TEORIA

Materiały z pamięcią kształtu

Charakterystyka

Materiały z pamięcią kształtu (SMA) są unikatową klasą stopów metali, które moga zmieniać kształt, przy podgrzaniu powyżej pewnej temperatury. Zmiana kształtu polega na powrocie materiału do kształtu wyjściowego, tego który został "zapamiętany" lub na tzw. efekcie pseudoelastyczności. Materiały te posiadają dwie stabilne fazy: fazę wysokotemperaturową (austenit) i niskotemperaturową (martenzyt). Dodatkowo, faza martenzytyczna występuje w dwóch formach: zbliźniaczonej i zbliźniaczonej zniekształconej.

Stopy z pamięcią kształtu mają zdolność powracania, w odpowiednich warunkach, do nadanego im wcześniej kształtu. Związane z tym odkształcenia wynoszą dla polikryształów 1-8%, a dla monokryształów do 15%. Energia wyzwalana przy odkształcaniu jest rzędu 106-107 J/m2. Zjawiskiem fizycznym wywołującym zmianę kształtu jest odwracalna przemiana martenzytyczna. W stopach z pamięcią kształtu może występować jednokierunkowy efekt pamięci kształtu (materiał odkształcony w stanie martenzytycznym powraca po nagrzaniu do kształtu nadanego przy istnieniu fazy wysokotemperaturowej), dwukierunkowy efekt pamięci kształtu (przejście od kształtu nadanego w stanie martenzytycznym do kształtu nadanego przy istnieniu fazy wysokotemperaturowej jest odwracalne i odbywa się bez udziału naprężeń), oraz zjawisko psuedosprężystości (odkształcenie w wyniku przemiany martenzytycznej indukowanej naprężeniami). Bodźcem aktywującym zmianę kształtu jest zmiana temperatury, co ogranicza częstotliwość pracy SMA do 102 Hz. Istnieje grupa stopów posiadających tzw. magnetyczną pamięć kształtu, w których przemiana martenzytyczna aktywowana jest polem magnetycznym (częstotliwość pracy może być większa). Atrakcyjnymi materiałami są kompozyty zawierające SMA (wykorzystywane np. jako materiały tłumiące drgania) oraz tzw. heterostruktury, w których SMA występują w postaci cienkich warstw i stanowią np. mikroaktuatory w systemach mikroelektromechanicznych (MEMS).

Przejście pomiędzy fazami austenitu i martenzytu pod wpływem ogrzania (ochłodzenia) jest podstawową cechą determinującą własności materiałów z pamięcią kształtu. Kluczowe efekty tych materiałów związane ze wspomnianą transformacją faz to: pseudoelastyczność i efekt pamięci kształtu.

Pod wpływem ochłodzenia (przy braku obciążenia) materiał przechodzi z fazy austenitu w zbliźniaczony martenzyt. W efekcie tej transformacji zachodzi niewidoczna, makroskopowa zmiana kształtu. Pod wpływem ogrzania, zachodzi odwrócenie poprzedniej przemiany i w rezultacie otrzymujemy austenit. Proces ten zobrazowany jest na poniższym rysunku .

Określone są cztery progi temperatur:

"  temperatura inicjująca przemianę martenzytyczną M 0s , która jest temperaturą w której zachodzi przemiana austenitu w martenzyt

"  temperatura kończąca przemianę martenzytyczną M 0f , przy której transformacja jest kompletna i cały materiał jest fazie martenzytu

"  temperatura inicjująca przemianę austenityczną (A 0s ), po osiągnięciu której zaczyna się transformacja odwrotna (austenit w martenzyt)

"  temperatura kończąca przemianę austenityczną (A 0f ), przy której cały materiał występuje w fazie austenitu.

Temperaturowa przemiana fazowa przy przyłożonym obciążeniu.

Jeśli do materiału występującego w fazie zbliźniaczonego martenzytu przyłożone zostanie obciążenie (przy niskiej temperaturze), możliwa jest przemiana w martenzyt zbliźniaczony zniekształcony. Po ustąpieniu sił zewnętrznych materiał pozostaje zdeformowany. Jeśli w tym stanie materiał zostanie ogrzany do temperatury przekraczającej A 0f , nastąpi przemiana martenzytu w austenit, co spowoduje przywrócenie poprzedniego, "macierzystego" kształtu (rysunek poniżej). Przedstawiony powyżej proces przedstawia ideę efektu pamięci kształtu.

Jest także możliwe żeby przeprowadzić transformację martenzytyczną, która doprowadzi bezpośrednio do fazy struktury zbliźniaczonej zniekształconej. Jeśli obciążenie jest przyłożone gdy materiał jest w fazie austenitu, przemiana fazowa zakończy się na martenzycie zbliźniaczonym zniekształconym. Wtedy następują znaczne odkształcenia, rzędu 5-8%. Ponowne ogrzanie materiału wywołuje powrót do pierwotnego kształtu (rysunek poniżej).

W tym przypadku temperatury przemiany fazowej silnie zależą od wielkości przyłożonych sił zewnętrznych. Im większe przyłożone obciążenie, tym większe wartości temperatur transformacji (rysunek powyżej).

Pseudoelastyczność

Możliwe jest przeprowadzenie przemiany fazowej także dzięki przyłożonemu obciążeniu (bez zmiany temperatury). Wynikiem takiej transformacji jest marteznyt zbliźniaczony zniekształcony oraz bardzo duże odkształcenia. W przypadku gdy temperatura materiału jest wyższa od A 0f , całkowite odzyskanie pierwotnego kształtu zachodzi gdy ustępuje obciążenie; efekt ten przypomina elastyczność, stąd jego nazwa - pseudoelastyczność.

Typy stopów z pamięcią kształtu

Najpowszechnej i najczęściej stosowanymi materiałami z pamięcią kształtu są stopy niklowo-tytanowe Ni-Ti. Ogólna nazwa tych stopów to Nitinol. Po raz pierwszy odkryto ich szczególne właściwoœci w 1961 roku w Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory.

Skład stopów Ni-Ti może zmieniać się od 48% do 52% i ma duży wpływ na temperaturę przemiany fazy wysokotemperaturowej w martenzyt (temperatura ta może zmieniać się od -40 do 100 stopni Celsjusza ). Stopy te posiadają najlepsze właściwości wśród SMA - w polikrysztale można uzyskać odwracalne odkształcenie 8% i naprężenie przy powrocie do poprzedniego kształtu dochodzące do 800 MPa. W wielu przypadkach przemiana martenzytyczna zachodzi poprzez romboedryczną fazę (jej występowanie zależy od składu chemicznego, dodatków stopowych i obróbki termomechanicznej). Stopy Ni-Ti są często domieszkowane innymi pierwiastkami w celu: (1) zmniejszenia (cu) lub zwiększenia (Nb) histerezy, (2) obniżenia temperatury przemiany (Fe, Cr, Co, Al.) podwyższenia temperatury przemiany (Hf, Zr, Pd, Pt, Au) umocnienia osnowy (Mo, W, O, C). Najważniejsze stopy potrójne to Ni-Ti-Cu i Ni-Ti-Nb.

Istnieje kilka metod produkcji Nitinolu. Obecne techniki otrzymywania stopów Ni-Ti opierają się na próżniowym stapianiu metali.

Własności Nitinolu zależą od składu chemicznego stopu oraz metody jego otrzymania. Nitinol ulega stopieniu powyżej temperatury 1240 stopni Celsjusza (1240stopni Celsjusza do 1310 stopni Celsjusza), jego gęstość wynosi 6,5 g/cm 3 .

Polimery z pamięcią kształtu.

Polimery charakteryzujące się pamięcią kształtu (SMP) są stosunkowo nowym rodzajem materiałów inteligentnych. Odznaczają się one licznymi zaletami w porównaniu do stopów metali z pamięcią kształtu, takimi jak: mała gęstość (od 1,0 do 1,3 g/cm3 ), znaczne odwracalne odkształcenia (maksymalny współczynnik powrotu powyżej 400%), niskie koszty wytwarzania i łatwość przetwórstwa. Najbardziej popularnymi SMP są poliuretany segmentowe, m.in. dlatego, że łatwo jest je wytworzyć. Ponadto charakteryzują się one dużą odpornością na działanie rozpuszczalników organicznych i roztworów wodnych, odpornością promieniowanie UV, mogą być biozgodne. Poprzez zmianę budowy segmentów, ich długości i udziału można wpływać na właściwości otrzymywanych poliuretanów, w tym także na efekt pamięci kształtu.

Zjawisko pamięci kształtu polimerów polega na powrocie polimeru do kształtu pierwotnego, po zdjęciu obciążenia wywołującego zmianę kształtu i po ogrzaniu polimeru do temperatury wyższej niż temperatura jego przemiany zeszklenia (Tg). Siłą napędową tego unikatowego zjawiska są mikroruchy Brona w temperaturze powyżej Tg, a nie jak w przypadku SMA zmiany mikrostruktury wywołane przemianami fazowymi. Przejawia się tendencja powrotu polimeru do stanu o minimalnej energii. Inaczej jak w SMA w polimerach nie można osiągnąć wzrostu siły napędowej powrotu do kształtu wyjściowego poprzez ciągły wzrost temperatury (znacznie powyżej Tg). Zjawisko pamięci kształtu w polimerach charakteryzują znaczne wartości wywoływanych odkształceń i duzą szybkość powrotu do stanu wyjściowego.

Przykładem SMP są termoplastyczne poliuretany, dla których temperatura zeszklenia może wynosić od -70 do 70 stopni Celsjusza, wytwarzane przez Mitsubishi Heavy Industries, czy Nagoya R&D Centem w Japonii. Zjawisko pamięci kształtu może też by wykorzystywane w elastycznych piankach poliuretanowych o porowatości otwartej, prasowanych i przechowywanych w temperaturze znacznie niższej niż Tg poliuretanu. Po ogrzaniu do temperatury wyższej od Tg pianka powraca do pierwotnych wymiarów. Potencjalne zastosowanie takich pianek można znaleźć w budownictwie oraz w przemyśle kosmicznym.

SMP znalazły zastosowanie między innymi jako czujniki temperatury, w medycynie natomiast jako inteligentne szwy chirurgiczne, które po nałożeniu samoczynnie zacieśniają się na zesztywniałej ranie.

Zastosowanie

Obecnie jedno- i dwu- kierunkowy efekt pamięci kształtu, występujące w tych stopach powodują ich coraz szersze zastosowanie w wielu gałęziach techniki jak: lotnictwo (np. złączki rurowe w instalacjach hydraulicznych, aktywne sterowanie pochyleniem łopat wirników śmigłowca), elektronika i automatyka i robotyka (np. siłowniki, czujniki temperatury, przełączniki czy sztuczne mięśnie), telekomunikacja i urządzenia kosmiczne (np. anteny telefonów komórkowych, anteny satelitarne), motoryzacja (np. regulatory przepływu paliwa, czujniki i przełączniki), aparatura medyczna (np. mikro pompy, mikro silniki ciała stałego, dożylne filtry skrzepów, klamry chirurgiczne), medycyna (druty ortodontyczne, implanty długo- i krótkookresowe, igły do lokalizacji guzów piersi, rdzenie drutów prowadzących, napinacze, implanty do rozszerzania np. żył, filtry krwi, urządzenia do okluzji, urządzenia ortopedyczne, klamry i płytki do osteosyntezy, gwoździe kostne, tulejki dystansowe do leczenia schorzeń kręgosłupa, zaciski, narzędzia chirurgiczne o kształcie dostosowanym do pacjenta w czasie operacji, aktywne endoskopy), produkty konsumpcyjne (oprawki okularów, termostatyczne zawory grzejników mieszkaniowych i inne).

Podnoszą bezpieczeństwo transportu lotniczego, pozwalają na oszczędność materiałów i nakładów pracy, zwiększają ochronę zdrowia człowieka. Elementy urządzeń wykonanych z materiałów z pamięcią kształtu mogą pracować nie tylko jako elementy wytrzymałościowe, lecz mogą także stanowić samodzielne mechanizmy.

Historia

Stopy nikolowo - tytanowe zostały po raz pierwszy stworzone w latach 1962 - 1963 w laboratorium Naval Ordnance Laboratory i skomercjalizowane pod nazwą Nitinol (nazwę zaczerpnięto od pierwszych liter członu Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories). Ich niezwykłe własności zostały odkryte przypadkowo. Próbka takiego metalu, która była wielokrotnie zginana została zaprezentowana na spotkaniu zarządu laboratorium. Jeden z dyrektorów technicznych, dr David S. Muzzey chciał zobaczyć co się stanie, jeśli próbkę podda się działaniu podwyższonej temperatury. Ku zdumieniu obecnych próbka po ogrzaniu powróciła do swojego oryginalnego kształtu.

Opracowano na podstawie materiałów: Inżynieria materiałowa (2/2004), www.azom.com, www.memory-metalle.de, www.stanford.edu, www.grikin.com, www.nitinol.info, www.smart.tamu.edu, www.imagesco.com, www.memry.com, www.wikipedia.com i inne

Robot Lara ze sztucznymi mięśniami wykonanywmi z materiałów z pamięcią kształtu