آلیاژ حافظه دار (آلیاژ هوشمند) چیست؟

آلیاژ حافظه دار یا SMA ( مخفف Shape memory alloys) ، نوعی آلیاژ است که از مواد هوشمند ساخته شده است. این ابر آلیاژها که به نام آلیاژ هوشمند نیز معروف هستند، می‌توانند شکل اولیه خود را به خاطر سپرده و طی فرآیند حرارتی و تنشی به شکل اولیه خود بازگردند. به عبارتی در دما و سطح تنشی مشخص، شکل ثابتی دارند و با اعمال دما و تنش تغییر شکل می‌دهند و سپس با رسیدن به دمای ویژه خود، دوباره به شکل اولیه برمی‌گردند. یکی از مهم ترین انواع آلیاژهای حافظه دار، آلیاژ هوشمند نیتینول (Nitinol) می‌باشد که آلیاژی از نیکل و تیتانیوم است. در ادامه این مقاله به بررسی دیگر انواع و کاربردهای آلیاژهای حافظه دار می‌پردازیم.

آلیاژ حافظه دار از چه ترکیباتی ساخته شده است؟

آلیاژهای هوشمند از ترکیبات مختلفی ساخته می‌شوند که دو دسته آنها متداول تر هستند.

• آلیاژ حافظه دار Ni-Ti (نیکل- تیتانیوم)
• آلیاژ حافظه دار Cu-Al-Ni (مس-آلومینیوم-نیکل)

آلیاژ کردن فلزاتی همچون روی، طلا و آهن هم می‌تواند در ساخت آلیاژ هوشمند به کار رود.

آلیاژهای هوشمندی که آهن و مس به عنوان فلز پایه در آنها به کار رفته، قیمت کمتری نسبت به آلیاژهای نیکل-تیتانیوم دارند، اما کاربرد آلیاژ نیکل-تیتانیوم به دلیل عملکرد ترمومکانیکی و پایداری بالاتر ، بیشتر است.

ساختارهای کریستالوگرافی آلیاژ هوشمند

آلیاژهای حافظه دار دارای دو ساختار کریستالوگرافی در دماهای بالا و پایین می باشند. ساختار مارتنزیت در دمای پایین و ساختار آستنتیت در دمای بالا دیده می‌شود.

زمانی که آلیاژ حافظه دار در فاز مارتنزیت باشد، قابلیت تبدیل به اشکال مختلف را دارد. اما با افزایش حرارت و ورود به فاز آستنیت، آلیاژ شکل قبلی خود را به حافظه می‌سپارد.

نحوه تولید و روش ساخت آلیاژ حافظه دار

در فرایند تولید آلیاژ حافظه دار، ابتدا مواد اولیه شامل عناصر اصلی مانند نیکل، تیتانیوم، مس و آلومینیوم و ... انتخاب می‌شوند و نسبت‌های دقیق آن‌ها تعیین می‌شود. سپس این عناصر در کوره‌های مخصوص از جمله کوره القایی و کوره  قوس الکتریکی ذوب می‌شوند تا آلیاژ مذاب تشکیل شود. پس از آن، آلیاژ مذاب در قالب‌های مناسب ریخته‌ می‌شود تا شکل اولیه قطعات به دست آید.

در ادامه آلیاژ حافظه دار به وسیله دما و حرارت آموزش داده می‌شود تا بتواند هنگام اعمال حرارت، به شکل اولیه اش تبدیل شود. این دما از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است و نباید به میزانی باشد که تبلور مجدد را به دنبال داشته باشد. معمولاً دمای مذکور در بازه چهارصد تا پانصد درجه سانتی گراد انتخاب می‌شود و مدت زمان آن به سی دقیقه می‌رسد. پس از آن می بایست آلیاژ به سرعت، توسط آب یا هوا سرد شود.

انواع آلیاژ هوشمند

آلیاژهای حافظه دار بر اساس نوع محرکشان به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:

آلیاژ هوشمند شکلی  (Shape Memory Alloys - SMAs)

آلیاژهای شکلی، تحت یک دمای خاص آموزش دیده و زمانی که در این دما قرار بگیرند، شکل اولیه خود را به دست می‌آورند. این ویژگی به دلیل تغییرات ساختاری در سطح مولکولی و کریستالی آلیاژها رخ می‌دهد. آلیاژهای شکلی خود شامل دو نوع یک طرف و دو طرفه  می‌باشند. آلیاژهای یک طرفه فقط می تواند در فاز آستنتیت، شکل خود را به خاطر بسپارد. اما نوع دو طرفه در هر دو فاز آستنتیت و مارتنزیت این توانایی را دارد.

آلیاژ حافظه دار سوپرالاستیک (Superelastic Shape Memory Alloys)

آلیاژهای حافظه‌دار سوپرالاستیک نوعی از آلیاژهای حافظه‌دار با خاصیت کشسانی یا سوپرالاستیته هستند. این ویژگی سبب می شود تا هنگامی که تحت بار مکانیکی قرار می‌گیرند، تا ۸۰ درصد تغییر شکل دهند و پس از حذف بار، به شکل اولیه خود بازگردند. این خاصیت به دلیل تغییرات فازی در ساختار کریستالی آلیاژ در هنگام اعمال تنش و سپس آزادسازی آن رخ می‌دهد.

آلیاژ حافظه دار مغناطیسی (Magnetic shape-memory alloy)

آلیاژهای حافظه‌دار مغناطیسی نوعی از مواد هوشمند هستند که تحت تأثیر میدان مغناطیسی تغییر شکل می‌دهند و می‌توانند به طور همزمان خواص مغناطیسی و حافظه‌ را نشان دهند. این آلیاژها معمولاً شامل ترکیباتی مانند آهن، گالیوم و نیکل هستند آلیاژ هوشمند مغناطیسی در رباتیک و جراحی پزشکی که دقت و سرعت بالا حائز اهمیت است، کاربرد دارند.

مشخصات و ویژگی های آلیاژ حافظه دار

آلیاژهای هوشمند دارای ویژگی‌های جذاب و منحصر به فردی هستند که آنها را به محصولی پرکاربرد در صنایع مختلف تبدیل می‌کند.

• یکی از ویژگی‌های بارز آلیاژ هوشمند، داشتن استحکام تسلیم پایین تر در مقایسه با تیتانیوم و سایر فولادهاست. استحکام تسلیم به معنای ظرفیت تحمل بار بدون تغییر شکل دائمی است. فلز حافظه دار نتینول تنش تسلیم 500 مگاپاسکال دارد.
• طراحی آلیاژ هوشمند فرایندی سخت و پیچیده و تخصصی است و از این رو هزینه تولید آن بالا می‌باشد. هزینه تولید بر قیمت نهایی محصول تاثیر گذار بوده و باعث می شود تا قیمت آلیاژهای هوشمند بالا باشد.
• یکی از ویژگی‌های خاص این آلیاژها، بالا بودن میزان کرنش آنها است. کرنش به عنوان نسبت تغییر طول به طول اولیه تعریف می‌شود و میزان کرنش در آلیاژهای حافظه‌دار به معنی تغییر شکل نسبی ناشی از اعمال بار یا تغییرات دما بر روی این مواد است. ماکزیمم مقدار کرنش در این آلیاژها بیش از 8 درصد می باشد اما برای سایر فولادها 0/5 درصد است.

کاربرد آلیاژ هوشمند

 استفاده از آلیاژهای حافظه دار سبب رشد و پیشرفت در بسیاری از حوزه ها و صنایع گردیده است که از جمله آن می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.

• صنعت رباتیک
• صنعت هوافضا
• صنعت ساختمان
• صنعت پزشکی
• دندانپزشکی

در ادامه به توضیح بیشتر در مورد کاربرد آلیاژ هوشمند در این صنایع می پردازیم.

صنعت رباتیک

در صنعت رباتیک از فلزات هوشمند در ساخت حسگرها و عضلات مصنوعی استفاده شده و باعث دقت و ظرافت حرکات و انعطاف پذیری بالاتر ربات ها می‌گردد. همچنین استفاده از آلیاژهای مغناطیسی در ساخت مفاصل مصنوعی باعث می شود تا کنترل ربات توسط میدان مغناطیسی به راحتی صورت بپذیرد.

صنعت هوافضا

به کاربردن فلزات هوشمند در بال هواپیماها، موجب می شود تا در صورت تغییر فشار هوا و تغییرات دما این آلیاژها هم تغییر شکل داده و ایمنی بیشتری برای پرواز فراهم آید.

همچنین استفاده از فلزات حافظه دار مغناطیسی در ساخت بدنه موشک، سبب هدایت دقیق تر آن توسط میدان مغناطیسی می شود..

صنعت ساختمان

آلیاژهای حافظه دار خواص مکانیکی و فیزیکی ویژه ای دارند و در صنعت ساختمان برای تقویت سیمان به کار برده می‌شوند. استفاده از این آلیاژها در ساختمان سبب هوشمند سازی و مقاومت بیشتر در برابر زلزله می‌شود.

همچنین به کار بردن شیشه‌های هوشمند و سیستم تهویه مطبوع هوشمند در ساختمان سبب کاهش مصرف انرژی از طریق تغییر رنگ شیشه و کنترل کیفیت هوا  در سیستم تهویه می‌گردد.

صنعت پزشکی

استفاده از آلیاژ هوشمند در ساخت ابزار و تجهیزات جراحی، موجب دقت بالاتر این تجهیزات و عملکرد بهتر و دقیق تر پزشکان و ایمنی بیشتر بیماران حین جراحی می‌گردد. متخصصان قلب با استنت های قلبی ساخته شده به وسیله آلیاژ حافظه دار، به راحتی رگ های مسدود شده قلب را باز می کنند. عملکرد این استنت ها به این صورت است که در رگ بسته شده قرار می‌گیرد و با گرمای بدن شخص بیمار گرم شده و باز می شود و رگ مسدود را باز می کند.

ساخت فریم عینک و تجهیزات آندوسکپی نمونه دیگری از کاربرد این آلیاژها در صنعت پزشکی است.

صنعت دندان پزشکی

انواع آلیاژ حافظه دار در صنعت دندان پزشکی نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. کاربرد سیم‌های حافظه دار در ارتودنسی دندان پزشکی، نوع دیگری از قابلیت این آلیاژهای هوشمند است. نحوه عملکرد سیم‌های حافظه دار در ارتودنسی دندان به این صورت است که در دمای ثابت شکل خود را حفظ می‌کنند و در اثر فشار به خاطر خاصیت سوپر الاستیته  ای که دارند شکل خود را تغییر داده و در اثر حذف فشار به شکل اولیه خود باز می‌گردند.