آلیاژهای حافظه‌دار

آلیاژهای حافظه‌دار به دسته‌ای از آلیاژها گفته می‌شود که قادرند تغییر شکل و کرنش‌های دائمی که بر آن‌ها اعمال می‌شود را بازیابی نموده و در نهایت به‌شکل اولیه‌ی خود بازگردند.

آلیاژهای حافظه دار دارای دو فاز ثابت هستند . فاز در دمای بالا كه آستنیت ( Austenite )  نامیده می شود و ساختمان آن مكعبی بوده و به علت دارا بودن تقارن بالا محكم تر است . فاز با دمای پایین كه مارتنزیت ( Martensite ) نامیده می شود. شكل آن منوكلینیك بوده و نسبت به آستنیت تقارن كمتری دارد. فاز مارتنزیت از نوع فاز ترموالاستیك بوده و دارای دو خصوصیت لغزنده بودن و انرژی كم فصل مشترك است .

رفتارآلياژهاي حافظه‌دار، براساس يك دگرگوني فازي وتغييرساختاربلوري رخ مي‌دهد كه درآن،آلياژ ازيك ساختارمستحكم وپايدار در دماي بالاتر (آستنيت)، به يك ساختارتغييرفرم‌پذيرپايداردردماي پايين‌تر (مارتنزيت)،تبديل مي‌گردد. ساختار مارتنزیتی در دمای پایین با افزایش دما به ساختار آستنیتی تبدیل می شود و در هنگام سرد کردن، فرآیند عکس رخ خواهد داد

آلیاژهای حافظه دار دو مشخصه بی همتا از خود نشان می دهند :

۱- رفتار حافظه ای)   (Shape Memory Effect

۲- رفتار شبه الاستیك    (Pseudo elastic Behavior)

ویژگی های دیگر این آلیاژها عبارت است از : مقاومت به خوردگی بالا ، مقاومت ویژه الكتریكی نسبتا بالا، خواص مكانیكی نسبتا خوب ، خستگی طولانی ، شكل پذیری بالا و قابلیت انطباق با بدن . مهمترین كاربرد این آلیاژها در صنایع هوا فضا و صنایع پزشكی است.

در سال ۱۹۳۲ مشاهدات ثبت شده درباره پديده حافظه داري شكلي توسط Change و Read انجام شد. آنها وارون پذيري حافظه شكلي را در AuCd از طريق مطالعات فلز شناسي و تغييرات مقاومت آلياژ ، بررسي كردند.

در سال ۱۹۵۶ مشاهدات و نتايج تحقيقات مربوط به تز دكتراي Horbojen در موضوع اثر حافظه دار در آلياژCu-Zn منتشر شد. . در سال ۱۹۶۲ Buhler و همكارانش در آزمایشگاه نیروی دریایی ایالات متحده امریکا به بررسي پديده حافظه داري شكلي در آلياژ Ti-Ni كه داراي اتمهاي  برابر مي باشند پرداختند. در اين هنگام تحقيق درباره متالورژي و كاربردهاي عملي اوليه آن به طور جدي آغاز شد.

عاملي كه سبب تغيير شكل فلز و يا بازگشت به شكل اوليه آن مي‌شوداختلاف ساختار مولكولي در هر فاز است. زماني كه بار اعمال مي‌شود، فلز تغيير شكل مي‌دهد. سپس به محض برداشته شدن بار و اعمال كمي گرما، مولكول‌ها به شكل ساختاري سخت در مي‌آيند، به گونه‌اي كه به يك ساختار با شبكه‌اي متفاوت مبدل مي‌شوند

در پديده حافظه داري، نمونه در حالت كاملاً مارتنزيتي به مقدار معيني تغيير فرم داده مي شود سپس با گرم كردن نمونه و برگشت آن به حالت آستيني، شكل نمونه نيز به حالت اول خود برمی گردد

تغيير آرايش اتم ها بدون هيچگونه تغييري در تركيب شيميايي فاز زمينه را نشان مي دهد. اين تغيير آرايش منجر به ايجاد ساختار كريستالي فاز جديد و پايدار مي شود. پيشرفت تغيير حالت بدون نياز به حركت و جابجايي اتمها به صورت مجزا ، را مي توان مستقل از زمان دانست و به همين دليل مي توان وابستگي دما را به عنوان تنها عامل پيشرفت اين تغيير نشان داد.

در اثر خم کردن میله حافظه دار در دمای پایین و جایی که فاز مارتنزیت حاکم است، تغییر فرم پلاستیک در میله رخ داده و طول آن زیاد می شود. حال اگر میله خم شده، گرم شود و فاز آستنیت حاکم گردد، میله به بهینه ترین حالت به شکل اولیه خود بر می گردد. وقتی هم که میله سرد شود و به فاز مارتنزیت برگردد، نیز کرنشهای پلاستیک کاملا حذف شده اند و به حالت اولیه درخواهد آمد.

آلياژ هاي حافظه دار در درجه حرارت هاي مختلف داراي خصوصيات مكانيكي بسياري مي باشند.

تغيير شكل در مارتنزيت با چند در صد كرنش و تنش فشاري نسبتاً كم ديده مي شود . در حاليكه آستنيت در درجه حرارت بالا نياز به تنش نسبتا زيادي براي تغيير شكل دارد.

اثر حافظه دار يك طرفه و دو طرفه:

الف )اثر حافظه دار يك طرفه: در صورتيكه اثر حافظه داري فقط بعد از تغيير شكل در حالت مارتنزيتي و سپس در سيكل گرم كردن مشاهده شود به آن اثر حافظه يك طرفه گفته مي شود.

ب) اثر حافظه دار دوطرفه: برگشت پذيري به حالت اوليه خود در اثر سرد و گرم كردن آلياژ هاي حافظه دار دو طرفه در بازه معيني از دما امكان پذير است.اگر فنر گرم شود باز شده و در سيكل سرد شدن مجدداً به شكل جمع شده در مي آيد.

بايد توجه داشت كه آلياژ هاي حافظه دار براي اينكه اثر حافظه دار دو طرفه از خود نشان دهند نياز به انجام عمليات ترمومكانيكي خاصي بر روي آنها مي باشد.

سیستم‌های بر پایه مس (مثلاً ‎Cu-Sn، Cu-Zn، Cu-Al‎) و سیستم‌های بر پایه ‎NiTi (مثلاً نایتینول). خواص حافظه‌داری سیستم‌های سه‌تایی بسیاری بر پایه این سیستم‌های دوتایی بررسی شده است.

 از مزایای آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌ی مس، می‌توان به دمای کاری بالا، قیمت پایین‌تر و راحت‌تر بودن فرآیند تولید در مقایسه با آلیاژهای حافظه‌دار نایتینول اشاره کرد. مهم‌ترین کاربرد آلیاژهای حافظه‌دار پایه‌ی مس، در حسگرها و محرک‌هاست

برخي نمونه‌ هاي آلياژ حافظه‌دار شامل عناصري است كه در جدول معرفي شده‌اند

قابلیت های مختلف آلیاژهای حافظه دار

قابلیت بازيابي آزاد (استفاده از حركت) :

كاربردهايي كه در آن‌ها، آلياژ حافظه‏‌دار در حين سرد و گرم‏‌شدن، آزادانه شكل اوليه‌ی خود را بازيابي مي‏‌كنند، بدون آن‌كه يك تنش بيروني، از اين كار ممانعت به‌عمل آورد و بنابراين، توليد يك كرنش بازيابي مي‏‌كنند. براي مثال، در آنتن‏‌هاي سفينه‏‌هاي فضايي كه پس از قرارگرفتن سفينه در فضا، بدون اعمال تنش بيروني و فقط با استفاده از گرم‏‌كردن، باز مي‏‌شوند.

قابلیت بازيابي مقيد (استفاده از نيرو) :

به كاربردهايي اطلاق مي‏‌شود كه در آن‌ها، نيروي خارجي، جلوي بازيابي كرنش در آلياژ را مي‏‌گيرد. اگرچه در اين كاربردها، هيچ كرنشي بازيابي نمي‏‌شود، ولي مقدار زيادي تنش ايجاد مي‏‌شود. از اين خاصيت، در كاربردهايي مانند چفت‏‌ها و بست‏‌ها و كوپلينگ‏‌هاي لوله استفاده مي‏‌شود. اين كاربرد، وسيع‏‌ترين كاربرد برای این آلياژ را شامل مي‏‌شود.

قابلیت بازيابي تحت فشار (استفاده از كار) :

به كاربردهايي اطلاق مي‏‌شود كه در آن‌ها، هم تنش و هم كرنش در حين گرم‏‌كردن بازيابي شده و كار مكانيكي ايجادشده، مورد استفاده قرار مي‏‌گيرد. اين خاصيت، در محرك‏‌ها مورد استفاده قرار مي‏‌گيرد. اين محرك‏‌ها، به دو نوع محرك‏‌هاي گرمايي و الكتريكي تقسيم مي‏‌شوند.

رمصداقی از کاربرد یک سیم از جنس آلیاژ حافظه‌دار را می‌توان مشاهده نمود که با تغییر دمای ناشی از مقاومت سیم در برابر جریان و بسته به شرایطی که برای سیم حافظه‌دار تعریف شده‌است، سیم در محدوده‌ی معینی، انبساط و انقباض می‌یابد.

قابلیت ابركشساني (ذخيره‌ی انرژي مكانيكي) :

اين كاربرد، براساس وجود درصد بسيار بالاي خاصیت كشساني يا بازگشت فنري كه در اكثر آلياژهاي Ti-Ni يافت‌ مي‏‌شود، بنيان نهاده‌شده‌است و باعث ذخيره‌شدن انرژي مكانيكي مي‏‌شود و در كاربردهايي نظير فنرها، مورد استفاده قرار مي‏‌گيرد. اگرچه محدوده‌ی دمايي بروز اين خاصيت كوچك است، ولي در همين محدوده، آلياژ مي‏‌تواند رفتار الاستيكی معادل ۱۵ برابر فولادهاي فنری را از خود نشان‌دهد.

قابلیت ميراكنندگي ارتعاشات :

از اين خاصيت، براي مهار ارتعاشات در سازه‏‌هايي كه تحت ارتعاشات شديد قرار دارند، استفاده مي‏‌گردد. براي مثال، مي‏‌توان به صفحات آزاد ميراكننده‌ی ارتعاش در سفينه‏‌هاي فضايي اشاره كرد. همچنين، مي‏‌توان از اين آلياژها، در پي ساختمان، براي ميراكردن ارتعاشات ناشي از زلزله استفاده كرد.

کاربردهای آلیاژهای حافظه دار:

هوافضا

پزشکی

خودروسازی

رباتیک

کاربردهای هوافضا:

یکی از اولین کاربردهای آلیاژهای حافظه‌دار در مقیاس انبوه، استفاده در اتصالات لوله‌های هیدرولیک هواپیمای اف-۱۴ بود.

سطح بال وسيع هواپيما موجب سهولت برخاستن و فرود مي‌شود، اما در سرعت‌هاي مافوق صوت، به‌عنوان عاملي مزاحم، مقاومت زيادي ايجاد مي‌كند كه ضريب DRAG هواپيما را افزايش مي‌دهد. امروزه با ورود مواد هوشمند به صنعت هواپيما و ساخت بال‌هاي قابل جمع شدن، به تمام شرايط مورد نظر پاسخ داده مي‌شود

لباس سبک و راحت برای فضانوردان

كاربردهای پزشكي:

كاربرد پزشكي آلياژ هاي حافظه دار به عنوان يك عملگر با اثر باقيمانده در داخل بدن قابل بررسي است آلياژي كه در بدن افراد براي بهبود رفتار باليني اعضاي آنها بكار گرفته شده است نبايد مولد هيچ گونه حساسيتي باشد علاوه بر آن آلياژ بكارگرفته شده نبايد به صورت ذراتي از يون آن ماده وارد خون شخص گيرنده اين گونه آلياژها شود.

 تحقيقات نشان مي دهد كه آلياژNi-Ti در كاربرد و استفاده، نسبت به بقيه آلياژها از موقعيت خوبي برخوردار است

آلیاژهای حافظه‌دار همچنین به جای مفصل ران هم کاربرد دارند که ناشی از قابلیت ارتجاعی بسیار بالای (سوپرالاستیسیته) آن است.

كاربردهای پزشکی-ارتوپدی:

از آلياژهاي حافظه دار (SMA) به عنوان فضا گير يا spacer بين مهره هاي ستون فقرات در حين عمل جراحي استفاده مي شود كه موجب استحكام ما بين دو مهره در حين بهبودي بعد از تغيير شكل ايجاد شده در جراحي اسكوليدز مي شود .

ترميم و بهبود شكستگي استخوان از ديگر كاربردهاي ارتوپدي آلياژ هاي حافظه دار مي باشد. انواع مختلفي از بست هاي با خاصيت حافظه داري در ترميم شكستگي يا ترك استخوان ساخته شده است. بست ها به صورت باز شده در محل شكستگي يا ترك معمولاً پيچ شوند. با كمك گرما بست ها به گونه اي تغيير شكل مي يابند كه دو طرف شكستگي يا ترك را با هم يكي كرده و مي فشرند. گرماي ايجاد شده را مي توان به كمك يك وسيله خارجي به آلياژ منتقل كرد.

عموماً از اين بست ها در مواقعي استفاده مي شود كه محل شكستگي يا ترك را نتوان گچ گرفت، مانند نواحي صورت شامل، بيني ، فك و حفره چشم از جمله محل هاي مورد كاربرد مي باشند.

از ديگر كاربردهاي ارتوپدي اثرات آلياژ هاي حافظه دار در فيزيوتراپي عضلات ضعيف مي باشد . تصوير دستكشي را نشان مي دهد كه سيم هايي باخاصيت حافظه داري بر روي ناحيه انگشتان دستكش واقع شده است. كه موجب تقويت حركت عضلات و برقراري دامنه مناسب حركات مفصلي با استفاده از خاصيت حافظه داري سيم هاي دستكش استفاده مي شود به طوريكه با گرم كردن سيم طول سيم ها كوتاه شده و انگشتان به داخل خم مي شوند و با سردكردن طول سيم ها زياد شده و انگشتان كاملا‌ً كشيده مي شوند . اين پديده براي به كار انداختن مفاصل نيمه ثابت استفاده مي شود.

كاربردهای دندانپزشکی:

استفاده از آلیاژ حافظه‌دار در ارتودنسی دندان، شکل دیگری از قابلیت‌های آن است. سیم‌های ارتودنسی از جنس Ni-Ti  وقتی در دمای ثابتی هستند شکل خود را حفظ می‌کنند، و به دلیل قابلیت سوپرالاستیسیته‌ی این فلز، سیم‌ها، شکل اولیه‌ی خود را بعد از تکرار فشار و حذف آن دوباره به‌دست می‌آورند.

كاربردهای پزشکی-قلب و عروق:

فيلتر سيمون نسل جديدي از وسايل استفاده شده براي جلوگيري از انسداد جريان خون مي باشد افرادي كه قادر به استفاده از داروهاي ضد انعقاد خون نمي باشند، استفاده كننده هاي اصلي اين فيلتر مي باشند. هدف استفاده از اين وسيله تصفيه خون داخل رگ مي باشد و فيلتر سيمون كمك مي كند لخته هاي بوجود آمده در خون حل شود.

مسدودكننده سوراخ ديواره دهليزي:

 از اين وسيله براي مسدود كردن سوراخ ديواره دهليزي كه بين دو دهليز چپ و راست ايجاد مي شود استفاده مي گردد.

اين وسيله از سيم هايي با خاصيت حافظه داري و فيلم ضد آب كه روي آن نصب شده است، تشكيل مي شود. براي نصب اين وسيله در داخل قلب ابتدا نيمه اول آن وارد بطن چپ شده وبه شكل اوليه خود بر مي گردد و در ادامه نيمه دوم كه در بطن راست قرار مي گيرد تغيير شكل يافته ، به شكل اوليه خود بر مي گردد. در انتها هر دو نيمه به ديواره بطني متصل شده اند . به طوري كه از ورود جريان خون از دو بطن به يكديگر جلوگيري مي شود.

استنت هاي باز شونده خودكار نيز از جمله وسايل مهمي است كه در حفظ قطر داخلي رگ هاي تنگ شده و كاهش قطر و بسته شدن آنها كاربرد دارد . استنت ها به شكل استوانه هاي توري ساخته مي شوند و متناسب بانوع و محل كاربرد داراي اقطار متفاوتي مي باشند

از جمله محل هاي مورد استفاده از استنت ها سرخرگ ، سياهرگ، رگ هاي خوني ،مجاري ، صفراوي و مري مي باشد. براي نصب در داخل عروق ابتدا فاز مارتنزيتي از شكل اصلي به حالت متراكم شده تبديل و پس از قرار دادن در محل مورد نظر به شكل خود بر مي گردد. در طول زمان استنت در بدن حل می شود.

Thrombectomy با کمک این وسیله می توان لخته های خونی را که منجر به وقوع کم خونی موضعی می شود، از بین برد. نوک وسیله به شکل دربازکن بطری طراحی شده است.

حذف لخته های خونی در سه مرحله انجام می شود. (a) استنت در شکل موقت خود مستقیما از داخل لخته خونی عبور داده می شود. (b) سپس استنت به وسیله یک لیزر دیودی حرارت داده شده، به شکل اولیه خود در می آید. (c) در نهایت هنگام بیرون کشیدن، استنت لخته های خونی را از بین میبرد

كاربردهای پزشکی-وسایل جراحی:

سبد حافظه دار براي خارج كردن سنگ هاي مثانه و صفراوي مورد استفاده قرار مي گيرد.

كاربرد پمپ بالوني داخل آئورت شكل چپ براي جلوگيري از مسدود شدن رگ هاي خوني در هنگام آنژيوپلاستي مي شود اين وسيله داري تيوب با اثر حافظه داري است وعملكرد آن با مواد پلي مري كه خاصيت ارتجاعي دارند قابل مقايسه است.

انواع انبرك هاي شامل انبرك هاي قيچي دار و پنس مورد استفاده در لاپاراسكوپي را نشان مي دهد. دقت و نرمي در حركت از جمله خصوصيات اين ابزار مي باشد.

کاربرد در صنایع خودروسازی:

امروزه آلیاژهای حافظه دار جهت کنترل موتور، انتقال قدرت وتوقّف اتومبیل استفاده می شود. همچنین از آن ها به عنوان جا یگزینی به جای اجزای موتوراستفاده می شودکه درهرچه سبکترکردن سیستم تحریک، حذف گیربکس وکلاچ  موثر است

كاربرد در رباتیک:

ربات ۶۰ میلی‌گرمی پرنده،نمونه‌ای ازکاربرد آلیاژهای حافظه‌دار در علم روباتیک.

كاربردهای دیگر:

خطوط و لوله‌های حامل گاز و یا سیالات سمی یا اشتعال پذیر بایستی به دلیل جلوگیری از حوادث فاجعه آفرین، به شدت کنترل شوند. بنابراین سیستم‌های کنترلی می‌توانند توسط آلیاژهای حافظه‌دار برنامه‌دار شوند تا به محض افزایش دما خاموش شوند. که این امر تا حدود زیادی می‌تواند از مشکلات احتمالی در صنایعی نظیر پتروشیمی، گاز، داروسازی و … بکاهد.

در آگهی‌های تجاری خاص، شرکت‌های سازنده‌ی عینک، نشان می‌دهند که قاب یا فریم‌های عینک می‌توانند خم و کج بشوند و مجددا به حالت اول خود بازگردند که در واقع این فریم‌های عینک از فلزات حافظه‌دار با خاصیت سوپرالاستیسیته ساخته شده‌اند.