Wat zijn vormgeheugenlegeringen? Een gids voor hun eigenschappen en toepassingen

SMA staat voor vormgeheugenlegeringen, dat zijn slimme materialen die hun vorm kunnen onthouden en door warmte kunnen veranderen. In dit artikel informeren de auteurs de lezers over wat SMA's zijn, hoe ze werken, enkele veelgebruikte materialen zoals Nitinol en toepassingen in de ruimtevaart, robotica, geneeskunde, enzovoort, het werken met hen, de uitdagingen en de lopende onderzoeksrichtingen.

De magie van vormgeheugenlegeringen: Materialen die hun vorm onthouden

SMA's, of vormgeheugenlegeringen, zijn speciale metalen die de neiging hebben om van vorm te veranderen als reactie op een verandering in temperatuur. De atomen in SMA hebben de neiging om zich in twee verschillende kristalstructuren te plaatsen.

Atoomstructuur

SMA's bestaan uit hele kleine atomen die in elkaar passen in patronen die kristalstructuren worden genoemd. Bij de ene temperatuur passen de atomen het liefst dicht bij elkaar in een samengeperste structuur die martensiet wordt genoemd. Bij een hogere temperatuur spreiden ze zich uit in een open structuur die austeniet wordt genoemd. De mogelijkheid om tussen deze atoomstructuren te schakelen geeft SMA's hun speciale vormgeheugenlegeringen.

Van vorm veranderen met warmte

Als een SMA uit zijn martensietstructuur wordt gebogen, zal het die nieuwe vorm onthouden. Maar wanneer het boven een bepaald punt wordt verwarmd, transformeert het naar zijn austenietstructuur en veert het terug naar zijn oorspronkelijke, ongebogen vorm. Dit wordt het vormgeheugeneffect genoemd. Een SMA-draad kan bijvoorbeeld worden gebogen, maar weer recht worden wanneer hij met heet water wordt verwarmd.

Vastzitten in een kromme vorm

Sommige SMA's vertonen een ander koel effect dat superelasticiteit of pseudoelasticiteit wordt genoemd. Als ze koud voorbij een punt worden gebogen, verschuiven hun atomen abrupt naar de martensietstructuur om de nieuwe vorm aan te nemen zonder te breken. Maar wanneer ze niet worden gebogen, transformeren ze soepel terug naar austeniet zonder dat er warmte voor nodig is. Het is alsof het metaal vast komt te zitten in de gebogen vormgeheugenlegeringen totdat het weer gebogen wordt.

Hoe Nitinol het lichaam helpt

Nitinol is zo'n unieke 3D metaal afdrukken die een vormgeheugen kunnen hebben. Een arts gebruikt nitinol in het menselijk lichaam vanwege het type geheugen dat bekend staat als de vormgeheugenlegeringen van het metaal. Het helpt problemen op te lossen en medicijnen te geven.

Open het vernauwde deel van de slagader

Soms hopen vetafzettingen zich op in slagaders en blokkeren ze de bloedstroom Dit wordt een verstopping genoemd. Artsen plaatsen kleine buisjes van gaas, stents genaamd, om verstopte slagaders open te duwen. Stents zijn gemaakt van nitinol. Ze worden klein geperst en in slagaders geplaatst met behulp van een dunne flexibele buis die een katheter wordt genoemd. Als de stent eenmaal op zijn plaats zit, wordt hij verwarmd door lichaamswarmte en springt hij open in zijn ontstopte vorm, waardoor de slagaders wijd open blijven en het bloed kan stromen.

Gewrichtsvervangingen verlichten pijn

Een andere toepassing is het gebruik van nitinol om versleten delen van een gewricht te vervangen, zoals de knie of heup. Gewrichtsprothesen maken een soepele beweging mogelijk. Nitinol implantaten zijn buigzaam zodat ze bewegen als echte botten. Ze worden tijdens de operatie gevormd om in het lichaam te passen en onthouden vervolgens die vorm. Hierdoor gaan implantaten lang mee zonder te verslijten.

Medicijnen op tijd

Artsen maken kleine containers van nitinol om medicijnen in het lichaam te vervoeren. Medicijnen worden erin bewaard totdat het tijd is om een dosis vrij te geven. De containers zijn ontworpen om te openen bij een bepaalde temperatuur in een deel van het lichaam. Hierdoor kan precies de juiste hoeveelheid medicijn op het juiste moment worden toegediend, zonder dat er een operatie nodig is om een houder te vervangen. De vormgeheugenlegeringen van Nitinol zijn precies getimed om ziekten te helpen genezen.

Nitinol vleugels die van vorm veranderen

Ingenieurs gebruiken nitinol in vliegtuigvleugels en onderdelen omdat het zelf van vorm kan veranderen. Nitinol "onthoudt" twee vormen - hoe het er recht uitziet en hoe het er gebogen uitziet. Hierdoor kunnen vliegtuigen beter vliegen in verschillende weersomstandigheden.

Vleugels die zich aanpassen aan de wind

Lucht- en ruimtevaartingenieurs maken speciale vliegtuigvleugels van nitinol. Deze vleugels kunnen hun vormgeheugen tijdens de vlucht aanpassen dankzij minuscule nitinoldraadjes binnenin. Wanneer de wind ruw wordt, warmen de draden op door de wrijving met de lucht. Dan "weet" het nitinol dat het de vleugel een beetje moet buigen. Dit zorgt ervoor dat vleugels precies de juiste vorm hebben zodat de lucht er soepel overheen stroomt. Vliegtuigen kunnen hierdoor sterk vliegen zonder te schudden, zelfs in stormen.

Vleugelkleppen die uit zichzelf bewegen

Vleugelkleppen op gewone vliegtuigen worden bewogen door mensen of motoren. Maar nitinolvleugelkleppen kunnen zelf van hoek veranderen! Ingenieurs maken de kleppen van nitinol. Tijdens het opstijgen en landen moeten de flaps naar beneden kantelen om vliegtuigen te helpen vertragen of versnellen. Nitinoldraden in de kleppen voelen temperatuurveranderingen als gevolg van snel of langzaam vliegen. Ze trekken de kleppen automatisch naar beneden, zonder dat er motoren aan te pas komen. Dit bespaart brandstof en maakt het vliegen efficiënter.

Van spuitdoppen tot beugels - vormveranderende onderdelen

Veel kleine onderdelen in vliegtuigen en raketten maken gebruik van nitinol. Voorbeelden hiervan zijn de straalpijpen van raketmotoren die hun uittredegebied veranderen voor verschillende snelheden. Met nitinolscharnieren kunnen beweegbare beugels zonder schroeven op hun plaats worden vergrendeld. Door zijn vormgeheugenlegeringen helpt nitinol ruimtevaart Onderdelen veranderen van vorm wanneer dat nodig is voor veiligere, soepelere vluchten.

Robots die bewegen met vormgeheugen

Ingenieurs gebruiken vormgeheugenlegeringen of SMA's om robots zelfstandig te laten bewegen zonder batterijen of bedrading. SMA's "onthouden" twee vormen en kunnen daartussen wisselen dankzij temperatuurveranderingen. Door deze speciale eigenschap kunnen ze werken als spieren voor robotsystemen.

SMA Actuators voeden robotbewegingen

Veel robots gebruiken SMA-draden of -strips als zelfstandige actuatoren. Wanneer er spanning of heet water wordt toegepast, "onthoudt" de SMA dat hij buigt of uitrekt. Door deze beweging kunnen robotgewrichten zwaaien, grijpers openen en sluiten, en nog veel meer. Een robothand heeft bijvoorbeeld SMA actuatoren in elke vinger die hem in een grijppositie krullen. Op afstand bestuurde robots onder water of in de ruimte kunnen ook SMA actuators zonder elektronica gebruiken.

Levensechtere "zachte" robots ontwerpen

Met SMA's kunnen robots flexibelere, lichtgewicht lichamen krijgen die lijken op die van dieren of mensen. Ingenieurs maken "zachte" robots met SMA-draden met een siliconenlaag die in flexibele buizen of vellen zijn ingebed. Bij verhitting trekken de SMA's plaatselijk samen om complexe bewegingen te starten, zoals kronkelen, buigen of grijpen zonder starre onderdelen. Deze zachte robots kunnen ooit helpen bij reddingsmissies of medische procedures door door ongewone omgevingen te navigeren.

Dankzij het effect van vormgeheugenlegeringen kunnen SMA's levensechte robotbewegingen aandrijven. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor automatisering te land, ter zee, in de lucht, in de ruimte en zelfs in het menselijk lichaam.

Vormgeheugen gebruiken voor de veiligheid van gebouwen

Bouwkundig ingenieurs gebruiken legeringen met vormgeheugen in constructies om aardbevingen te helpen weerstaan, slijtage van de infrastructuur te controleren en nog veel meer. SMA's "onthouden" hun vorm en veranderen bij warmte, wat de constructie ten goede komt.

Dempers die bevingen dempen

SMA's helpen gebouwen aardbevingsbestendig te maken. Ingenieurs installeren dempers met SMA's in gebouwen tussen vloeren en funderingen. Tijdens aardbevingen trillen vloeren en funderingen met verschillende frequenties. Normaal gesproken veroorzaakt dit na verloop van tijd schade. Maar SMA-dempers detecteren trillingen. Ze trekken samen om energie van trillende bewegingen te absorberen en af te voeren. Hierdoor wordt de structuur gedempt tegen bevingsbelastingen zonder extra kracht.

Controleren op metaalmoeheid

SMA draadspoelen kunnen vermoeidheid in bruggen, tunnels en andere infrastructuur evalueren. Spoelen die in kritieke metalen locaties worden geplaatst, krimpen langzaam gedurende vele belastingscycli. Ingenieurs controleren de spoelen regelmatig. Als een spoel meer is samengetrokken dan verwacht, geeft dit een signaal naar de buurt. fabricage van metalen platen kan door herhaaldelijke belasting eerder verzwakken dan gepland. Dit vraagt om nadere inspectie voordat er een storing optreedt.

Deformaties waarnemen na rampen

Na aardbevingen of overstromingen kunnen de autoriteiten met SMA omwikkelde sensoren in wegen en scheuren in gebouwen op afstand zien of deze breder worden. Als scheuren na verloop van tijd groter worden, geeft dit aan dat er meer instabiliteit is waardoor dure reparaties nodig zijn. Kleine SMA-sensoren helpen prioriteiten te stellen voor de meest dringende wederopbouwbehoeften zonder vervelende metingen ter plaatse.

Uitdagingen van het werken met vormgeheugenlegeringen

Hoewel SMA's ongelooflijke adaptieve eigenschappen hebben, moet er voor het realiseren van hun volledige potentieel iets gedaan worden aan de uitdagingen rondom duurzaamheid, thermodynamica, en productie.

SMA's ondergaan stress telkens wanneer ze van de ene atoomstructuur naar de andere overgaan. Deze vermoeidheid kan verzwakking of degradatie veroorzaken gedurende vele continue cycli. Het verbeteren van de levensduur blijft belangrijk.

Het effect van vormgeheugenlegeringen berust ook precies op verwarmings- en koelingsmechanismen. Zorgvuldig thermisch beheer zorgt ervoor dat SMA's de nodige temperaturen gelijkmatig bereiken voor consistente prestaties. Omstandigheden in de echte wereld kunnen de thermische controle beïnvloeden.

Het produceren van SMA's met exacte, complexe geometrische vormen voor verschillende mechanische toepassingen vereist nauwgezette, vaak dure productiemethoden. Ingenieurs onderzoeken nieuwe technieken voor het kosteneffectief configureren van SMA eigenschappen.

Concluderend kan worden gesteld dat legeringen met vormgeheugen een opmerkelijk adaptief karakter hebben, waardoor diverse toepassingen mogelijk zijn. Voortdurend onderzoek probeert de uitdagingen aan te gaan en de mogelijkheden van deze "slimme" materialen te vergroten. Toekomstige toepassingen worden bepaald door hoe goed SMA's in evoluerende behoeften voorzien door hun intrinsieke vormgeheugen.

Conclusie

Concluderend kunnen we stellen dat legeringen met vormgeheugen werkelijk unieke eigenschappen hebben die hebben geleid tot enorme innovatieve toepassingen op verschillende gebieden. Hun vermogen om zich automatisch te "herinneren" en van vorm te veranderen in reactie op de temperatuur, biedt bruikbaarheid die conventionele materialen niet hebben. SMA's hebben geleid tot verbeterde medische apparatuur, betrouwbaardere robotica en automatiseringstechnologie, verbeterde structurele oplossingen voor de lucht- en ruimtevaart en civiele techniek, en nog veel meer.

Om hun aanpassingsvermogen ten volle te benutten, moet er echter voortdurend gewerkt worden aan het oplossen van uitdagingen. Wereldwijd blijven onderzoekers ernaar streven om het materiaalgedrag van vormgeheugenlegeringen beter te begrijpen, fabricageprocessen te verfijnen, mechanische prestaties en duurzaamheid te verbeteren en methoden voor nauwkeurige thermische controle en energieoverdracht te verbeteren. Het aanpakken van deze gebieden zal helpen om de grenzen te verleggen van wat mogelijk is met "slimme" SMA technologie. De toekomst ziet er rooskleurig uit door de groeiende kennis van deze opmerkelijke materialen. gelegeerde materialen en hun potentieel om nog impactvollere en levensveranderende toepassingen mogelijk te maken.

FAQs

V: Hoe veranderen SMA's van vorm?

De meest gebruikte SMA staat bekend als Nitinol en valt onder de categorie nikkel-titanium. Andere SMA materialen zijn koper-zink-aluminium en ijzer-mangaan-silicium legeringen.

V: Wat zijn de toepassingen van SMA's?

Wij gebruiken SMA's in toepassingen zoals biomedische stents, orthodontische aligners, vasculaire implantaten, actuatoren voor vliegtuigen, door warmte geactiveerde bevestigingsmiddelen, zelfherstellende materialen en robotgewrichten en -grijpers.

V: Wat zijn de uitdagingen bij het werken met SMA's?

Enkele uitdagingen zijn vermoeidheid door herhaalde laadcycli, het nauwkeurig regelen van de verwarmings-/koelsnelheden, complexe fabricagetechnieken en beperkte kracht/koppeluitgangen.