без покрытия и с отставанием.[29]

Структурная усталость и функциональная усталость

SMA подвержен структурной усталости - режиму разрушения, при котором циклическое нагружение приводит к зарождению 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 отказа, не типичному для большинства конструкционных материалов, в результате чего SMA не разрушается структурно, а со временем теряет свои характеристики памяти формы / сверхупругости. В результате циклической нагрузки (как механической, так и термической) материал теряет способность претерпевать обратимые фазовые превращения. Например, рабочий объем привода уменьшается с увеличением числа циклов. Физика, лежащая в основе этого, заключается в постепенном изменении микроструктуры, а точнее, в нарастании аккомодации. вывихи. Часто это сопровождается значительным изменением температуры превращения.[30] Конструкция приводов SMA также может влиять как на структурную, так и на функциональную усталость SMA, например, конфигурации шкивов в системе SMA-Pulley.[31]

Непреднамеренное срабатывание

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

Приложения

Промышленное

Самолеты и космические аппараты

Боинг, Авиационные двигатели General Electric, Goodrich Corporation, НАСА, Техасский университет A&M и All Nippon Airways разработал шеврон с изменяемой геометрией с использованием NiTi SMA. Такая конструкция веерного сопла с изменяемой площадью поверхности (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.[32]

SMA исследуются как гасители вибрации для ракет-носителей и коммерческих реактивных двигателей. Большое количество гистерезис Наблюдаемый во время сверхупругого эффекта позволяет СПП 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.[33] SMA также обладают потенциалом для других применений с высокими ударными нагрузками, таких как шарикоподшипники и шасси.[34]

Также существует большой интерес к использованию SMA для различных приложений исполнительных механизмов в коммерческих реактивных двигателях, что значительно снизит их вес и повысит эффективность.[35] Однако в этой области необходимо провести дальнейшие исследования, чтобы повысить температуры превращения и улучшить механические свойства этих материалов, прежде чем их можно будет успешно реализовать. Обзор последних достижений в области высокотемпературных сплавов с памятью формы (HTSMA) представлен Ma et al.[19]

Также исследуются различные технологии трансформации крыльев.[33]

Автомобильная промышленность

Первый крупносерийный продукт (> 5 млн приводов в год) - автомобильный клапан, используемый для регулирования низкого давления. пневматический мочевой пузырь в автомобильное сиденье регулирующие контур поясничной опоры / валиков. Общие преимущества SMA над 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 применений, включая электрические генераторы для выработки электроэнергии из тепла выхлопных газов и воздушные заслонки по запросу для оптимизации аэродинамики на различных скоростях.

Робототехника

Также были ограниченные исследования использования этих материалов в робототехника, например робот-любитель Стикито (и "Роботфрау Лара"[36]), поскольку они позволяют создавать очень легких роботов. Недавно Loh et al. Представили протез руки. который может почти копировать движения человеческой руки [Loh2005]. Другие области применения биомиметики также изучаются. Слабые стороны технологии - энергоэффективность, медленное время отклика, и большой гистерезис.

Биоинженерная роботизированная рука

Есть несколько прототипов роботизированной руки на основе SMA, которые используют эффект памяти формы (SME) для перемещения пальцев.[37]

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 использованием проводов SMA для гашения вибраций.[38]

Трубопровод

Первым потребительским коммерческим приложением было связь с памятью формы для трубопроводов, например нефтепроводы для промышленного применения, водопроводные трубы и аналогичные типы трубопроводов для бытового / коммерческого применения.

Телекоммуникации

Второе крупномасштабное приложение было автофокус (AF) привод для смартфон. В настоящее время несколько компаний работают над оптическая стабилизация изображения (OIS) модуль, управляемый проводами из SMA[нужна цитата ]

Лекарство

Сплавы с памятью формы применяются в медицине, например, в качестве фиксаторов для остеотомии в Ортопедической хирургии, как привод в хирургических инструментах; активные управляемые хирургические иглы для малоинвазивных чрескожный онкологические вмешательства при хирургических вмешательствах, таких как биопсия и брахитерапия,[39] в брекеты для приложения постоянных движущих сил на зубах, в Капсульная эндоскопия их можно использовать в качестве триггера для проведения биопсии.

В конце 1980-х годов коммерческое использование Нитинол как передовая технология в ряде малоинвазивных эндоваскулярных медицинских приложений. Будучи более дорогостоящими, чем нержавеющая сталь, саморасширяющиеся свойства нитиноловых сплавов, изготовленных в соответствии с BTR (температурный отклик тела), представляют собой привлекательную альтернативу устройствам, расширяемым баллоном в стент-графты где он дает возможность адаптироваться к форме определенных кровеносных сосудов при воздействии температуры тела. В среднем, 50% всех периферических сосудов стенты в настоящее время доступные на мировом рынке, производятся с нитинолом.

Оптометрии

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

Ортопедическая хирургия

Металл памяти был использован в ортопедическая хирургия как фиксирующе-компрессионное устройство для остеотомии, как правило, для процедур 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.[40]

Стоматология

Спектр приложений для SMA с годами вырос, и основной областью развития является стоматология. Одним из примеров является распространенность брекеты использование технологии SMA для приложения постоянных движущих сил на зубах; нитинол дуга был разработан в 1972 г. ортодонт Джордж Андреасен.[41] Это произвело революцию в клинической ортодонтии. Сплав Андреасена обладает структурной памятью формы, расширяясь и сжимаясь в заданных температурных диапазонах благодаря своему геометрическому программированию.

Хармит Д. Валиа позже использовали сплав в производстве файлов корневых каналов для эндодонтия.

Эссенциальный тремор

Традиционные методы активного подавления тремора используют электрические, гидравлические или пневматические системы для приведения в действие объекта в направлении, противоположном возмущению. Однако эти системы ограничены из-за большой инфраструктуры, необходимой для получения больших амплитуд мощности на частотах тремора человека. SMA зарекомендовали себя как эффективный метод срабатывания в портативных приложениях и позволили создать устройства активного подавления тремора нового класса.[42] Одним из недавних примеров такого устройства является Посуда ложка, разработанная Воистину науки о жизни филиал Lift Labs.

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 Риджуэй Бэнкс.

Ремесла

Продаются небольшими круглыми кусками для использования в браслетах без прикрепления.

Отопление и охлаждение

Немецкие ученые на Саарский университет изготовили прототип машины, которая передает 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, когда проволока переходит из своего «сверхупругого» состояния в ненагруженное. Согласно недавней статье, опубликованной Саарландским университетом, эффективность передачи тепла оказывается выше, чем у обычного теплового насоса или кондиционера.[43]

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

Материалы

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

  • Ag-Cd 44/49 ат.% Cd
  • Au-Cd 46,5 / 50 ат.% Cd
  • Co-Ni-Al[44]
  • 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[45]
  • Ti-Nb

использованная литература

  1. ^ Wilkes, Kenneth E .; Liaw, Питер К .; Уилкс, Кеннет Э. (октябрь 2000 г.). «Усталостное поведение сплавов с памятью формы». JOM. 52 (10): 45–51. Bibcode:2000JOM .... 52j..45Вт. Дои: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 применением». Le Journal de Physique IV. 05 (C2): C2-335 – C2-341. Дои:10.1051 / jp4: 1995251.
  3. ^ «Сплавы с памятью формы». Свойства и выбор: цветные сплавы и материалы специального назначения. 1990. С. 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. ^ Вс, л .; Хуанг, В. М. (21 мая 2010 г.). «Природа многоступенчатого превращения в сплавах с памятью формы при нагревании». Металловедение и термическая обработка. 51 (11–12): 573–578. Bibcode:2009МШТ ... 51..573С. Дои:10.1007 / s11041-010-9213-х. S2CID  135892973.
  6. ^ Михальч, Иштван (2001). «Основные характеристики и метод расчета никель-титанового сплава с памятью формы». Периодика Политехника Машиностроение. 45 (1): 75–86.
  7. ^ а б К. Оцука; СМ. Wayman, ред. (1999). Материалы с памятью формы (PDF). Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-66384-9.[страница нужна ]
  8. ^ Duerig, T.W .; Пелтон, А. (1994). «Сплавы Ti-Ni с памятью формы». В Герхарде Велше; Родни Бойер; Э. У. Коллингс (ред.). Справочник по свойствам 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. Дои: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. Дои:10.1016 / 0956-716X (95) 00174-Т.
  11. ^ Кортни, Томас Х. (2000). Механическое поведение материалов (2-е изд.). Бостон: Макгроу Хилл. ISBN  0070285942. OCLC  41932585.
  12. ^ Otsuka, K .; Рен, X. (июль 2005 г.). «Металловедение 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.
  13. ^ «Определение сплава с памятью формы». smart.tamu.edu. Получено 2019-05-24.
  14. ^ Учебное пособие по обучению форм сплава с памятью формы. (PDF). Проверено 4 декабря 2011.
  15. ^ Казухиро Оцука; Рен, Сяобин (1997). «Происхождение резиноподобного поведения металлических сплавов». Природа. 389 (6651): 579–582. Bibcode:1997Натура.389..579р. Дои:10.1038/39277. ISSN  1476-4687. S2CID  4395776.
  16. ^ 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 в инженерии. 2013: 1–13. Дои:10.1155/2013/963530. ISSN  1024–123X.
  17. ^ Shaw, J .; Кириакидес, С. (1995). «Термомеханические аспекты NiTi». Журнал механики и физики твердого тела. 43 (8): 1243–1281. Bibcode:1995JMPSo..43.1243S. Дои:10.1016 / 0022-5096 (95) 00024-D.
  18. ^ Чоудхури, Пияс; Сехитоглу, Хусейн (2017). «Возвращение к атомистическому обоснованию скольжения в сплавах с памятью формы». Прогресс в материаловедении. 85: 1–42. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2016.10.002. ISSN  0079-6425.
  19. ^ а б Ma, J .; Караман, И .; Ноэбе, Р. Д. (2010). «Высокотемпературные сплавы с памятью формы». Международные обзоры материалов. 55 (5): 257. Дои:10.1179 / 095066010x12646898728363.
  20. ^ Tanaka, Y .; Химуро, Y .; 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. Дои:10.1126 / science.1183169. ISSN  0036-8075. PMID  20299589. S2CID  9536512.
  21. ^ Франкель, Дана Дж .; Олсон, Грегори Б. (2015). "Разработка упрочненных методом осаждения сплавов на основе NiTi и PdTi по Heusler для циклических характеристик". Память формы и сверхупругость. 1 (2): 162–179. Bibcode:2015ШМэС ... 1 ... 17F. Дои:10.1007 / s40830-015-0017-0. ISSN  2199–384X.
  22. ^ San Juan, J .; Нет, M.L. (2013). «Сверхупругость и память формы в наномасштабе: влияние размера на мартенситное превращение». Журнал сплавов и соединений. 577: S25 – S29. Дои:10.1016 / j.jallcom.2011.10.110.
  23. ^ Кауфман, Джордж и Исаак Мэйо (октябрь 1993 г.). "Металл памяти" (PDF). ChemMatters: 4–7.
  24. ^ Устная история Уильяма Дж. Бюлера. wolaa.org.
  25. ^ 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. Дои:10.1177 / 1045389X16679296. S2CID  138509568.
  26. ^ M. Jani, J .; Лири, М .; Субик, А .; Гибсон, Марк А. (2014). «Обзор исследований, приложений и возможностей сплавов с памятью формы». Материалы и дизайн. 56 (5): 1078–1113. Дои:10.1016 / j.matdes.2013.11.084.
  27. ^ Lara-Quintanilla, A .; Hulskamp, ​​A. W .; Берси, Х. Э. (октябрь 2013 г.). «Высокопроизводительный привод из сплава с памятью формы для управления аэродинамической нагрузкой на ветряные турбины». Журнал интеллектуальных материальных систем и структур. 24 (15): 1834–1845. Дои:10.1177 / 1045389X13478271. S2CID  110098888.
  28. ^ Хуанг, S; Лири, Мартин; Атталла, Укротитель; Пробст, К; Субик, А (2012). «Оптимизация времени отклика сплава Ni – Ti с памятью формы с помощью анализа нестационарного теплообмена». Материалы и дизайн. 35: 655–663. Дои:10.1016 / j.matdes.2011.09.043.
  29. ^ 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.
  30. ^ Миядзаки, S .; Kim, H. Y .; Хосода, Х. (2006). «Разработка и характеристика безнижниковых сплавов с памятью формы на основе Ti и сверхупругих сплавов». Материаловедение и инженерия: A. 438–440: 18–24. Дои:10.1016 / j.msea.2006.02.054.
  31. ^ 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. Дои:10.1088/0964-1726/25/5/057001.
  32. ^ Mabe, J. H .; Calkins, F.T .; Алкислар, М. Б. (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 интеллектуальных структур, 2008 г.. Промышленное и коммерческое применение технологий интеллектуальных структур 2008. 6930. с. 69300T. Дои:10.1117/12.776816. S2CID  111594060.
  33. ^ а б Lagoudas, D.C .; Хартл, Д. Дж. (2007). «Аэрокосмическое применение сплавов с памятью формы». Труды Института инженеров-механиков, Часть G: Журнал аэрокосмической техники. 221 (4): 535. Дои:10.1243 / 09544100jaero211.
  34. ^ ДеллаКорте, К. (2014) Новые сверхэластичные материалы для сложных подшипников.
  35. ^ 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. Интеллектуальные структуры и материалы 2006: Промышленное и коммерческое применение технологий интеллектуальных структур. 6171. стр. 61710F. Дои:10.1117/12.669027. S2CID  108583552.
  36. ^ Проект Лара - G1 и G2. Lararobot.de. Проверено 4 декабря 2011.
  37. ^ Duerig, T.W .; Melton, K.N .; Профт, Дж. Л. (1990), "Сплавы с памятью формы с широким гистерезисом", Технические аспекты сплавов с памятью формы, Elsevier, стр. 130–136, Дои:10.1016 / b978-0-7506-1009-4.50015-9, ISBN  9780750610094
  38. ^ Песня, G .; Мужчина.; Ли, Х. -Н. (2006). «Применение сплавов с памятью формы в строительных конструкциях». Инженерные сооружения. 28 (9): 1266. Дои:10.1016 / j.engstruct.2005.12.010.
  39. ^ Карими, Саид; Кон, Бардия (2019). «Управляемая активная хирургическая игла 3D». Конференция по дизайну медицинских изделий 2019. Дои:10.1115 / DMD2019-3307. ISBN  978-0-7918-4103-7.
  40. ^ 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. Дои:10.7547/0960102. PMID  16546946. S2CID  29604863.
  41. ^ Некролог доктора Андреасена. Нью-Йорк Таймс (1989-08-15). Проверено в 2016 году.
  42. ^ Патхак, Анупам (2010). Разработка технологии срабатывания антагонистической СМА для активного подавления тремора человека (Тезис). HDL:2027.42/76010.
  43. ^ Саарский университет (13 марта 2019 г.). «Исследовательская группа использует искусственные мышцы для разработки кондиционера будущего». Phys.org.
  44. ^ Дилибал, С .; Sehitoglu, H .; Гамильтон, Р. Ф .; Maier, H.J .; Чумляков Ю. (2011). «Об изменении объема Co – Ni – Al при псевдоупругости» (PDF). Материаловедение и инженерия: A. 528 (6): 2875. Дои:10.1016 / j.msea.2010.12.056.
  45. ^ Гамильтон, Р. Ф .; Дилибал, С .; Sehitoglu, H .; Майер, Х. Дж. (2011). «Основной механизм двойного гистерезиса в монокристаллах NiMnGa». Материаловедение и инженерия: A. 528 (3): 1877. Дои:10.1016 / j.msea.2010.10.042.

внешние ссылки

СМИ, связанные с Материалы с памятью формы в Wikimedia Commons