Будущее уже наступило - сплавы с памятью формы

Введение в сплавы с памятью формы

Хотя это звучит как научная фантастика, металлы, способные изменять форму и "запоминать" свои предыдущие формы, сегодня используются в автомобильной, аэрокосмической, биомедицинской и робототехнической промышленности.

Поскольку их применение настолько разнообразно, эти металлы имеют множество названий, включая сплав с памятью формы (SMA), умный металл, мускульная проволока и умный сплав. Проще говоря, SMA - это специально разработанные смеси металлов, которые могут возвращаться в исходную форму после деформации. Хитрость заключается в том, чтобы нагреть деформированный SMA до "температуры перехода", что активирует свойство памяти SMA, и он возвращается к своей прежней форме. Конечно, на самом деле сплав не помнит свою первоначальную форму, как человек помнит, что он ел на завтрак. Вместо этого при изготовлении SMA металлы обрабатываются таким образом, чтобы создать "родительскую форму".

В своей работе 1993 года "Металл с памятью" Джордж Кауффман и Иссак Майо описывают процесс изготовления одного из самых универсальных и распространенных SMA - комбинации никеля и титана под названием нитинол. "Металл необходимо удерживать в нужном положении и нагревать до температуры около 500 °С. Высокая температура заставляет атомы выстраиваться в наиболее компактную и правильную структуру, что приводит к образованию жесткой кубической структуры, известной как фаза аустенита". После образования этой фазы - этот процесс также называют дрессировкой - металл готов к использованию.

[1]

SMA можно разделить на два типа: с односторонней или двусторонней памятью. Односторонняя память означает, что металлу можно придавать различные формы, но после воздействия температуры перехода он возвращается к своей исходной форме. Эффект двусторонней памяти проявляется в SMA, которые обучают металл запоминать одну форму при низкой температуре и другую форму при высокой температуре.

Способы их использования зависят от отрасли; SMA были включены в аэрокосмические конструкции для более тихих двигателей, муфты с памятью формы для нефтепроводов и водопроводных труб, сиденья автомобилей, "мышцы" роботов и многое другое. Применение SMA в медицине было очень успешным. Стенты из SMA используются в процедурах ангиопластики периферических артерий, чтобы держать артерии открытыми, SMA позволяет создавать гибкие оправы для очков и зубные брекеты, которые оказывают постоянное усилие на зубы владельца.

Если вы еще не видели сплавы с памятью формы в действии, то, возможно, увидите. Каждый день появляются новые способы их применения. От смартфонов до робототехники и двигателей - SMA являются футуристическим материалом, который используется уже сейчас.

[1]

Примеры сплавов с памятью формы

Существует несколько типов сплавов с памятью формы, но наиболее часто используются сплавы на основе следующих металлов:

1. Никель-титан (NiTi): Часто упоминаемый как"нитинол", это наиболее широко известный и используемый SMA. Он представляет собой сплав никеля и титана и особенно известен благодаря своим превосходным свойствам памяти формы и биосовместимости, что делает его идеальным для применения в медицине, например, для изготовления стентов, направляющих проводов и зубных брекетов.

2. Сплавы на основе меди: Медно-алюминиево-никелевые и медно-цинково-алюминиевые сплавы - другие типы SMA. Хотя они не так широко используются, как нитинол, они все же находят применение в таких областях, как актуаторы, робототехника и автомобильные компоненты. Сплавы на основе меди, как правило, менее дорогие, но и обладают другими механическими свойствами по сравнению с никель-титановыми сплавами.

3. Сплавы на основе железа: Это относительно новые по сравнению с другими типами SMA сплавы, которые используются для специфических применений в аэрокосмической и других отраслях промышленности, где требуется повышенная прочность. Они часто разрабатываются для специализированных инженерных проектов.

Применение сплавов с памятью формы

Сплавы с памятью формы нашли применение во многих отраслях промышленности благодаря своим уникальным свойствам, начиная от медицинских приборов и заканчивая аэрокосмическими технологиями. Некоторые из основных областей применения SMA включают:

1. Медицинские применения: SMA широко используются в медицине, особенно в устройствах, которые требуют минимальной инвазивности или должны функционировать в определенных условиях. Известный пример - использование нитинола в стентах, которые представляют собой небольшие сетчатые трубки, вставляемые в закупоренные кровеносные сосуды. После установки стент расширяется под воздействием температуры тела, возвращаясь к своей первоначальной форме и открывая сосуд. SMA также используются в направляющих проволоках для малоинвазивных операций, ортодонтических устройствах, таких как брекеты, и хирургических скобах.

2. Актуаторы: Сплавы с памятью формы используются в приводах, которые преобразуют тепловую энергию в механическую работу. В различных промышленных приложениях SMA могут использоваться в насосах, клапанах и других устройствах, требующих контролируемого движения. Сплавы обеспечивают простой и надежный механизм движения, обусловленный изменениями температуры, и часто используются в автоматических или саморегулирующихся системах.

3. Аэрокосмическая промышленность и робототехника: SMA используются в аэрокосмической промышленности для приводов и управления аэродинамическими поверхностями, такими как закрылки и рули самолетов, где они могут реагировать на изменения температуры в полете. В робототехнике SMA могут быть использованы для имитации движения мышц, что делает их ценными для мягкой робототехники, где требуются гибкие и адаптивные материалы.

4. Бытовая электроника: SMA все чаще используются в бытовой электронике, особенно в устройствах, требующих компактных размеров и гибкости. В качестве примера можно привести камеры с самонастраивающимися объективами, автоматические очки и некоторые исполнительные механизмы в носимой технике.

5. Автомобильная промышленность: В автомобильной промышленности SMA используются для интеллектуальных систем, таких как сиденья с контролем температуры, автоматические зеркала, а также в качестве части исполнительных систем в автомобилях. Эти сплавы помогают создавать более эффективные и компактные механизмы по сравнению с традиционными материалами.

6. Умные материалы и системы: SMA также могут быть включены в "умные" материалы и системы, которые используются в приложениях, требующих реакции на раздражители окружающей среды. Они могут использоваться в зданиях или инфраструктуре, где материалы меняют форму в ответ на колебания температуры, обеспечивая самовосстановление или адаптивные функции.

Заключение

Сплавы с памятью формы представляют собой значительный прорыв в материаловедении благодаря их способности возвращаться к заданной форме под воздействием температуры. От медицинских стентов и актуаторов до аэрокосмических приложений - SMA оказались бесценными материалами с огромным потенциалом для будущих инноваций. По мере продолжения исследований в области SMA, вполне вероятно, что в ближайшие годы мы увидим еще больше передовых способов применения этих материалов, что еще больше повысит их ценность как в промышленности, так и в повседневной жизни. Более подробную информацию вы можете найти в Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки:

[1] NASA (2025, 20 февраля). Материалы NASA с памятью формы открывают двери для умных технологий. ПРОГРАММА ПЕРЕДАЧИ ТЕХНОЛОГИЙ НАСА. Retrieved February 20, 2025, from https://technology.nasa.gov/.