Materiały z pamięcią kształtu

Materiały z pamięcią kształtu

• Materiały z pamięcią kształtu (SMA) są unikatową grupą stopów metali, które zmienią kształt podgrzewając je do danej temperatury, a następnie powracają do kształtu wyjściowego, tego który został "zapamiętany". Czynnikami, które powodują zmianę kształtu mogą być zarówno temperatura, jaki i pole magnetyczne i odciążenie wcześniej obciążonego materiału.

Materiały z pamięcią kształtu

• Materiały te mają dwie fazy: fazę wysokotemperaturową (austenit) i niskotemperaturową (martenzyt). Ta druga występuje w dwóch formach: zbliźniaczonej i zbliźniaczonej zniekształconej. Energia, która wyzwala się przy odkształcaniu jest rzędu 106-107 J/m2. Odwracalna przemiana martenzytyczna jest zjawiskiem fizycznym powodującym zmianę kształtu.

Efekty pamięci kształtu• W stopach z pamięcią kształtu zachodzi

jednokierunkowy efekt pamięci kształtu. Polega on na tym, że materiał odkształcony w stanie martenzytycznym powraca po nagrzaniu do kształtu nadanego przy istnieniu fazy wysokotemperaturowej. Może również występować dwukierunkowy efekt pamięci kształtu, którego istotą jest przejście od kształtu nadanego w stanie martenzytycznym do kształtu nadanego przy istnieniu fazy wysokotemperaturowej jest odwracalne i odbywa się bez udziału naprężeń.

Przemiany

Rys. 1 Przemiana jednokierunkowa materiałów z pamięcią kształtu

Rys. 2 Przemiana dwukierunkowa materiałów z pamięcią kształtu

Psuedosprężystość

• Trzecim zjawiskiem, które może zachodzić w stopach z pamięcią kształtu jest psuedosprężystość- odkształcenia będą skutkiem przemiany martenzytycznej indukowanej naprężeniami. Czynnikiem powodującym zmianę kształtu jest zmiana temperatury. Powoduje to ograniczenie częstotliwość pracy tych materiałów do 102 Hz.

Materiały z pamięcią kształtu

• Podstawową cechą kształtującą własności materiałów z pamięcią kształtu jest przejście pomiędzy fazami austenitu i martenzytu pod wpływem ogrzania (ochłodzenia). Kluczowe efekty to: pseudoelastyczność i efekt pamięci kształtu.

Rys. 3 Fazy materiałów z pamięcią kształtu

Temperaturowa przemiana fazowa bez działania obciążenia

• Materiał przechodzi z fazy austenitu w zbliźniaczony martenzyt pod wpływem ochłodzenia (przy braku obciążenia), czego efektem jest niewidoczna, makroskopowa zmiana kształtu. Pod wpływem ogrzania, zachodzi odwrócenie poprzedniej przemiany i w efekcie dostaje się austenit.

Rys. 4 Temperaturowa przemiana fazowa bez działania obciążenia

Występują cztery progi temperatur: •  temperatura rozpoczynająca przemianę

martenzytyczną M 0s , zachodzi w niej przemiana austenitu w martenzyt

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

•  temperatura rozpoczynająca przemianę austenityczną (A 0s ), po przekroczeniu której zaczyna się transformacja odwrotna (austenit w martenzyt)

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

Efekt pamięci kształtu materiałów

• Jeśli do materiału będącego w fazie zbliźniaczonego martenzytu przyłoży się obciążenie (przy niskiej temperaturze), możliwa jest przemiana w martenzyt zbliźniaczony zniekształcony. Po ustąpieniu sił zewnętrznych materiał pozostaje zdeformowany. Jeśli w tym stanie materiał ogrzeje się do temperatury przekraczającej A 0f , nastąpi przemiana martenzytu w austenit, co będzie przyczyną przywrócenie poprzedniego, "macierzystego" kształtu.

Efekt pamięci kształtu materiałów

Rys. 5 Efekt pamięci kształtu materiałów

Temperaturowa przemiana fazowa przy przyłożonym obciążeniu

• Można również przeprowadzić transformację martenzytyczną, której skutkiem będzie faza struktury zbliźniaczonej zniekształconej. Jeśli obciążenie jest przyłożone gdy materiał znajduje się w fazie austenitu, przemiana fazowa zakończy się na martenzycie zbliźniaczonym zniekształconym. Kolejne ogrzanie materiału powoduje powrót do pierwotnego kształtu.

Temperaturowa przemiana fazowa przy przyłożonym obciążeniu

Rys. 6 Temperaturowa przemiana fazowa przy przyłożonym obciążeniu

Temperatury przemiany fazowej są uzależnione od wielkości przyłożonych sił zewnętrznych. Im większe obciążenie, tym większe wartości temperatur transformacji.

Stop niklu i tytanu

• Najpopularniejszym materiałem z pamięcią kształtu jest stop niklu i tytanu, który nazwano nitinolem. Stosuje się go w przemyśle jako drut, wchodzi w skład mechanizmu zabawek, wykorzystywany jest także jako napęd mikrorobotów. Największym zainteresowaniem cieszy się jednak w medycynie, a dokładniej w dentystyce i w chirurgii ortopedycznej dla zabezpieczenia ścięgien, wiązadeł oraz jako wszczepy do krwiobiegu.

Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w technice

• Do licznych technicznych zastosowań stopów z pamięcią kształtu należą czujniki przeciwpożarowe, systemy regulacyjne w grzejnikach wodnych, automatyczne systemy otwierania okien w szklarniach, układy tłumiące drgania i hałas, oprawki okularów, elementy robotów i silniki cieplne. Dzięki zastosowaniu stopów metali z pamięcią kształtu w budowie maszyn i urządzeń możliwe jest wprowadzenie nowych zasad konstrukcyjnych, a co za tym idzie miniaturyzacja produktów i obniżenie kosztów ich wytworzenia.

Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w medycynie

• Niektóre stopy metali z pamięcią kształtu mają zastosowanie w medycynie. Stopy Fe-Cr-Ni używane są na implanty w chirurgii przeznaczone do implantacji przez krótki okres czasu, a stopy Ti-Al przez długi czas. Stosowanie tych implantów wiąże się z odpowiednim doborem sposobu ich nagrzewania do temperatury odwrotnej przemiany.

Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w medycynie

• Zastosowania stopów z pamięcią kształtu to: klamry do osteosyntezy i leczenia złamanych żeber, igły do lokalizacji guzów piersi, napinacze, rdzenie drutów prowadzących, narzędzia chirurgiczne i adaptacyjne endoskopy o kształcie dostosowującym się do cech anatomicznych pacjenta podczas operacji lub badania. Implanty ze stopów metali z pamięcią kształtu umożliwiają prostsze i sprawniejsze przeprowadzenie operacji i są głównym czynnikiem podniesienia poziomu technicznego aparatury medycznej.

Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu

• Stopy z pamięcią kształtu mają również zastosowanie w astronautyce i lotnictwie, czego powodem jest duża możliwość adaptacji w warunkach, w których nie występuje grawitacja ziemska. Dlatego też materiały te nadają się na anteny samo rozkładające się. Można również zastosowań je do redukcji drgań i łączenia rur w statkach kosmicznych, zmiany geometrii skrzydeł samolotów i do włączania osłon baterii słonecznych.

Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu

• Materiały z pamięcią kształtu mają szerokie zastosowanie w przemyśle samochodowym. Można je użyć na zawory ciśnieniowe, podkłady tłumiące drgania mechaniczne i włączające systemy klimatyzacyjne lub chłodzące. Stopy z pamięcią kształtu można zastosować do hermetycznego zamykania klap pojemników na śmieci, do ściskania rdzeni transformatorów i na samo rozkładające się anteny przenośnych telefonów o wymaganej wysokości czujności na docierający sygnał.

Sprawdź swoją wiedzę

• file:///C:/Users/Justynka/Documents/My%20Quiz/Projects/Materia%C5%82y%20z%20pami%C4%99ci%C4%85%20kszta%C5%82tu/quiz.html