Que sont les alliages à mémoire de forme ? Un guide de leurs propriétés et de leurs applications

Les SMA sont des alliages à mémoire de forme, des matériaux intelligents capables de conserver leur forme et de la modifier sous l'effet de la chaleur. Cet article des auteurs informe les lecteurs sur ce que sont les SMA, comment ils fonctionnent, quelques matériaux courants comme le Nitinol, les applications dans l'aérospatiale, robotiqueLa recherche sur la santé, la médecine, etc., la collaboration avec eux, les défis à relever et les orientations de la recherche en cours.

La magie des alliages à mémoire de forme : Des matériaux qui gardent leur forme

Les SMA, ou alliages à mémoire de forme, sont des métaux spéciaux qui ont tendance à changer de forme en réponse à un changement de température. Les atomes des SMA ont tendance à s'aligner sur deux structures cristallines différentes.

Structure atomique

Les SMA sont constitués de minuscules atomes qui s'emboîtent les uns dans les autres selon des schémas appelés structures cristallines. À une certaine température, les atomes préfèrent se rapprocher les uns des autres dans une structure comprimée appelée martensite. À une température plus élevée, ils s'étalent dans une structure ouverte appelée austénite. La possibilité de passer d'un arrangement atomique à l'autre est ce qui confère aux SMA leur caractère spécial d'alliages à mémoire de forme.

Changement de forme sous l'effet de la chaleur

Si un SMA est déformé alors qu'il est dans sa structure de martensite, il gardera cette nouvelle forme. Mais lorsqu'il est chauffé au-delà d'un certain point, il passe à sa structure d'austénite et reprend sa forme originale, non pliée. C'est ce qu'on appelle l'effet de mémoire de forme. Par exemple, un fil SMA peut être plié, puis redevenir droit lorsqu'il est chauffé à l'eau chaude.

S'enfermer dans une forme courbée

Certains SMA présentent un autre effet à froid appelé superélasticité ou pseudoélasticité. S'ils sont pliés au-delà d'un point lorsqu'ils sont froids, leurs atomes passent brusquement à la structure de la martensite pour s'adapter à la nouvelle forme sans se briser. Mais lorsqu'ils ne sont pas pliés, ils se transforment à nouveau en austénite sans qu'il soit nécessaire de les chauffer. C'est comme si le métal restait coincé dans l'alliage à mémoire de forme plié jusqu'à ce qu'il soit débloqué.

Comment le Nitinol aide l'organisme

Le nitinol est un matériau unique Impression 3D de métal qui peuvent avoir une mémoire de leur forme. Un médecin utilise le nitinol dans le corps humain pour son type de mémoire connu sous le nom d'alliage à mémoire de forme du métal. Il permet de résoudre des problèmes et d'administrer des médicaments.

Ouvrir la partie sténosée de l'artère

Il arrive que des dépôts graisseux s'accumulent à l'intérieur des artères et bloquent la circulation sanguine. Les médecins insèrent de minuscules tubes grillagés appelés stents pour ouvrir les artères obstruées. Les stents sont fabriqués en nitinol. Ils sont compressés et introduits dans les artères à l'aide d'un tube fin et flexible appelé cathéter. Une fois en place, le stent est réchauffé par la chaleur du corps et s'ouvre pour retrouver sa forme initiale, ce qui permet aux artères de rester bien ouvertes pour que le sang puisse circuler.

Les prothèses articulaires soulagent la douleur

Une autre application consiste à utiliser le nitinol pour remplacer des parties d'une articulation qui s'est usée, comme le genou ou la hanche. Les implants en nitinol sont flexibles et se déplacent donc comme de vrais os. Ils sont façonnés pour s'adapter au corps pendant l'opération et conservent ensuite cette forme. Cela permet aux implants de durer longtemps sans s'user.

Médecine à temps

Les médecins fabriquent de minuscules récipients en nitinol pour transporter des médicaments à l'intérieur du corps. Les médicaments sont stockés à l'intérieur jusqu'à ce qu'il soit temps de libérer une dose. Les conteneurs sont conçus pour s'ouvrir à une certaine température dans une partie du corps. Cela permet d'administrer la bonne quantité de médicament au bon moment sans avoir à recourir à une intervention chirurgicale pour remplacer un conteneur. L'alliage à mémoire de forme du nitinol est précisément programmé pour contribuer à la guérison des maladies.

Des ailes en nitinol qui changent de forme

Les ingénieurs utilisent le nitinol dans les ailes et les pièces d'avion parce qu'il peut changer de forme tout seul. Le nitinol "se souvient" de deux formes : celle qu'il a à l'état droit et celle qu'il a à l'état plié. Cela permet aux avions de mieux voler dans des conditions météorologiques différentes.

Des ailes qui s'adaptent au vent

Des ingénieurs en aérospatiale fabriquent des ailes d'avion spéciales en nitinol. Ces ailes peuvent ajuster leurs alliages à mémoire de forme pendant le vol grâce à de minuscules fils de nitinol à l'intérieur. Lorsque les vents sont violents, les fils s'échauffent en raison de la friction avec l'air. Le nitinol "sait" alors qu'il faut plier légèrement l'aile. Les ailes conservent ainsi une forme parfaite pour que l'air s'écoule en douceur au-dessus d'elles. Les avions peuvent ainsi voler sans trembler, même en cas de tempête.

Des volets d'ailes qui se déplacent tout seuls

Les volets d'ailes des avions ordinaires sont actionnés par des personnes ou des moteurs. Mais les volets en nitinol peuvent changer d'angle tout seuls ! Les ingénieurs fabriquent les volets en nitinol. Lors du décollage et de l'atterrissage, les volets doivent basculer vers le bas pour aider les avions à ralentir ou à accélérer. Les fils de nitinol des volets détectent les changements de température dus à un vol rapide ou lent. Ils tirent automatiquement les volets vers le bas, sans moteur. Cela permet d'économiser du carburant et de rendre le vol plus efficace.

Des buses aux supports - Des pièces qui changent de forme

De nombreuses petites pièces actionnées sur les avions et les fusées utilisent le nitinol. Il s'agit par exemple des tuyères des moteurs de fusée qui modifient leur surface de sortie en fonction de la vitesse. Les charnières en nitinol permettent aux supports mobiles de se verrouiller sans vis. Grâce à ses alliages à mémoire de forme, le nitinol contribue à aérospatiale changent de forme lorsque c'est nécessaire pour des vols plus sûrs et plus fluides.

Des robots qui se déplacent grâce à la mémoire de forme

Les ingénieurs utilisent des alliages à mémoire de forme (AMF) pour permettre aux robots de se déplacer seuls, sans batterie ni câblage. Les SMA "mémorisent" deux formes et peuvent passer de l'une à l'autre en fonction des changements de température. Cette propriété particulière leur permet d'agir comme des muscles pour les systèmes robotiques.

Les actionneurs SMA alimentent les mouvements robotiques

De nombreux robots utilisent des fils ou des bandes SMA comme actionneurs autonomes. Lorsqu'une tension ou de l'eau chaude est appliquée, le SMA "se souvient" de se plier ou de s'étirer. Ce mouvement permet aux articulations du robot de pivoter, aux pinces de s'ouvrir et de se fermer, etc. Par exemple, une main de robot est équipée d'actionneurs SMA dans chaque doigt qui le recourbent en position de préhension. Les robots télécommandés sous l'eau ou dans l'espace peuvent également utiliser des actionneurs SMA sans électronique.

Concevoir des robots "mous" plus proches de la vie

Grâce aux SMA, les robots peuvent avoir des corps plus souples et plus légers, semblables à ceux des animaux ou des humains. Les ingénieurs fabriquent des robots "mous" avec des fils SMA enduits de silicone et intégrés dans des tubes ou des feuilles flexibles. Lorsqu'ils sont chauffés, les SMA se contractent localement pour déclencher des mouvements complexes tels que se tordre, se plier ou s'agripper sans composants rigides. Ces robots souples pourraient un jour contribuer à des missions de sauvetage ou à des procédures médicales en naviguant dans des environnements inhabituels.

L'effet d'alliage à mémoire de forme des SMA leur permet d'effectuer des mouvements robotiques réalistes. Cela ouvre de nouvelles possibilités d'automatisation sur terre, en mer, dans l'air, dans l'espace et même à l'intérieur du corps humain.

L'utilisation de la mémoire de forme pour la sécurité des bâtiments

Les ingénieurs civils utilisent des alliages à mémoire de forme dans les structures pour les aider à résister aux tremblements de terre, surveiller l'usure des infrastructures, etc. Les SMA "mémorisent" leur forme et la modifient sous l'effet de la chaleur, ce qui est bénéfique pour la construction.

Des amortisseurs qui atténuent les tremblements de terre

Les SMA contribuent à la protection des bâtiments contre les tremblements de terre. Les ingénieurs installent des amortisseurs alimentés par des SMA dans les bâtiments, entre les planchers et les fondations. Lors des tremblements de terre, les planchers et les fondations vibrent à des fréquences différentes. Normalement, cela provoque des dégâts au fil du temps. Mais les amortisseurs SMA détectent les vibrations. Ils se contractent pour absorber et dissiper l'énergie des secousses. Cela permet d'amortir la structure des tensions dues aux tremblements de terre sans puissance supplémentaire.

Vérification de la fatigue des métaux

Les bobines de fil SMA permettent d'évaluer la fatigue des ponts, des tunnels et d'autres infrastructures. Les bobines placées dans des endroits critiques du métal se contractent lentement au cours de nombreux cycles de charge. Les ingénieurs vérifient régulièrement les bobines. Si une bobine s'est contractée plus que prévu, elle signale à l'ingénieur qui l'a placée à proximité que la bobine s'est contractée plus que prévu. fabrication de tôles peuvent s'affaiblir plus tôt que prévu sous l'effet des charges répétitives. Il convient alors de procéder à une inspection plus minutieuse avant qu'une défaillance ne se produise.

Détection des déformations après les catastrophes

Après des tremblements de terre ou des inondations, des capteurs enveloppés de SMA et placés dans les fissures des routes et des bâtiments permettent aux autorités de suivre à distance l'élargissement des fissures. Si les fissures s'agrandissent au fil du temps, cela indique qu'il existe une instabilité plus importante nécessitant des réparations coûteuses. Les petits capteurs SMA permettent de hiérarchiser les besoins de reconstruction les plus urgents sans avoir à effectuer des mesures fastidieuses sur place.

Les défis du travail avec les alliages à mémoire de forme

Bien que les SMA présentent d'incroyables propriétés d'adaptation, la réalisation de leur plein potentiel nécessite de relever les défis liés à la durabilité, la thermodynamique, et la production.

Les SMA subissent des contraintes chaque fois qu'ils passent d'une structure atomique à une autre. Cette fatigue peut entraîner un affaiblissement ou une dégradation sur de nombreux cycles continus. Il est donc important d'améliorer la durée de vie.

L'effet des alliages à mémoire de forme repose également sur des mécanismes de chauffage et de refroidissement. Une gestion thermique minutieuse permet de s'assurer que les SMA atteignent les températures nécessaires de manière uniforme pour des performances constantes. Les conditions réelles peuvent avoir un impact sur le contrôle thermique.

La production de SMA aux formes géométriques exactes et complexes pour différents rôles mécaniques exige des méthodes de fabrication méticuleuses et souvent coûteuses. Les ingénieurs recherchent de nouvelles techniques pour configurer de manière rentable les propriétés des SMA.

En conclusion, les alliages à mémoire de forme font preuve d'une remarquable capacité d'adaptation qui leur permet d'être utilisés dans diverses applications. La recherche continue vise à relever les défis et à faire progresser les possibilités de ces matériaux "intelligents". Les applications futures dépendront de la manière dont les SMA répondront à des besoins en constante évolution grâce à leur mémoire de forme intrinsèque.

Conclusion

En conclusion, les alliages à mémoire de forme présentent des propriétés vraiment uniques qui ont suscité d'immenses applications innovantes dans des domaines variés. Leur capacité à se "souvenir" automatiquement et à changer de forme en réponse à la température offre une utilité différente de celle des matériaux conventionnels. Les SMA ont permis d'améliorer les dispositifs médicaux, de rendre la robotique et la technologie d'automatisation plus fiables, d'améliorer les solutions structurelles pour l'aérospatiale et le génie civil, et bien d'autres choses encore.

Toutefois, pour tirer pleinement parti de leurs capacités d'adaptation, il est nécessaire de poursuivre les travaux afin de relever les défis qui se posent. Les chercheurs du monde entier s'efforcent de mieux comprendre le comportement des matériaux des alliages à mémoire de forme, d'affiner les procédés de fabrication, d'améliorer les performances mécaniques et la durabilité, et de faire progresser les méthodes de contrôle thermique et de transfert d'énergie. La prise en compte de ces domaines permettra de repousser les limites de ce qui est possible avec la technologie SMA "intelligente". L'avenir s'annonce radieux grâce à l'approfondissement des connaissances sur ces matériaux remarquables que sont les SMA. matériaux d'alliage et leur potentiel à permettre des applications encore plus impactantes et qui changent la vie.

FAQ

Q : Comment les SMA changent-ils de forme ?

Le SMA le plus utilisé est connu sous le nom de Nitinol et appartient à la catégorie du nickel-titane. Les autres matériaux SMA comprennent les alliages cuivre-zinc-aluminium et fer-manganèse-silicium.

Q : Quelles sont les applications des SMA ?

Nous utilisons les SMA dans des applications telles que les stents biomédicaux, les gouttières orthodontiques, les implants vasculaires, les actionneurs d'avions, les fixations activées par la chaleur, les matériaux autoréparables, les articulations et les pinces robotiques.

Q : Quels sont les défis à relever pour travailler avec les SMA ?

Parmi les défis à relever, citons la fatigue due aux cycles de chargement répétés, le contrôle précis des taux de chauffage/refroidissement, les techniques de fabrication complexes et les sorties de force/couple limitées.