O que são ligas com memória de forma? Um guia para suas propriedades e aplicações

SMA significa ligas com memória de forma, que são materiais inteligentes que podem se lembrar de sua forma e mudar de acordo com o calor. Este artigo dos autores informa os leitores sobre o que são as SMAs, como elas funcionam, alguns materiais comuns, como o nitinol, e aplicações no setor aeroespacial, robóticaO senhor pode também conhecer as pessoas que trabalham com o senhor, a medicina, etc., trabalhar com elas, os desafios e as direções de pesquisa em andamento.

A magia das ligas com memória de forma: Materiais que lembram sua forma

As SMAs, ou ligas com memória de forma, são metais especiais que tendem a mudar sua forma em resposta a uma mudança de temperatura. Os átomos nas SMAs tendem a se alinhar em duas estruturas cristalinas diferentes.

Estrutura atômica

As SMAs são compostas de átomos realmente minúsculos que se encaixam em padrões chamados estruturas cristalinas. Em uma determinada temperatura, os átomos preferem se encaixar em uma estrutura apertada chamada martensita. Em uma temperatura mais alta, eles se espalham em uma estrutura aberta chamada austenita. A capacidade de alternar entre esses arranjos atômicos é o que confere às SMAs suas ligas especiais com memória de forma.

Mudança de forma com o calor

Se um SMA for dobrado fora de forma enquanto estiver em sua estrutura de martensita, ele se lembrará dessa nova forma. Porém, quando aquecido acima de um determinado ponto, ele se transforma em sua estrutura de austenita e retorna à sua forma original, não dobrada. Esse é o chamado efeito de memória de forma. Por exemplo, um fio de SMA pode ser dobrado, mas depois voltar a ficar reto quando aquecido com água quente.

Ficar preso em uma forma curvada

Alguns SMAs apresentam outro efeito frio chamado superelasticidade ou pseudoelasticidade. Se forem dobradas além de um ponto enquanto estiverem frias, seus átomos mudam abruptamente para a estrutura da martensita para acomodar a nova forma sem quebrar. Mas quando não são dobrados, eles se transformam suavemente de volta à austenita sem a necessidade de calor. É como se o metal ficasse preso nas ligas com memória de forma dobradas até ser desdobrado.

Como o nitinol ajuda o corpo

O nitinol é um material único Impressão 3D de metal que podem ter memória de forma. Um médico usa nitinol no corpo humano por seu tipo de memória conhecido como ligas com memória de forma do metal. Ele ajuda a corrigir problemas e a administrar medicamentos.

Abrir a parte estenótica da artéria

Às vezes, depósitos de gordura se acumulam no interior das artérias e bloqueiam o fluxo de sangue, o que é chamado de bloqueio. Os médicos inserem pequenos tubos de malha chamados stents para abrir as artérias obstruídas. Os stents são feitos de nitinol. Eles são espremidos em tamanho pequeno e colocados nas artérias por meio de um tubo fino e flexível chamado cateter. Uma vez no lugar, o stent é aquecido pelo calor do corpo e se abre para a forma desobstruída, mantendo as artérias abertas para o fluxo de sangue.

Substituições de articulações aliviam a dor

Outra aplicação é o uso do nitinol para substituir partes de uma articulação que se desgastou, como o joelho ou o quadril. Os implantes de nitinol são flexíveis, de modo que se movem como ossos reais. Eles são moldados para se adaptarem ao corpo durante a cirurgia e depois se mantêm nessa forma. Isso ajuda os implantes a durarem muito tempo sem se desgastarem.

Medicamentos na hora certa

Os médicos estão fabricando minúsculos recipientes de nitinol para transportar medicamentos dentro do corpo. O medicamento é armazenado lá dentro até o momento de liberar uma dose. Os recipientes são projetados para abrir em uma determinada temperatura encontrada em uma parte do corpo. Isso ajuda a fornecer a quantidade certa de medicamento no momento certo, sem a necessidade de cirurgia para substituir o recipiente. As ligas com memória de forma do nitinol são precisamente programadas para ajudar a curar doenças.

Asas de nitinol que mudam de forma

Os engenheiros estão usando nitinol em asas e peças de avião porque ele pode mudar de forma sozinho. O nitinol "se lembra" de duas formas: o que parece ser reto e o que parece ser dobrado. Isso ajuda os aviões a voar melhor em condições climáticas diferentes.

Asas que se adaptam ao vento

Engenheiros aeroespaciais estão fabricando asas de avião especiais com nitinol. Essas asas podem ajustar suas ligas com memória de forma durante o voo graças a minúsculos fios de nitinol em seu interior. Quando o vento fica forte, os fios se aquecem devido ao atrito com o ar. Então, o nitinol "sabe" que deve dobrar um pouco a asa. Isso mantém as asas no formato certo para que o ar flua suavemente sobre elas. Isso permite que os aviões voem com força sem tremer, mesmo em tempestades.

Flaps de asa que se movem sozinhos

Os flaps das asas de aviões comuns são movidos por pessoas ou motores. Mas os flaps de nitinol podem mudar de ângulo sozinhos! Os engenheiros fabricam os flaps com nitinol. Durante a decolagem e o pouso, os flaps precisam se inclinar para baixo para ajudar os aviões a diminuir ou acelerar a velocidade. Os fios de nitinol nos flaps detectam as mudanças de temperatura decorrentes do voo rápido ou lento. Eles puxam automaticamente os flaps para baixo, na posição correta, sem a necessidade de motores. Isso economiza combustível e torna o voo mais eficiente.

De bicos a suportes - peças que mudam a forma

Muitas peças pequenas acionadas em aviões e foguetes usam nitinol. Os exemplos incluem bicos de motor de foguete que mudam sua área de saída para diferentes velocidades. As dobradiças de nitinol permitem que os suportes móveis sejam travados no lugar sem parafusos. Por meio de suas ligas com memória de forma, o nitinol ajuda a aeroespacial Os componentes mudam de forma exatamente quando necessário para voos mais seguros e suaves.

Robôs que se movem com memória de forma

Os engenheiros usam ligas com memória de forma, ou SMAs, para fazer com que os robôs se movimentem sozinhos, sem baterias ou fiação. As SMAs "lembram" duas formas e podem alternar entre elas graças às mudanças de temperatura. Essa propriedade especial permite que elas atuem como músculos para sistemas robóticos.

Atuadores SMA impulsionam o movimento robótico

Muitos robôs usam fios ou tiras de SMA como atuadores autônomos. Quando a tensão ou a água quente é aplicada, o SMA "lembra" de se dobrar ou esticar. Esse movimento permite que as articulações do robô girem, que as garras abram e fechem e muito mais. Por exemplo, a mão de um robô tem atuadores de SMA em cada dedo que o enrola em uma posição de agarrar. Os robôs controlados remotamente debaixo d'água ou no espaço também podem usar atuadores SMA sem componentes eletrônicos.

Projetando robôs "macios" mais realistas

Com as SMAs, os robôs podem ter corpos mais flexíveis e leves, semelhantes aos de animais ou humanos. Os engenheiros criam robôs "macios" com fios de SMA revestidos de silicone incorporados em tubos ou folhas flexíveis. Quando aquecidos, os SMAs se contraem localmente para iniciar movimentos complexos, como contorcer-se, dobrar-se ou agarrar-se sem componentes rígidos. Esses robôs macios poderão, algum dia, ajudar em missões de resgate ou procedimentos médicos, navegando em ambientes incomuns.

O efeito das ligas com memória de forma das SMAs permite que elas realizem movimentos robóticos realistas. Isso abre novas possibilidades de automação em terra, mar, ar, espaço e até mesmo dentro do corpo humano.

Uso da memória de forma para segurança de edifícios

Os engenheiros civis empregam ligas com memória de forma em estruturas para ajudar a resistir a terremotos, monitorar o desgaste da infraestrutura e muito mais. As SMAs "lembram" sua forma e mudam com o calor, o que beneficia a construção.

Amortecedores que amortecem terremotos

As SMAs ajudam a proteger os edifícios contra terremotos. Os engenheiros instalam amortecedores acionados por SMAs em edifícios entre pisos e fundações. Durante os terremotos, os pisos e as fundações vibram em frequências diferentes. Normalmente, isso causa danos ao longo do tempo. Mas os amortecedores SMA detectam as vibrações. Eles se contraem para absorver e dissipar a energia dos movimentos de tremor. Isso amortece a estrutura das tensões do terremoto sem energia extra.

Verificação da fadiga do metal

As bobinas de fio SMA podem avaliar a fadiga em pontes, túneis e outras infraestruturas. As bobinas colocadas em locais críticos de metal se contraem lentamente ao longo de muitos ciclos de carga. Os engenheiros verificam as bobinas regularmente. Se uma bobina tiver se contraído mais do que o esperado, isso sinaliza que o senhor está próximo fabricação de chapas metálicas pode estar se enfraquecendo devido a tensões de carga repetitivas mais cedo do que o planejado. Isso exige uma inspeção mais rigorosa antes que ocorra uma falha.

Detecção de deformações após desastres

Após terremotos ou inundações, os sensores envoltos em SMA colocados em estradas e rachaduras de edifícios permitem que as autoridades rastreiem remotamente qualquer alargamento. Se as rachaduras aumentarem com o tempo, isso mostra que há mais instabilidade, exigindo reparos caros. Pequenos sensores SMA ajudam a priorizar as necessidades de reconstrução mais urgentes sem medições tediosas no local.

Desafios de trabalhar com ligas com memória de forma

Embora as SMAs apresentem propriedades adaptativas incríveis, a realização de todo o seu potencial requer a abordagem dos desafios relacionados à durabilidade, termodinâmica, e produção.

As SMAs sofrem estresse sempre que fazem a transição entre estruturas atômicas. Essa fadiga pode causar enfraquecimento ou degradação ao longo de muitos ciclos contínuos. Melhorar a vida útil continua sendo importante.

O efeito das ligas com memória de forma também depende precisamente dos mecanismos de aquecimento e resfriamento. O gerenciamento térmico cuidadoso garante que as SMAs atinjam as temperaturas necessárias de maneira uniforme para um desempenho consistente. As condições do mundo real podem afetar o controle térmico.

A produção de SMAs com formas geométricas exatas e complexas para diferentes funções mecânicas exige métodos de fabricação meticulosos e, muitas vezes, caros. Os engenheiros pesquisam novas técnicas para configurar de forma econômica as propriedades da SMA.

Concluindo, as ligas com memória de forma apresentam uma natureza adaptativa notável que possibilita diversas aplicações. Pesquisas contínuas buscam enfrentar os desafios e aumentar as possibilidades desses materiais "inteligentes". As aplicações futuras continuam a ser moldadas pela forma como as SMAs atendem às necessidades em evolução por meio de sua memória intrínseca de forma.

Conclusão

Concluindo, as ligas com memória de forma demonstram propriedades realmente exclusivas que geraram imensas aplicações inovadoras em campos variados. Sua capacidade de "lembrar" automaticamente e mudar de forma em resposta à temperatura oferece uma utilidade diferente dos materiais convencionais. As SMAs possibilitaram o aprimoramento de dispositivos médicos, tecnologias de robótica e automação mais confiáveis, soluções estruturais aprimoradas de engenharia civil e aeroespacial e muito mais.

No entanto, capitalizar totalmente seus recursos adaptativos requer trabalho contínuo para resolver os desafios. Pesquisadores de todo o mundo continuam se esforçando para entender melhor o comportamento dos materiais das ligas com memória de forma, refinar os processos de fabricação, melhorar o desempenho mecânico e a durabilidade, além de avançar nos métodos de controle térmico preciso e transferência de energia. A abordagem dessas áreas ajudará a ampliar os limites do que é possível com a tecnologia SMA "inteligente". O futuro permanece brilhante, moldado pela expansão do conhecimento desses notáveis materiais de liga e seu potencial para capacitar aplicativos ainda mais impactantes e que mudam a vida das pessoas.

Perguntas frequentes

P: Como as SMAs mudam de forma?

A SMA mais usada é conhecida como Nitinol e faz parte da categoria de níquel-titânio. Outros materiais de SMA incluem ligas de cobre-zinco-alumínio e ferro-manganês-silício.

P: Quais são as aplicações das SMAs?

Usamos SMAs em aplicações como stents biomédicos, alinhadores ortodônticos, implantes vasculares, atuadores de aeronaves, fixadores ativados por calor, materiais autorreparáveis e juntas e garras robóticas.

P: Quais são os desafios de trabalhar com SMAs?

Alguns desafios incluem fadiga decorrente de ciclos de carga repetidos, controle preciso das taxas de aquecimento/resfriamento, técnicas de fabricação complexas e saídas limitadas de força/torque