Ֆորմայի հիշողության համաձուլվածքներ. Նյութեր, որոնք երբեք չեն մոռանում

Պատկերացրեք մետաղական մալուխ, որը կարող եք ծալել, խեղդել կամ ձեւափոխել ցանկացած ձեւով, բայց այն կվերադառնա իր սկզբնական ձեւին այն պահին, երբ մի փոքր ջերմություն եք կիրառում: Այս ուշագրավ վարքագիծը գիտական ֆանտաստիկայի բնույթ չունի: Դա բնորոշ է նյութերի դասի, որը հայտնի է որպես մետաղադրամներ, որոնք ներառում են այս ինտելեկտուալ նյութերը ունեն «հիշելու» նախնական որոշված ձևը և դեֆորմացիայից հետո վերադառնալու դեպի այդ ձևը կարողություն, ինչը դրանք անգնահատելի է դարձնում բժշկական ճարտարագիտությունից մինչև օդագնացություն ընդգրկող բոլոր ոլորտներում։

Ի՞նչ են ձևի հիշման համաձուլվածքները

Ձևի հիշման համաձուլվածքները մետաղական նյութեր են, որոնք ցուցադրում են երկու եզակի հատկություններ՝ ձևի հիշման էֆեկտը և սուպերէլաստիկությունը (այլ կերպ ասած՝ փսևդոէլաստիկությունը)։ Սովորական մետաղներից տարբերվելով, որոնք ծակում են մշտական պլաստիկ դեֆորմացիա, երբ ծալվում կամ ձգվում են, ձևի հիշման համաձուլվածքները (SMA-ները) կարող են վերականգնել մեծ դեֆորմացիաներ՝ երբեմն մինչև 8 % ձգում, պարզապես ջերմաստիճանը փոխելով կամ վերացնելով մեխանիկական լարումը։

Ամենատարածված և առևտրային հաջողություն ունեցող ձևի հիշող համաձուլվածքը Նիտինոլն է՝ նիկելի և տիտանի մոտավորապես հավասարատոմային համաձուլվածք (զանգվածով մոտավորապես 55 % նիկել և 45 % տիտան): Այս անվանումը ստացել է իր բաղադրությունից («Nickel Titanium») և Նավատորմի զենքի լաբորատորիայից (Naval Ordnance Laboratory), որտեղ այն հայտնաբերվել է 1960-ականներին: Այլ ձևի հիշող համաձուլվածքների շարքում են պղնձի հիմքի վրա հիմնված համակարգերը, օրինակ՝ Cu-Zn-Al և Cu-Al-Ni, ինչպես նաև երկաթի և արծաթի հիմքի վրա հիմնված համաձուլվածքները, սակայն Նիտինոլը մնում է գերակշռող՝ իր գերազանց մեխանիկական հատկությունների, կոռոզիայի դեմ կայունության և կենսահամատեղելիության շնորհիվ:

Հիշողության գիտությունը

Ձևի հիշող համաձուլվածքների ձևը «հիշելու» մեխանիզմը հասկանալու համար անհրաժեշտ է դիտարկել ատոմային մակարդակում: ՁՀՀ-ները կատարում են հակադարձելի պինդ վիճակի փուլային վերափոխում, որը կոչվում է մարտենսիտային վերափոխում այս վերափոխումը տեղի է ունենում երկու տարբեր բյուրեղային կառուցվածքների միջև՝ բարձր ջերմաստիճանում գոյություն ունեցող աուստենիտ և ցածր ջերմաստիճանում գոյություն ունեցող մարտենսիտ .

Աուստենիտ (ծնողական փուլը) սովորաբար խորանարդային, բարձր կարգավորված բյուրեղային կառուցվածք է: Այն գոյություն ունի, երբ նյութը տեղակայված է որոշակի ջերմաստիճանային միջակայքից վեր՝ հայտնի որպես աուստենիտի վերջնական մեջ վերածման ջերմաստիճան (A_f): Այս վիճակում համաձուլվածքը ուժեղ է և պահպանում է իր «հիշված» ձևը:

Մարտենսիտ (արտադրանքի փուլը) առաջանում է, երբ համաձուլվածքը սառեցվում է M_f մարտենսիտի վերջնական մեջ վերածման ջերմաստիճանից ցածր: Բյուրեղային կառուցվածքը վերափոխվում է ավելի բարդ, հաճախ երկակի կառուցվածքի: Այս վիճակում նյութը ավելի մեղմ է և հեշտությամբ դեֆորմացվում է: Դեֆորմացիան տեղի է ունենում ոչ սովորական մետաղներում բնորոշ սահմանային մեխանիզմով, այլ այսպես կոչված երկակիացման վերացում — մարտենսիտի բյուրեղային կառուցվածքի ներսում ներքին սահմանների շարժումը: Սա հնարավորություն է տալիս նյութին ընդունել մեծ ձգումներ՝ առանց մշտական վնասի:  

Ձևի հիշման էֆեկտը ստացվում է ճշգրիտ վերահսկվող ջերմային ցիկլի միջոցով.

Ծրագրավորում. Համաձուլվածքը տաքացվում է A_f-ից բարձր՝ աուստենիտ ստանալու համար, և նրան տրվում է ցանկալի «հիշված» ձևը:

Cooling: Այս համաձուլվածքը սառեցվում է M_f-ից ցածր, ինչը նրան վերածում է մարտենսիտի: Այս վիճակում այն համեմատաբար հեշտությամբ կարող է ծալվել, պտտվել կամ ձգվել:

Դեֆորմացիա. Նյութը դեֆորմացվում է մարտենսիտային վիճակում: Դեֆորմացիան պահպանվում է, քանի որ մարտենսիտային կառուցվածքը կայուն է ցածր ջերմաստիճանում:

Վերականգնում: Ջերմաստիճանը բարձրացնելով A_f-ից վեր, մարտենսիտը վերածվում է աուստենիտի: Քանի որ աուստենիտը կարող է գոյություն ունենալ միայն սկզբնական, բարձր ջերմաստիճանում գտնվող բյուրեղային կառուցվածքում, նյութը ստիպված վերադառնում է իր նախածրագրված ձևին՝ գործընթացում մեծ ուժ առաջացնելով:

Եթե համաձուլվածքը դեֆորմացվի աուստենիտային վիճակում (A_f-ից վեր), այն կարող է ցուցաբերել սուպերէլաստիկություն փոխարենը պլաստիկ դեֆորմացիայի՝ նյութը ենթարկվում է լարվածության առաջացրած փոխակերպման՝ աուստենիտից մարտենսիտի: Երբ լարվածությունը վերացվում է, մարտենսիտը վերադառնում է աուստենիտի վիճակին, և նյութը վերականգնվում է իր սկզբնական ձևին: Այս հատկությունը թույլ է տալիս սուպերէլաստիկ Նիտինոլի լարերին ծալվել սեղմ կորերով և անմիջապես վերականգնվել՝ այս վարքագիծը օգտագործվում է բժշկական ուղեցույցներում և ակնոցների շրջանակներում:

Հիմնական հատկություններ և առավելություններ

Ձևի հիշման համաձուլվածքները միավորում են հատկությունների մի շարք, որոնք դրանք տարբերակում են սովորական ճարտարագիտական նյութերից.

Բարձր վերականգնվող դեֆորմացիա. ՁՀՀ-ները կարող են վերականգնել մինչև 8 % դեֆորմացիա, որը զգալիորեն գերազանցում է սովորական մետաղների սահմանային էլաստիկությունը (սովորաբար 0,5 %-ից պակաս):

Գործարկման ուժ. Ձևի վերականգնման ընթացքում ՁՀՀ-ները կարող են առաջացնել զգալի ուժեր, ինչը դրանք դարձնում է օգտակար որպես պինդ մարմնի գործարկիչներ:

Կենսահատուկ համատեղելիություն. Մասնավորապես Նիտինոլը բարձր կենսահամատեղելի է և դիմացկուն է մարմնի հեղուկներում կոռոզիայի նախատիպին, ինչը դրան դարձրել է բժշկական սարքավորումների հիմնարար բաղադրիչ:

Շարժման թույլատրելի սահման: Մարտենսիթային փուլը ցուցադրում է հիանալի ցնցումների թուլացում, որն օգտակար է կառուցվածքային կիրառություններում:

Վարժունակության դիմացկունություն. Շատ SMA- ները կարող են ենթարկվել հարյուր հազարավորից մինչեւ միլիոնավոր փոխակերպման ցիկլերի մինչեւ ձախողում, կախված կիրառությունից:

Կիրառումներ տարբեր արդյունաբերություններում

Գծերի հիշողության դարպասների եզակի կարողությունները հնարավորություն են տվել նորարարություններ կատարել, որոնք անհնար կլինեին սովորական նյութերի հետ:

Կենսամեդիցինական սարքեր

Բիոմեդիկայի ոլորտը, հավանաբար, ձեւի հիշողության ալյուի ամենամեծ սպառողն է: Նիտինոլի կենսամարմնարականությունը, գերէլաստիկությունը եւ ձեւի հիշողության ազդեցությունը հեղափոխություն են բերել նվազագույն ինվազիվ վիրահատության մեջ:

Սթենտներ Ինքնագծվող Նիտինոլ ստենտները սեղմվում են փոքր տրամագծով, տեղադրվում են արյան անոթի կամ արյան հյուսվածքի մեջ, ապա ջեռուցվում են մարմնի ջերմությամբ, որպեսզի անոթը ընդլայնվի եւ բաց մնա: Այսպիսով շատ դեպքերում չի պահանջվում օդապարիկի ընդլայնում:

Կառավարիչ լարեր եւ կաթետերներ. Նիտինոլի գերէլաստիկ մալուխները բացառիկ ճկունություն եւ հակվածության դիմադրություն են ապահովում, ինչը թույլ է տալիս վիրաբույժներին նավարկել խառը անոթային ուղիների միջոցով:

Սեւահերներ Հիշողական ձևի հաղորդալարերը ստեղծում են հաստատուն, նուրբ ուժ, որը շարժում է ատամները՝ նվազեցնելով հաճախակի ճշգրտումների անհրաժեշտությունը:

Վիրաբուժական գործիքներ. Այնպիսի սարքեր, ինչպես երիկամային ավազի վերացման ցանցերը և ոսկրային ամրակները, օգտագործում են հիշողական ձևի հատկությունը՝ մարմնի ներսում տեղադրվելու կամ աշխատանքի անցնելու համար:

Ավիատիեզերական և ավտոմոբիլային արդյունաբերություն

Ավիատիեզերական ոլորտում հիշողական ձևի համաձուլվածքները (SMAs) օգտագործվում են ակտյուատորներում՝ փոխարինելով ավելի ծանր և բարդ մեխանիկական կամ հիդրավլիկ համակարգերին: Օրինակ՝ Boeing-ը և NASA-ն օգտագործել են նիտինոլի ակտյուատորներ ինքնաթիռների շարժիչների աղմուկը նվազեցնելու համար՝ օդի հոսքը փոխելու համար շեվրոնների տեղադրման միջոցով: Ավտոմոբիլային ճարտարագիտության մեջ SMAs-ները հանդիպում են ակտիվ վերջավորային վարագույրների, վառելիքի սեղանակների և թարթումների թարթումների համար նախատեսված ինտելեկտուալ ակտյուատորներում:

Սպառողական ապրանքներ

Բայց ամենահայտնի կիրառումը, հավանաբար, ակնոցների շրջանակներն են ։ Սուպերէլաստիկ նիտինոլի շրջանակները կարող են մի քանի անգամ պտտվել և ծռվել՝ չկոտրվելով, և անմիջապես վերականգնվում են իրենց սկզբնական ձևին: Մյուս սպառողական կիրառումներն են՝

Շարժական հեռախոսների անտենաները. Վաղ շրջանի անտենաները նիտինոլ էին օգտագործում՝ կրկնակի ծռումներին դիմանալու համար:

Սուրճի մեքենաներ. Որոշ cauc վերջին մոդելի սարքեր օգտագործում են SMA ակտյուատորներ՝ վալվերների կառավարման համար:

Խաղալիքներ և նորամուծություններ. Ջերմությամբ ակտիվացվող զսպանակներ և շարժիչներ, որոնք ցուցադրում են «հիշողության» էֆեկտը կրթական հավաքածուներում:

Ռոբոտատեխնիկա և ակտյուատորներ

SMAs-ը ավելի և ավելի շատ են օգտագործվում մեղմ ռոբոտատեխնիկայում և միկրոակտյուատորներում, քանի որ դրանք բարձր աշխատանքի/քաշի հարաբերակցություն են ապահովում: Դրանք կարող են էլեկտրական ճանապարհով տաքացվել (դիմադրության միջոցով տաքացում)՝ ստեղծելու պարզ, թեթև և անաղմուկ ակտյուատորներ: Հետազոտողները մշակում են SMA-ի վրա հիմնված արհեստական մկաններ, բռնիչներ և նույնիսկ թևերի թափահարմամբ միկրոօդային մեքենաներ:

Հարցեր և սահմանափակումներ

Չնայած իրենց արտակարգ հնարավորություններին՝ ձևի հիշման համաձուլվածքները բախվում են մի շարք մարտահրավերների, որոնք սահմանափակում են դրանց ավելի լայն կիրառումը.

Ոչ գծային վարքագիծ. SMAs-ի լարվածություն-դեֆորմացիա-ջերմաստիճան հարաբերակցությունը բավականին ոչ գծային է և ցուցադրում է հիստերեզիս (ձևափոխման ճանապարհը տարբերվում է տաքացման և սառեցման ժամանակ): Սա դժվարացնում է ճշգրիտ կառավարումը և պահանջում է բարդ մոդելավորում:

Վատթարացում և կայունություն. Չնայած մեխանիկական կայունության՝ բազմակի ցիկլավորումը կարող է հանգեցնել նյութի վատացման, հատկապես երբ ներգրավված են մեծ դեֆորմացիաներ կամ բարձր ջերմաստիճաններ:

Սահմանափակ ձևափոխման ջերմաստիճանի շրջանակ. Շուկայում հասանելի շատ սպիտակ մետաղներ (SMA) ձևափոխվում են –100°C–ից մինչև +120°C ջերմաստիճանային շրջանակում: Բարձր ջերմաստիճանում աշխատող կիրառումների համար (օրինակ՝ շարժիչներում) անհրաժեշտ են ավելի հազվադեպ հանդիպող համաձուլվածքներ:

Գինը. Նիտինոլը զգալիորեն ավելի թանկ է, քան սովորական պողպատը կամ ալյումինը, մասամբ՝ պայմանավորված մշակման և մեքենայացման բարդությամբ:

Մշակման բարդություն. Սպիտակ մետաղները (SMA) զգայուն են բաղադրության և ջերմային պատմության նկատմամբ: Կառուցման մեթոդները, ինչպես երկաթե միացումը, կտրումը և միացումը, պահանջում են մասնագիտացված տեխնիկաներ՝ ձևափոխման հատկությունները չփոխելու համար:

Սպիտակ մետաղների (SMA) ապագան

Սպիտակ մետաղների հետազոտությունները շարունակում են ընդլայնել ինչպես հիմնարար գիտությունը, այնպես էլ կիրառման ոլորտները: Հիմնական զարգացման ուղղություններն են.

Բարձր ջերմաստիճանում աշխատող սպիտակ մետաղներ. Ավելի քան 200°C-ում աշխատելու ունակ համաձուլվածքներ մշակվում են օդագնացային շարժիչների, նավթի շահագործման և ավտոմեքենաների արտանետման համակարգերի համար։

Մագնիսական ձևի հիշման համաձուլվածքներ՝ Նիկել-մանգան-գալիում (Ni-Mn-Ga) նման նյութերը արձագանքում են մագնիսական դաշտին՝ առանց ջերմության, ինչը հնարավորություն է տալիս մեծացնել ակտիվացման արագությունը (մինչև կիլոհերց) և բարելավել կառավարումը։

Ավելացման մեթոդով արտադրություն. նիտինոլի և այլ ձևի հիշման համաձուլվածքների (SMA) 3D տպագրությունը բացում է ճանապարհ բարդ երկրաչափական ձևերի ստեղծման համար, որոնք դժվար է ստանալ ավանդական մշակման եղանակներով։ Սա կարող է հնարավորություն տալ հիվանդի հատուկ մեդիկամենտային իմպլանտների և օպտիմալացված ակտիվացնող սարքերի ստեղծման համար։

Կոմպոզիտ նյութեր. Ձևի հիշման համաձուլվածքների (SMA) ինտեգրումը պոլիմերների կամ այլ մետաղների հետ կարող է ստեղծել հիբրիդային նյութեր՝ ճկունության, թարմացման կամ ակտիվացման հատկությունների ճշգրիտ կարգավորմամբ։

Եզրակացություն

Հիշողական ձևի համաձուլվածքները ներկայացնում են նյութերի գիտության մեջ մեկ պարադիգմային փոխարկում: Դրանք չեն հանդիսանում պասսիվ կառուցվածքային նյութեր, այլ՝ ակտիվ, ռեագիրող համակարգեր, որոնք կարող են զգալ իրենց շրջապատը և այդ հիման վրա ռեագիրել: Սկսած կյանքը փրկող ստենտերից, որոնք ընդլայնվում են մարտկոցավորված արյունատար անոթների ներսում, մինչև ավիացիոն բաղադրիչների շարժումն անշշուկ կառավարող ակտյուատորները, այս «ինտելեկտուալ» մետաղները ապացուցել են իրենց արժեքը բազմաթիվ ոլորտներում: Քանի որ արտադրական տեխնիկան կատարելագործվում է, իսկ նոր համաձուլվածքային համակարգեր են հայտնվում, հիշողական ձևի համաձուլվածքները պատրաստվում են ավելի մեծ դեր խաղալու տեխնոլոգիայի ապագայում՝ մեկ այնպիսի ապագայում, որտեղ նյութերը ուղղակի չեն աջակցում կառուցվածքներին, այլ՝ ակտիվորեն մասնակցում են դրանց գործառույթի իրականացմանը: