عملگرهای آلیاژهای حافظه دار

در حین بارگذاری، رابطه تنش-کرنش تا رسیدن به تنش بحرانی خطی می­باشد. با گذشتن از این حد تنش، قطعه وارد ناحیه تبدیل شده و مارتنزیت دوقلویی شده به مارتنزیت غیردوقلویی شده تبدیل می­شود. در این ناحیه با افزایش کم تنش، کرنش های بزرگ اتفاق می­افتد. به این کرنش، کرنش تبدیل گفته می­شود. در هر نقطه­ای با افزایش دمای ماده به بالای دمای آستنیتی شدن، ماده شروع به آزاد کردن تنش پسماند خودد می­نماید که با ایجاد نیرو و حرکت همراه است. در ای چرخه امکان ایجاد نیروهای بزرگ وجود دارد که باعث می­شود بتوان از آنها در ساخت عملگر به خوبی استفاده کرد.

ویژگی­های اساسی SMAها
SMAها آلیاژهای فلزی هستند که قادرند تغییر فازهای جامد-جامد انجام دهند و به این خاطر می­توان از این خواص آنها به عنوان پاسخ در سیستم­های هوشمند استفاده نمود.

** اثر حافظ شکلی یک راهه
اثر حافظ شکلی یک راهه، یک نوع قابلیت خاص SMAها در بازیابی شکل اولیه خود است. این آلیاژها می­توانند در اثر گرم شدن شکل اولیه خود را که در حالت آستنیتی دارند بازیابی نمایند. اما برای بازیابی شکل حالت سرد شده خود نیازمند اعمال نیروی مجدد هستند.

** اثر حافظ شکلی دوراهه
اثر حافظ شکلی دوراهه یا اثر حافظ شکلی قابل برگشت، یک نوع قابلیت آلیاژ در بازیابی شکل از پیش تعیین شده در حالت گرم (با گرم نمودن آلیاژ) و بازیابی مجدد شکل حالت سرد هنگام سرد شدن می­باشد.

** اثر حافظ شکلی همه جانبه
اثر حافظ شکلی همه جانبه یک حالت خاص از اثر حافظ شکل دوراهه است. تفاوت این دو اثر این است که:

1) با اثر حافظ شکل همه جانبه امکان تغییر شکل بیشتری وجود دارد.

2) شکل حالت سرد و گرم آلیاژ دقیقا قرینه یکدیگرند و این اثر ایجاد یک انحنای کاملا برعکس را ممکن می­سازد.

** رفتار هیستریزیسی
به خاطر فرایندهایی که در سطح اتمی رخ می­دهد، در اثر تغییر دما یک اثر هیستریزیسی رخ می­دهد. به عبارت دیگر تغییر شکل از آستنیت به مارتنزیت در یک بازه دمایی کوچکتری در مقایسه با تغییر فاز مارتنزیت به آستنیت رخ می­دهد. هیستریزیس به تفاوت بین دمایی که 50 درصد ماده در اثر گرم شدن به آستنیت تبدیل شده و دمایی که 50 درصد آن در اثر سرد شدن به مارتنزیت تبدیل شده است گفته می­شود. اکثر SMAها دارای حلقه هیستریزیسی 10-50 هستند. اما تعیین دقیق آن منوط به ترکیب شیمیایی آلیاژ و فرایند عملکرد آن دارد.

** سوپرالاستیسیته
سوپرالاستیسیته به قابلیت آلیاژ در برگشتن به حالت اولیه خود با برداشتن بار و پس از تغییر شکل مشخص گفته می­شود. وقتی که یک آلیاژ حافظ شکل در دمای بالاتر از و پایین تر از (دمایی که در بالاتر از آن مارتنزیت ناشی از تنش تشکیل نمی­شود) تغییر شکل می­دهد، مارتنزیت ناشی از اعمال تنش تشکیل می­شود. پس از برداشتن بار، مارتنزیت تشکیل شده ناپایدار شده و به حالت آستنیتی خود بازمی­گردد.

** ظرفیت میرایی ارتعاش
به خاطر رفتار میکروساختاری، SMAها در میان سایر فلزات بیشترین خاصیت میرایی ارتعاشات را دارند. این میرایی غیرخطی بوده و مستقل از فرکانس می­باشد اما به تغییرات دما و چرخه­های گرمایی حساس است.

** کاربرد در عملگرها
اخيرا استفاده از آلياژهای حافظه دار به عنوان عملگر، مخصوصا در فرم سيم، توسعه­ی فراواني یافته است. دو روش عمده برای استفاده از عملگرهای حافظه دار در کاربردهای صنعتی وجود دارد. روش اول، تعبيه ی یک عملگر حافظه دار بر روی سطح یک ماده­ی ميزبان است، در حاليکه روش دوم، استفاده از یک عملگر حافظه دار خارجی در کنار سازه است. در حاليکه روش نخست دارای مشکلاتی نظير انتقال حرارت مي باشد که باعث بروز مشکلاتی در پاسخ فرکانس بالای عملگر از جنس آلياژ حافظه دار می شود، عملگرهای خارجي گزینه مناسبی برای استفاده می باشند.

از آنجایي که نيروی بازیابی، توسط یک المان حافظه دار مقيد شده، در راستای تغيير شکل برگشت پذیر اعمال می شود، این نيرو می تواند برای توليد کار استفاده گردد. بنابراین المان حافظه دار مي تواند جزو عملگرهای حرارتی طبقه بندی شود، در واقع در سيستم های دارای این نوع عملگر، انرژی گرمایی مستقيما به انرژی مکانيکی تبدیل مي شود. مهم ترین مزایای استفاده از آلياژهای حافظه دار به عنوان المان های تحریک کننده عبارتند از:

** سادگي مکانيزم اجرا و تحریک

** ایجاد شرایط کاری تميز، آرام، بدون نياز به جرقه و بدون گرانش[1]

** نرخ توان بالا به نسبت وزن (یا توان بر حجم)

علي رغم این مزیت های مهم، بعضي موانع نيز در استفاده از عملگرهای حافظه دار باید در نظر گرفته شود. از جمله :

** بازده انرژِی پایين (استفاده از سيم های تحت کشش قرار داده شده برای بازدهی بيشتر

سودمند است )

** پهنای باند محدود، بنابر محدودیت های گرم کردن و سرد کردن

** ازهم پاشيدگی و خستگی

از جمله مهم ترین کاربردهای عملگرهای آلياژ حافظه دار مي توان به رباتيک اشاره کرد. در کاربردهای رباتيکي سه موضوع مهم وجود دارد که انواع عملگرهای متعدد را از همدیگر متمایز مي کند. این موضوعات عبارتند از :

** نوع تغيير شکلی که المان حافظه دار پيدا می کند : خمش، پيچش یا کشش خالص

** موقعيت فيدبکی که عملگر را قادر مي سازد تا به حالت آزاد برگردد.

** روش حرارت دادن و سرد کردن المان فعال ) عمدتا گرمایش مقاومتی، گرمایش القایی، گرمایش غوطه وری و انرژِی RF)

کاربردهای عملگرهای SMA
در حاليکه بسياری از سيستم های آلياژی، رفتار حافظه شکلي نشان مي دهند، اما فقط اندکي از آن ها در مقياس تجاری گسترش یافته اند (NiTi, NiTi-X, Cu-Zn-Al). در حال حاضر بيش از 90 درصد کاربردهای آلياژ حافظه دار بر پایه آلياژهای نيکل تيتانيوم یا آلياژهای سه گانه NiTi-Cu, NiTi-Nb هستند.

اگرچه آلياژهای نيکل تيتانيوم بسيار گران تر از آلياژهای حافظه دار بر پایه مس هستند و ماشين کاری آن ها سخت تر است؛ دلایل متعددی برای استفاده از این آلياژها در پيشرفت های اخير وجود دارد. آلياژهای نيکل -تيتانيوم، محکم تر و انعطاف پذیرتر هستند و در حالت کلي در کاربردهای سيکلي پایداری بالاتری دارند.

آلياژهای نيکل تيتانيوم در شکل سيم ها و فيلم های نازک در دسترس هستند و مقاومت الکتریکي بالایي دارند که تحریک الکتریکي را بسيار آسان تر مي کند.

آلیاژهای SMA به دلیل راندمان بالای خود گزینه ­های بسیار مناسبی برای عملگرها می­باشند. هرچه اندازه آنها کوچکتر شود، پاسخ عملگری، سرعت و چگالی توان آنها افزایش می­یابد. این به خاطر بهبود انتقال حرارت ناشی از افزایش نسبت سطح به حجم آنها با کاهش اندازه می­باشد.

ویژگی بسیار مهم عملگر­های SMA این است که نیروی تولید شده از آنها 150 برابر بیشتر از عملگرهای هیدرولیکی و 400 برابر بیشتر از عملگرهای مغناطیسی با اندازه برابر می­باشد. با این حال عملگرهای SMA دارای سرعت پاسخ کمتری می­باشند اما با کاهش اندازه عملگرها، سرعت انتقال حرارت در آنها افزایش یافته و سرعت پاسخ آنها نیز بیشتر می­شود.

عملگرهای SMA مورد استفاده اغلب به شکل سیم، فنر، تیرهای پیچشی، تیوب­ها و فیلم­های نازک مورد استفاده قرار می­گیرند. تغییرات حافظ شکل می­تواند در سرعت­های مختلفی رخ دهد و با استفاده از تغییر دما یا اعمال اندکی نیرو قابل برگشت می­باشد. بنابراین این عملگرها به شدت به دمای محیط اطراف خود حساس بوده و تحت تاثیر آن می­باشد.

کاربرد های زیست پزشکی
** کاربردهای ارتدونسی
ویژگي های آلياژهای حافظه دار موجب استفاده موفقيت آميز از آن ها در کاربردهای متنوع دندان سازی شده است. سيم های قوسی ارتدونسی از جنس نایتينول از دهه ی 1970 مورد استفاده قرار گرفته اند و بسيار موثرتر از سایر مواد هستند. در یک ماده الاستيک خطی نظير فولاد زنگ نزن، در ازای افزایش اندک کرنش، افزایش تنش زیادی به وجود می آید که موجب ایجاد نيروی بزرگی بر روی دندان، در ازای حرکت بهبود بخش کوچک مي شود. مزیت استفاده از سيم های قوسی سوپر الاستيک، توانایي آن ها در داشتن تغييرات تنش نزدیک به صفر در ازای یک افزایش کرنش زیاد برای ماده است، در نتيجه آن ها یک نيروی تقریبا ثابت و متوسطی را در طي یک دوره زمانی بيشتر نسبت به فولاد زنگ نزن، برای حرکت به دندان ها وارد می کنند. علاوه بر این، برای توليد سطوح مختلفی از نيروی بهينه، ترکيب ماده و روند انجام فرآیند می توانند مهندسی شوند.

مثالی از بست های ارتدونسی نایتينول در شکل ‏زیر نشان داده شده است .