021-44614691

عملگرهای آلیاژهای حافظه دار

 

آلیاژهای حافظ شکل  مواد هوشمندی هستند که توانایی بازیابی شکل اولیه خود پس از افزایش دمای مشخص را دارند. این خاصیت منحصر به فرد باعث شده است تا این آلیاژها در ساخت عملگرهای مختلف مورد توجه ویژه قرار گیرند. در اکثر کاربردهای مهندسی نیاز به عملگرهای به شکل فنر مارپیچ می­باشد و به این خاطر دقت در طراحی صحیح آن مهم است. 

 نویسنده: یاسر سلیمی

 

 

 

 

آلیاژهای حافظ شکل عموما دارای دو فاز هستند: فاز مارتنزیتی در دمای پایین و فاز آستنیتی در دمای بالا. فاز مارتنزیتی ذاتا فاز نرم و انعطاف پذیری بوده و قادر است تا حد معینی تغییر شکل را تحت بارگذاری تحمل نماید. پس از برداشتن بار از روی قطعه مارتنزیتی مقداری کرنش پسماند به جا می­ماند. 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 صنعتي 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 خارجي در کنار سازه است. در حاليکه روش نخست دارای مشکلاتي نظير انتقال حرارت مي باشد که باعث بروز مشکلاتي در پاسخ فرکانس بالای عملگر از جنس آلياژ حافظه دار مي شود، عملگرهای خارجي گزینه مناسبي برای استفاده مي باشند.

از آنجایي که نيروی بازیابي، توسط یک المان حافظه دار مقيد شده، در راستای تغيير شکل برگشت پذیر اعمال مي شود، این نيرو مي تواند برای توليد کار استفاده گردد. بنابراین المان حافظه دار مي تواند جزو عملگرهای حرارتي طبقه بندی شود، در واقع در سيستم های دارای این نوع عملگر، انرژی گرمایي مستقيما به انرژی مکانيکي 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 بازدهي بيشتر

سودمند است )

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

** ازهم پاشيدگي و خستگي

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 شکلي که المان حافظه دار پيدا مي کند : خمش، پيچش یا کشش خالص

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

** روش حرارت دادن و سرد کردن المان فعال ) عمدتا گرمایش مقاومتي، گرمایش القایي، 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 گزینه­های 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 قوسي ارتدونسي از جنس نایتينول از دهه ی 1970 مورد استفاده قرار گرفته اند و بسيار موثرتر از سایر مواد هستند. در یک ماده الاستيک خطي نظير فولاد زنگ نزن، در ازای افزایش اندک کرنش، افزایش تنش زیادی به وجود مي آید که موجب ایجاد نيروی بزرگي بر روی دندان، در ازای حرکت بهبود بخش کوچک مي شود. مزیت استفاده از سيم های قوسي 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 متوسطي را در طي یک دوره زماني بيشتر نسبت به فولاد زنگ نزن، برای حرکت به دندان ها وارد مي کنند. علاوه بر این، برای توليد سطوح مختلفي از نيروی بهينه، ترکيب ماده و روند انجام فرآیند مي توانند مهندسي شوند. مثالي از بست های ارتدونسي نایتينول در شکل ‏زیر نشان داده شده است .

 

هم راستا کردن دندان ها توسط بست های نایتينول

** کاربردهای قلبی عروقی

اولين وسيله از جنس آلياژ حافظه دار قلبي-عروقي، فيلتر سيمون بود. این وسيله به عنوان فيلتر، لخته های خوني را که در جریان خون بودند، مي گرفت. لخته های گرفته شده در نهایت از بين مي روند. این وسيله سپس در داخل یک تيغ جراحي قرار گرفته و در زمان عمل، در داخل رگ خوني مستقر مي شود، جایي که دمای محيط آن از دمای شروع آستنيت ماده تجاوز مي کند. ویژگي های ماده حافظه دار سبب مي شود تا فيلتر از حالت مقيد خود باز شده و به شکل اصلي خود همان گونه که در شکل ‏زیر نشان داده شده است، در بياید.


دید از بالا و کنار فيلتر سيمون در حالت مستقر شده

 

 علاوه بر موارد اشاره شده، نياز روز افزون به مواد هوشمند، باعث استفاده از آلياژهای حافظه دار در صنایع مختلفي نظير صنعت هوا فضا، عمران و صنایع دیگر شده است.

کاربردهای عملگر حافظ شکل در صنایع هوا-فضا

از جمله عملگرهایی که از آلیاژهای حافظ شکل SMA استفاده می­کنند می­توان به تیوب­هایی اشاره نمود که به صورت پرسی و دائمی در موتورهای جت، مکانیزم­های آزادسازی در فضاپیماها، ماشین­های مینیاتوری و بسیاری وسایل دیگر از جمله سیستم­های اشاره­گر، وسایل ضامن­دار و سیستم­های موقعیت یاب بکار می­رود. 


 

مکانیزم عملگر حافظ شکل Frangibolt (عکس از شرکت آلیاژ NiTi)

 

یکی از معروف ترین عملگرهای SMA، تیوب هیدرولیکی است که در سال 1971 در هواپیماهای جنگنده F14 مورد استفاده قرار گرفت. از آن به بعد محققان سعی در استفاده هرچه بیشتر از SMAها در صنایع هوا-فضا نمودند. این امر باعث گسترش کاربرد عملگرهای حافظ شکل در حوزه­های گوناگون هوا-فضا از جمله هواپیماهای باله ثابت، پرنده­های روتوری و فضاپیماها و توسعه مستمر آن شده است.

در نتیجه این پیشرفت­ها اجرای پروژه بال هوشمند بود که به منظور افزایش راندمان اجسام پرنده با استفاده از آلیاژهای هوشمند اجرا گردید. این پروژه به دو فاز تقسیم گردید که فاز اول آن بسیار بر آلیاژهای حافظ شکل SMA متمرکز بود. این پروژه منجر به کاربرد موفقیت آمیز دو عملگر SMA در بال­های یک نمونه جنگنده F18 با مقیاس کوچکتر از اندازه واقعی شد. این پروژه متعلق به سازمان مدیریت پروژه­های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی آمریکا (DARPA) بود که توسط شرکت هواپیماسازی نورثروپ گرومن و تحت نظارت لابلاتوار تحقیقاتی نیروی هوایی آمریکا (AFRL) انجام گرفت.


نمای کلی و برش خورده بال هواپیمای مدل که عملگر SMA در آن نصب شده است .

 

 کاربرد مهم دیگر عملگرهای SMA در کاهش صدای تولید شده توسط موتور هواپیماهای مسافربری بود. در این مورد از نوعی عملگر SMA که دارای خاصیت خمشی در اثر تغییرات دما بود در انتهای موتورهای هواپیما استفاده شد. این عملگر باعث اختلاط جریان خروجی از نازل موتور شده و صدای مزاحم موتور را کاهش می­دهد. در ارتفاعات پایین و سرعت­های کم که دمای موتور بالاتر است و صدای مزاحم آن شدیدتر می­باشد، عملگر SMA که در داخل یک وسیله بنام chevron تعبیه شده در اثر افزایش دما فعال شده و chevron را به سمت داخل خم می­کند. این کار باعث افزایش اختلاط در جریان خروجی از موتور و کاهش صدای آن می­گردد.

 از جمله کاربردهای تحقیقاتی مهم عملگرهای SMA که در سال­های اخیر مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از آنها در یک ایرفویل و افزایش عملکرد تحریک ایرفویل می­باشد. همچنین از این عملگر در ساخت دستگاه­های گوناگون از جمله پنجه رباتیک و دستگاه آندوسکوپی استفاده شده است.