عملگرهای آلیاژهای حافظه دار
- توضیحات
- دسته: اطلاعات فنی
- منتشر شده در پنج شنبه, 06 آذر 1393 09:23
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 .
** 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.
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.
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.