Основные области применения сплавов с памятью формы

Сплавы с памятью формы (СМП) - это уникальный класс "умных" материалов, способных возвращаться к заданной форме при воздействии определенного теплового или механического раздражителя. В отличие от обычных металлов, SMA обладают эффектом памяти формы и сверхэластичностью, что позволяет им динамически реагировать на окружающую среду. Среди них наиболее широко используется нитинол (никель-титановый сплав), но SMA на основе меди и железа также играют важную роль в технике. Благодаря способности сочетать в одном материале сенсорные, исполнительные и структурные функции, SMA сегодня широко используются в медицине, промышленности, аэрокосмической отрасли, робототехнике и бытовой технике.

[1]

Медицинские устройства - наиболее развитая и дорогостоящая область применения

Сектор медицинских технологий является наиболее развитым и регулируемым для SMA. Они биологически совместимы, обладают гибкостью и значительной усталостной прочностью.

SMA также широко используются в сосудистых стентах, направляющих проволоках, ортопедических имплантатах, ортодонтических дугах и различных хирургических устройствах. Сверхэластичные SMA способны испытывать большие деформации, когда устройство помещается в тело, сжимая проволоки. Эта особенность значительно облегчает повреждение тканей.

Кроме того, SMA может быть использован для обеспечения температурной активации развертывания, что чрезвычайно важно для саморасширяющихся стентов и фиксирующих устройств. Долговечность, устойчивость к коррозии и совместимость с технологиями визуализации, такими как МРТ, также способствуют непревзойденному использованию и превосходству SMA в этой области.

Похожие статьи: 6 лучших медицинских применений нитинола

Приводы - компактная альтернатива двигателям и гидравлике

Приводы SMA находят широкое применение там, где требуется ограничение пространства, требования к шуму и высокая плотность силы. Здесь SMA-приводы отличаются от других традиционных приводов тем, что им не нужны механические передачи и двигатели для преобразования тепловой энергии.

Как правило, их можно встретить в промышленной автоматизации, аэрокосмической технике, бытовой электронике и различных автомобильных деталях. Как уже упоминалось, различные примеры включают в себя тепловые клапаны, адаптивные вентиляционные системы, системы защелок и технологии микропозиционирования. Поскольку SMA обладают способностью как к восприятию, так и к приведению в действие, очевидно, что сложность сведена к минимуму.

Хотя скорость работы SMA-приводов, как правило, ниже по сравнению с электромагнитными приводами, простота использования и надежность делают их подходящими для ситуаций, требующих умеренной цикличности.

Аэрокосмическая промышленность - снижение веса и адаптивные конструкции

В аэрокосмической технике на счету каждый грамм, и это одна из областей, где SMA используются все чаще и чаще для создания гибких, легких и не требующих обслуживания устройств, как в самолетах, так и в космических аппаратах.

Типичные области применения - это детали крыльев, демпфирование вибраций, теплоотдача и космические конструкции. В этих областях они заменяют сложные механические системы с минимальным количеством деталей, особенно в средах с экстремальными температурами и давлением.

Способность функционировать в вакууме, подвергаться радиационному облучению и работать в широком диапазоне температур делает эти устройства очень подходящими для спутниковых технологий и технологий освоения космоса.

Робототехника - обеспечение мягких и биомиметических движений

СМА находят широкое применение в разработке мягкой робототехники и биомиметических устройств, поскольку в таких системах невозможно использовать жесткие исполнительные механизмы.

Благодаря своему мышечно-сократительному поведению, проволоки и пружины в SMA обеспечивают органические движения в роботизированных захватах, искусственных конечностях и носимых экзоскелетах. Бесшумность работы и миниатюрные размеры делают их пригодными для использования в средах, взаимодействующих с человеком.

В медицинских роботизированных и реабилитационных системах SMA способствуют мягкому приложению силы и реагированию на нее. Таким образом, использование этих материалов повышает не только безопасность и комфорт, но и рост робототехники.

Автомобильные системы - надежность и термочувствительность

В автомобильной промышленности SMA используются для создания термочувствительных и саморегулирующихся компонентов, обеспечивающих надежность и механическую простоту.

Наиболее распространенные приложения включают в себя клапаны терморегулирования двигателя, адаптивный воздушный поток, безопасность, а также функции комфорта, такие как регулируемые сиденья и вентиляция. SMA ценятся благодаря своей долговечности в процессе эксплуатации, а также способности в некоторых случаях работать без дополнительных устройств, таких как датчики.

Устойчивость к вибрациям и неблагоприятным условиям обеспечивает их перспективность для применения в автомобилях, особенно в гибридных и электрических транспортных средствах, где энергоэффективность имеет огромное значение.

Гражданское строительство - самоадаптивные и сейсмостойкие конструкции

Например, в гражданской инфраструктуре SMA находят применение для обеспечения большей устойчивости конструкций в местах, подверженных землетрясениям.

Демпферы, усилители и соединители на основе SMA способны поглощать сейсмические силы во время землетрясений. После землетрясений конструкция также возвращается в исходное положение. Поэтому затраты на реконструкцию отсутствуют.

Мосты, высотные здания и реконструированные исторические здания получают значительные преимущества благодаря материалам SMA, которые обладают достаточной прочностью, гибкостью и долговечностью без необходимости технического обслуживания.

Потребительская электроника - миниатюризация и интеллектуальные функции

В компактных потребительских устройствах SMA предлагают элегантные решения в области миниатюрных перемещений и точного управления.

Эти устройства также могут быть частью систем автофокусировки камер или модулей оптической стабилизации изображения, систем тактильной обратной связи и интеллектуальных носимых устройств. Устройства SMA, как правило, не создают шума и занимают меньше места по сравнению с обычными моторными устройствами.

По мере роста интереса к более интеллектуальным и отзывчивым электронным устройствам, SMA будут продолжать способствовать совершенствованию их форм и функций.

Нефть, газ и энергетика - долговечность в суровых условиях

SMA также используются в нефтяных, газовых и энергетических системах, где компоненты должны надежно работать в условиях экстремального давления, температуры и коррозии.

Сферы применения включают в себя самодействующие клапаны, соединительные муфты для трубопроводов, предохранительные механизмы и скважинные инструменты. Способность SMA работать без внешнего питания или сложных систем управления особенно ценна в удаленных или труднодоступных средах.

Их коррозионная стойкость и усталостные характеристики способствуют сокращению объема технического обслуживания и повышению безопасности эксплуатации.

Таблица 1: Характеристики сплавов с памятью формы, используемых в различных областях применения

Заключение

Сплавы с памятью формы преодолевают разрыв между материалами и машинами. Сочетая в себе структурную целостность и интеллектуальный отклик, они позволяют упростить конструкцию, повысить надежность и открыть новые функциональные возможности в различных отраслях промышленности. По мере развития технологий обработки материалов, стратегий управления и опыта применения SMA будут играть еще большую роль в формировании будущего интеллектуальных инженерных систем. Более подробную информацию о передовых материалах можно найти в Stanford Advanced Materials (SAM).

Ссылки:

[1] Raza, Syed & Khan, Imran & Ahmad, Mairaj & Tahir, Danish & Iltaf, Asim & Naqvi, Rida. (2021). Влияние объемного армирования нанокремнеземом на микроструктуру, механические свойства, фазовое распределение и электрохимическое поведение предварительно легированного порошка титан-никель (Ti-Ni). Ключевые инженерные материалы. 875. 60-69.