Что такое сплавы с памятью формы? Руководство по их свойствам и применению

SMA - это сплавы с памятью формы, которые представляют собой "умные" материалы, способные запоминать свою форму и изменяться под воздействием тепла. В этой статье авторы расскажут читателям о том, что такое SMA, как они работают, о некоторых распространенных материалах, таких как нитинол, об их применении в аэрокосмической промышленности, робототехникамедицина и т.д., работа с ними, проблемы и текущие направления исследований.

Магия сплавов с памятью формы: Материалы, которые запоминают свою форму

SMA, или сплавы с памятью формы, - это особые металлы, которые склонны менять свою форму в ответ на изменение температуры. Атомы в SMA имеют тенденцию выстраиваться в две различные кристаллические структуры.

Атомная структура

SMA состоят из очень крошечных атомов, которые располагаются вместе в узорах, называемых кристаллическими структурами. При одной температуре атомы предпочитают плотно прилегать друг к другу в сжатой структуре, называемой мартенситом. При более высокой температуре они расходятся в открытую структуру, называемую аустенитом. Способность переключаться между этими атомными структурами - вот что придает SMA особые свойства сплавам с памятью формы.

Изменение формы под воздействием тепла

Если SMA изогнуть, находясь в мартенситной структуре, он запомнит эту новую форму. Но при нагревании выше определенной точки он переходит в аустенитную структуру и возвращается к своей первоначальной, неизогнутой форме. Это называется эффектом памяти формы. Например, проволока SMA может быть согнута, но затем снова стать прямой при нагревании горячей водой.

Застревание в изогнутой форме

Некоторые SMA демонстрируют еще один эффект холода, называемый сверхэластичностью или псевдоэластичностью. Если в холодном состоянии их согнуть до определенного предела, их атомы резко переходят в мартенситную структуру, чтобы принять новую форму и не сломаться. Но при разгибании они плавно переходят обратно в аустенит, не требуя нагрева. Металл как будто застревает в сплаве с памятью формы до тех пор, пока его не разогнут.

Как нитинол помогает организму

Нитинол - это такой уникальный 3D-печать металла которые могут запоминать свою форму. Врач использует нитинол в человеческом теле из-за его типа памяти, известного как сплавы металла с памятью формы. Он помогает устранять проблемы и давать лекарства.

Откройте стенотическую часть артерии

Иногда жировые отложения скапливаются внутри артерий и блокируют поток крови - это называется закупоркой. Врачи вставляют крошечные сетчатые трубки, называемые стентами, чтобы открыть закупоренные артерии. Стенты изготавливаются из нитинола. Они сжимаются до небольших размеров и помещаются в артерии с помощью тонкой гибкой трубки, называемой катетером. Когда стент установлен, он нагревается теплом тела и раскрывается до своей незакупоренной формы, сохраняя артерии открытыми для кровотока.

Замена суставов облегчает боль

Еще одно применение - использование нитинола для замены частей сустава, который износился - например, коленного или тазобедренного. Замена суставов обеспечивает плавное движение. Нитиноловые имплантаты гибки, поэтому они двигаются как настоящие кости. Во время операции им придают форму, соответствующую телу, и затем они запоминают эту форму. Благодаря этому имплантаты служат долго, не изнашиваясь.

Медицина вовремя

Врачи делают крошечные контейнеры из нитинола для переноса лекарств внутри тела. Лекарство хранится внутри до тех пор, пока не наступит время выпустить дозу. Контейнеры разработаны таким образом, чтобы открываться при определенной температуре в одной из частей тела. Это позволяет вводить нужное количество лекарства в нужное время без хирургического вмешательства для замены контейнера. Сплавы нитинола с памятью формы точно в срок помогают излечить болезнь.

Нитиноловые крылья, меняющие форму

Инженеры используют нитинол в крыльях и деталях самолетов, потому что он может самостоятельно менять форму. Нитинол "запоминает" две формы - как он выглядит в прямом положении и как он выглядит в согнутом. Это помогает самолетам лучше летать в разную погоду.

Крылья, которые адаптируются к ветру

Инженеры аэрокосмической отрасли создают специальные крылья для самолетов из нитинола. Эти крылья могут изменять форму сплавов с памятью формы во время полета благодаря крошечным нитиноловым проволочкам внутри. При сильном ветре проволочки нагреваются от трения с воздухом. Тогда нитинол "понимает", что нужно немного согнуть крыло. Это позволяет крыльям сохранять правильную форму, чтобы воздух плавно обтекал их. Это позволяет самолетам летать уверенно, не дрожа, даже во время шторма.

Закрылки, которые двигаются сами по себе

Закрылки на обычных самолетах двигаются с помощью людей или моторов. Но закрылки из нитинола могут менять угол наклона самостоятельно! Инженеры делают закрылки из нитинола. Во время взлета и посадки закрылки должны отклоняться вниз, чтобы помочь самолетам замедлиться или ускориться. Нитиноловые проволоки в закрылках чувствуют изменения температуры при быстром или медленном полете. Они автоматически опускают закрылки в нужное положение без каких-либо двигателей. Это экономит топливо и делает полеты более эффективными.

От форсунок до кронштейнов - детали, меняющие форму

Во многих небольших приводных деталях самолетов и ракет используется нитинол. В качестве примера можно привести сопла ракетных двигателей, которые меняют площадь выхода для разных скоростей. Шарниры из нитинола позволяют подвижным кронштейнам фиксироваться на месте без винтов. Благодаря сплавам с памятью формы нитинол помогает аэрокосмическая промышленность Компоненты меняют форму именно тогда, когда это необходимо, для более безопасного и плавного полета.

Роботы, которые двигаются с помощью памяти формы

Инженеры используют сплавы с памятью формы, или SMA, чтобы заставить роботов двигаться самостоятельно, без батареек и проводов. SMA "запоминают" две формы и могут переключаться между ними благодаря изменению температуры. Это особое свойство позволяет им действовать как мышцы для роботизированных систем.

Актуаторы SMA Приводят в движение роботов

Многие роботы используют провода или полоски SMA в качестве автономных исполнительных механизмов. При подаче напряжения или горячей воды SMA "запоминает", что нужно согнуться или растянуться. Это движение позволяет суставам робота поворачиваться, захватам открываться и закрываться, и многое другое. Например, рука робота имеет SMA-актуаторы в каждом пальце, которые сгибают его в положение захвата. Роботы с дистанционным управлением под водой или в космосе тоже могут использовать SMA-актуаторы без электроники.

Разработка более похожих на жизнь "мягких" роботов

Благодаря SMA роботы могут иметь более гибкие и легкие тела, похожие на тела животных или людей. Инженеры создают "мягких" роботов с помощью SMA-проводов с силиконовым покрытием, встроенных в гибкие трубки или листы. При нагревании SMA локально сжимаются, вызывая сложные движения, такие как сгибание, разгибание или хватание без жестких компонентов. Возможно, эти мягкие роботы когда-нибудь помогут в спасательных операциях или медицинских процедурах, ориентируясь в необычных условиях.

Эффект памяти формы, которым обладают сплавы SMA, позволяет им обеспечивать реалистичные движения роботов. Это открывает новые возможности для автоматизации на суше, на море, в воздухе, в космосе и даже внутри человеческого тела.

Использование памяти формы для обеспечения безопасности зданий

Инженеры-строители используют сплавы с памятью формы в конструкциях, чтобы помочь противостоять землетрясениям, контролировать износ инфраструктуры и многое другое. SMA "запоминают" свою форму и изменяются при нагревании, что благоприятно сказывается на строительстве.

Демпферы, смягчающие землетрясения

SMA помогают защитить здания от землетрясений. Инженеры устанавливают демпферы, работающие на SMA, в зданиях между полами и фундаментами. Во время землетрясений полы и фундаменты вибрируют на разных частотах. Обычно это со временем приводит к повреждениям. Но SMA-демпферы обнаруживают вибрации. Они сжимаются, поглощая и рассеивая энергию от сотрясающих движений. Это смягчает деформации конструкции при землетрясениях без дополнительных затрат энергии.

Проверка усталости металла

Проволочные катушки SMA могут оценить усталость мостов, туннелей и других объектов инфраструктуры. Катушки, размещенные в критических металлических местах, медленно сжимаются в течение многих циклов нагрузки. Инженеры регулярно проверяют катушки. Если катушка сжимается сильнее, чем ожидалось, она подает сигнал в ближайший офис. изготовление металлических листов может ослабнуть от повторяющихся нагрузок раньше, чем планировалось. Это побуждает к более тщательному осмотру, прежде чем произойдет поломка.

Определение деформаций после катастроф

После землетрясений или наводнений датчики, обмотанные SMA, размещенные в трещинах на дорогах и зданиях, позволяют властям дистанционно отслеживать их расширение. Если трещины со временем становятся больше, это свидетельствует о наличии нестабильности, требующей дорогостоящего ремонта. Небольшие датчики SMA помогают определить приоритетность наиболее срочных потребностей в реконструкции без утомительных измерений на месте.

Трудности работы со сплавами с памятью формы

Хотя SMA демонстрируют невероятные адаптивные свойства, реализация их полного потенциала требует решения проблем, связанных с долговечностью, Термодинамика, и производство.

SMA подвергаются напряжению каждый раз, когда они переходят от одной атомной структуры к другой. Эта усталость может привести к ослаблению или деградации в течение многих непрерывных циклов. Повышение срока службы остается важной задачей.

Эффект сплавов с памятью формы также в значительной степени зависит от механизмов нагрева и охлаждения. Тщательное терморегулирование обеспечивает равномерное достижение SMA необходимых температур для стабильной работы. Условия реальной жизни могут повлиять на термоконтроль.

Производство SMA с точными, сложными геометрическими формами для различных механических функций требует тщательных и часто дорогостоящих методов изготовления. Инженеры исследуют новые методы экономически эффективного изменения свойств SMA.

В заключение можно сказать, что сплавы с памятью формы демонстрируют замечательную адаптивную природу, позволяющую использовать их в различных областях. Продолжающиеся исследования направлены на решение проблем и расширение возможностей этих "умных" материалов. Будущие области применения будут зависеть от того, насколько хорошо SMA будут удовлетворять развивающиеся потребности благодаря присущей им памяти формы.

Заключение

В заключение хочу сказать, что сплавы с памятью формы демонстрируют поистине уникальные свойства, которые стали причиной огромного количества инновационных применений в самых разных областях. Их способность автоматически "запоминать" и изменять форму в зависимости от температуры обеспечивает полезность в отличие от обычных материалов. Сплавы с памятью формы позволили усовершенствовать медицинские приборы, повысить надежность робототехники и технологий автоматизации, улучшить конструкционные решения в аэрокосмической и гражданской технике и многое другое.

Однако полное использование их адаптивных возможностей требует постоянной работы над решением проблем. Исследователи по всему миру продолжают стремиться лучше понять поведение материалов из сплавов с памятью формы, усовершенствовать производственные процессы, повысить механические характеристики и долговечность, а также усовершенствовать методы точного термоконтроля и передачи энергии. Решение этих задач поможет расширить границы возможного с помощью "умной" технологии SMA. Будущее остается ярким благодаря расширению знаний об этих замечательных Легированные материалы и их потенциал для создания еще более впечатляющих и меняющих жизнь приложений.

Вопросы и ответы

В: Как SMA меняют форму?

Наиболее широко используемый SMA известен как нитинол и относится к категории никель-титановых сплавов. Другие материалы SMA включают медно-цинково-алюминиевые и железо-марганцево-кремниевые сплавы.

В: Каковы области применения SMA?

Мы используем SMA в таких приложениях, как биомедицинские стенты, ортодонтические выравниватели, сосудистые имплантаты, авиационные приводы, термоактивируемые крепежные элементы, самовосстанавливающиеся материалы, а также роботизированные суставы и захваты.

В: Какие сложности возникают при работе с SMA?

Некоторые проблемы включают усталость от повторяющихся циклов нагрузки, точное управление скоростью нагрева/охлаждения, сложные технологии производства и ограниченные значения силы/крутящего момента.