آلیاژ حافظه دار چیست؟ [متالورژی، نحوه کار و کاربرد آن‌]

آیا تاکنون در رابطه با آلیاژ حافظه دار چیزی شنیده اید؟ شاید فیلم ترمیناتور ۲ را تماشا کرده‌ باشید؛ در این صورت آیا با دیدن آن چیزی راجع به آلیاژهای حافظه دار به ذهن شما خطور کرده است؟ در این فیلم یکی از شخصیت های رباتی به شکل فلز مایع در می‌آید و دوباره به حالت اولیه خود باز می‌‌گردد. این فیلم در واقع آینده ‌ی آلیاژهای حافظه‌ دار را به تصویر کشیده است!

آلیاژ حافظه دار، یک آلیاژ بین فلزی است که در صورت حرارت دیدن از قابلیت تغییر شکل و بازگشت به حالت اولیه برخوردار است. این آلیاژها اثری شبه الاستیک دارند که به مکانیسم عملکردی آن‌ها بر می‌گردد.

اگر به این گونه مباحث علاقه دارید و به دنبال یک متن دقیق، علمی و در عین حال ساده هستید، با آهن ملل همراه باشید.

مقدمه ای بر آلیاژهای حافظه دار (SMA)

آلیاژهای حافظه دار شکلی(SMA) که معادل انگلیسی آن Shape Memory Alloy است، دسته ای از مواد هوشمند هستند که می توانند شکل اولیه‌ خود را به خاطر بسپارند. این مواد پس از خم شدن، با اعمال حرارت، دوباره شکل اولیه خود را باز خواهند یافت. در واقع SMA ها از خاصیت الاستیسیته بالایی برخوردار هستند.

آلیاژهای حافظه دار ویژگی گفته شده را به دلیل دو فاز بین فلزی منحصر به فرد، یعنی آستنیت و مارتنزیت به دست آورده‌اند.

آلیاژهای حافظه دار فعلی عبارتند از:

• NiTi  یا نیتینول (نیکل-تیتانیوم): نیتینول پیشرفته ترین آلیاژ حافظه دار با خواص مکانیکی عالی است که  تقریباً می‌توان آن را تنها SMA تجاری با دوام دانست.
  
  
• ترکیبات  Cu-Al-Ni وFe-Mn-Si  و Cu-Zn-Al : این ترکیبات از خواص مکانیکی ضعیف‌تری برخوردار هستند و هنوز در مسیر توسعه قرار دارند؛ اگرچه ممکن است زمانی پیش بیاید که  نسبت به Ni-Ti  مزیت بیشتری، مانند دمای تبدیل بالاتر داشته باشند.
  
  
• Ni-Mn-Ga  :  آلیاژهای نیکل-منگنز-گالیوم، از آلیاژ های حافظه دار مغناطیسی هستند که به جای دما، تحت تأثیر میدان‌های مغناطیسی قرار می‌گیرند. آنچنان که از شواهد بر می‌آید آلیاژهای حافظه دار مغناطیسی نیز در مسیر توسعه قرار دارند.
  
  

هنگام بحث درباره آلیاژهای حافظه دار، با چند نکته‌ شاخص برخورد می‌کنیم که شاید بهتر باشد با آن‌ها آشنایی داشته باشیم:

• مارتنزیت :  این مرحله دمای پایین، یک ساختار غیر تعادلی است که در سرعت‌های سرد شدن بالا به وجود می‌آید.
• آستنیت :  این مرحله دمای بالا، یک محلول جامد فلزی غیر مغناطیسی از کربن و آهن است که در فولاد در دمایی بالاتر از دمای بحرانی ۷۲۳ درجه سانتیگراد وجود دارد.
• دمای تبدیل: این دمایی است که در آن، فاز بین آستنیت و مارتنزیت تغییر می‌کند. در واقع، دما یک محدوده است که به میزان گرمادهی یا سرمادهی وابسته است؛ بنابراین دمای شروع مارتنزیت  (M _s )، دمای پایان آن  (M _f )، دمای شروع آستنیت (A _s ) و دمای پایان آن هم (A _f ) است.
• حالت بین فلزی: آلیاژهای حافظه دار در واقع یک حالت بین فلزی دارند. آلیاژها، ترکیبی از عناصر فلزی هستند که علاوه بر تشکیل محلول جامد، احتمال رسوب آن‌ها نیز وجود دارد.

چرا آلیاژهای حافظه دار مفید هستند؟

سوال اینجاست که چرا دانشمندان به آلیاژهای حافظه‌دار هوشمند علاقه‌مند هستند؟ 

از آنجایی که آلیاژهای حافظه‌ دار با قرار گرفتن در معرض گرما تغییر شکل می‌دهند، می‌توانند کارآیی بالایی داشته باشند. در اصل، شما می‌توانید از آنها برای تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی استفاده کنید؛ مثلا شما می‌توانید با به کارگیری سیم ساخته شده از این آلیاژ، یک موتور بسازید.

از آلیاژهای حافظه‌ دار اغلب به عنوان عملگر استفاده می‌شود (عملگرها اساساً سوئیچ‌های کوچکی هستند که اجسام، مثلا ربات‌ها را به حرکت در می‌آورند).

دریچه‌های بال هواپیما (flaps) را تصور کنید. این فلپ ها نمونه‌ای از عملگرها هستند.

عملگرها معمولاً از قطعات زیادی مانند چرخ دنده، مفاصل یا لولاهای خم شونده و حسگرهای الکترونیکی موتور جهت اعمال فشار و کشش ساخته می‌شوند. امکان خرابی هر یک از این قطعات اشاره شده وجود دارد؛ بنابراین عملگرها علاوه بر نیاز به تعمیر و نگهداری، موجب افزایش وزن سیستم هم خواهند شد.

حال اگر بتوانیم تمام این قطعات را با یک قطعه ساخته شده از SMA جایگزین کنیم، چه اتفاقی می‌افتد؟

انجام این کار باعث کاهش پیچیدگی سیستم، صرفه جویی در زمان تعمیر و نگهداری و کاهش خرابی احتمالی خواهد شد. ضمناً در این شیوه، با استفاده از مواد کمتر به وزن کمتری هم دست خواهیم یافت؛ این قابلیت به عنوان مثال در هواپیما بسیار مفید خواهد بود. در واقع تنها عنصر مورد نیاز، یک آلیاژ حافظه دار به همراه قطعه‌ای برای کنترل دمای آن است.

اثر حافظه شکلی (Shape Memory Effect) چیست؟

اثر حافظه شکلی (SME) چیزی است که به آلیاژ حافظه دار (SMA) اجازه می‌دهد پس از گرم شدن، به شکل اولیه خود بازگردد. SME  یک فرایند تبدیل فاز مارتنزیت به آستنیت ناشی از دما است.

این بدان معناست که گرما باعث تغییر آلیاژ از فاز مارتنزیت (B19) به آسنتیت (B2) می‌شود. هنگامی که این تبدیل فاز اتفاق می‌افتد، ماده شکل اولیه را به خود می‌گیرد.

 شبه الاستیسیته چیست؟

آلیاژهای حافظه دار بسیار انعطاف پذیر هستند. این در حالی است که اکثر افراد در رابطه با این ویژگی چیزی نمی‌دانند؛ آن هایی هم که در این زمینه اطلاعاتی دارند معمولاً آن را «سوپرالاستیسیته» می‌نامند.

آلیاژهای حافظه دار با روشی کاملاً متفاوت به درجه انعطاف پذیری می‌رسند. به دلیل این که پیوندهای اتمی کشیده نمی‌شوند، به آن الاستیسیته “کاذب” یا «شبه الاستیسیته» نیز گفته می‌شود.

نمودارهای فاز، تابعی از فشار و دما هستند. در اینجا نمودار فاز فشار و دما برای آهن آمده است: شما می توانید ببینید که تبدیل فاز می تواند به وسیله‌ فشار یا دما اتفاق بیافتد.

کاربرد آلیاژهای حافظه دار

منظور از کاربردهای  SMA، درواقع کاربردهای NiTi (نیکل-تیتانیوم) است. از ویژگی‌های این آلیاژ می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• خواص مکانیکی عالی
• قیمت پایین
• سادگی در ساخت
• غیر سمی بودن
• مقاومت بالا در برابر خوردگی برای کاربردهای زیست پزشکی

اگر تا کنون فلزی را دیده‌اید که انعطاف بسیار بالایی دارد، احتمالا از NiTi  (نیکل-تیتانیوم) ساخته شده است. به عنوان مثال از این نوع آلیاژ در فریم عینک ها و سیم‌های ارتودنسی استفاده می‌شود.

با استفاده از اثر حافظه شکلی، پزشکان می‌توانند از آن ها در استنت ها (stents) یا همان فنرهای رگ برای باز کردن رگ های خونی و کمک به پاکسازی گرفتگی عروق استفاده کنند.

SMA ها را می‌توان در وسایل مرتبط با موارد ایمنی مانند سر دوش ها نیز استفاده کرد. تصور کنید که آب گرم دوش بسیار داغ شده است و امکان دارد  به طور تصادفی باعث سوزاندن شما یا کودکتان بشود. در چنین شرایطی می‌توان یک SMA در سر دوش تعبیه کرد تا در صورت بالا بودن دما، فوراً آب را قطع کند.

از خاصیت شبه الاستیک  در موارد زیراستفاده می‌شود:

• قاب عینک
• ارتودنسی
• پلاتین های فلزی برای کمک به رشد استخوان در کنار هم
• میرایی ارتعاش برای جت یا موتورهای دیگر
• تثبیت سازه (مثلاً در زلزله‌ها)

از اثر حافظه شکلی (SME) می‌توان در موارد زیر استفاده کرد:

• دستگاه های ایمنی حساس به دما
• استنت ها (stents)
• عملگرها (به ویژه دست های مصنوعی یا فلپ های هواپیما)
• موتورها ( البته فعلا از نظر تئوری امکان پذیر است)

آینده آلیاژهای حافظه دار

سه چالش اصلی که آلیاژهای حافظه دار با آن مواجه هستند :

• افزایش طول عمر خستگی
• افزایش دمای تبدیل (تغییر شکل)
• کاهش هزینه

خستگی فلز:

اولین چالش اصلی پیش روی برنامه های کاربردی SME، خستگی است. خستگی زمانی رخ می‌دهد که یک ماده می‌تواند کاری را یک بار به راحتی انجام دهد، اما اگر قرار باشد دوباره سعی کند آن را انجام دهد با نقص و شکست مواجه خواهد شد. برای موارد اضطراری یا اورژانسی، خستگی اهمیتی ندارد، چرا که آن ها را به صورت یک بار مصرف طراحی کرده‌اند.

دمای تبدیل:

 SME با افزایش دما از نقطه تغییر شکل ایجاد می‌شود؛ حال آن کهSMA ها تنها زمانی کار می‌کنند که دمای محیط کمتر از نقطه تبدیل باشد. در NiTi(نیکل-تیتانیوم)، رسیدن به دمای بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد دشوار خواهد بود.۱۰۰ درجه سانتیگراد در واقع یک عدد و نشانه‌ی مهم است، چرا که در این دما SMA می‌تواند بدون خطر گرمای تصادفی بیش از حد، درون آب کار کند.

با این حال، برای این که SME روی هواپیماهای پرسرعت کار کند، دمای تبدیل باید در محدوده ۳۰۰ تا ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد باشد تا از هرگونه اتفاقی به دلیل مقاومت هوا جلوگیری نماید.

کاهش هزینه:

یکی از راه‌های دستیابی به SMA با دمای بالاتر و با خواص مکانیکی مناسب تر، جایگزینی عناصر به جای Ni و Ti است. در هر صورت ، عناصری که دمای تبدیل را افزایش می‌دهند مانند پلاتین، پالادیوم، هافنیوم و طلا نیز بسیار گران هستند.

جمع بندی

آلیاژهای حافظه دار دارای تغییر شکل مارتنزیت-آستنیت هستند که باعث ایجاد اثر حافظه شکلی (SME)  می شود.

آلیاژهای حافظه دار که از خاصیت ارتجاعی کاذب استفاده می کنند در حال حاضر برای موارد و مقاصد زیادی مانند قاب عینک ها، استنت‌ها (فنرهای رگ) و حتی سر دوش‌ها کاربرد دارند. هنگامی که دانشمندان بتوانند اثر حافظه شکلی، به ویژه عمر خستگی را بهبود بخشند، SMAها موارد انتخابی مناسبی برای عملگرها خواهند بود.