مواد هوشمند، آلیاژهای حافظه‌دار

مارتنزیت وفادارنویسندگان: علیرضا صف‌شکن، مبینا کریمی، مصطفی بهنام‌فر، عماد ملائیگویندگان: امیرمحمد هادیان، سارا ابراهیم‌پور، سارا صفائی، محدثه قانعیدر روز و روزگار امروزه، هرکسی به نحوی در حال کسب تجربه توی حوزه ای هست. تجربه های که که قطعا خوب یا بد اونها میتونن نقشه مسیر برای ما بکشند تا با درسی که از اون‌ها گرفتیم، از پستی بلندی زندگی سر بلند بیرون بیایم. اما بیایم به این فکر کنیم که چی میشد اگر مواد دوربرمون هم مثل انسان هوشمند، از تجاربشون استفاده میکردند و فعالیت دوربرشون رو مثل یک خاطره یادشون نگه میداشتند؟ یا حتی هرچقدر هم تنش های زندگی روشون انجام میشد، از تجاربشون استفاده میکردند تا کمر خم شدنشون رو راست کنن؟ توی این قسمت میخوایم به چون و چرای ساخت و خواص این آلیاژهای هوشمند بپردازیم. همراه ما باشید در وولکانو، مارتنزیت وفادار...به آلیاژهای هوشمندی که در طی یه چرخه حرارتی به شکل اولیه خودشون برمیگردن، آلیاژ حافظه‌دار یا SMA که مخففShape memory alloys هست میگن. بر اساس روشی که اونا رو تولید میکنیم، تحت تاثیر تنش یا حرارت، ساختار کریستالی خودشون رو تغییر میدن. به زبون ساده فلزی رو تصور کنید که توی دما و تنش اولیه یه شکل دار؛ حالا اگر دما و تنش رو تغییر بدیم متناسب با اون شکل ماده تغییر میکنه. از آلیاژ مس- آلومینیوم- نیکل، نیکل- تیتانیوم و روی- مس- طلا- آهن به روش هایی که قراره مفصل در موردشون صحبت کنیم ساخته میشن. بیایین یکم بحث رو جزئی تر دنبال کنیم :)ساختار و رفتار آلیاژهاآلیاژهای حافظه­دار استحکام پایین­تری از فولادهای رایج دارن؛ این فلزات و فرایندهای ساخت اون­ها سخت، وَ هزینه­بره، به­خاطر همین، فقط در موقعیت­هایی که خواص الاستیکِ فوق­العاده، یا اثر شکل حافظه مهمه، مورد استفاده قرار میگیرن. این آلیاژها، سطحِ بازیابیِ کرنشِ پلاستیکیِ بالایی دارن، میشه اینطوری گفت که، بدون آسیب دائمی، میتونن تغییر شکل بدن؛ برای بعضی آلیاژها بالای 8 درصده درحالیکه برای فولادها بیشترین مقدارش نیم درصده. هوش ذاتی، تحریک­پذیری، پاسخ­گویی فعال یا تطبیقی و توانایی حافظه­داری و بازیابی از ویژگی­های دیگه­ی این مواده. الیاژهای حافظه­دار، توی دماهای پایین دارای ساختار مارتنزیت، وَ دماهای بالا، ساختار آستنیتی دارن. این ویژگی و استحالة مارتنزیت به آستنیت در دمای انتقال فاز مارتنزیت به آستنیت، باعث شده این آلیاژها، رفتار حافظه­دار داشته باشن. رفتار حافظه­دار، یعنی اینکه توی دمای پایین، میتونه به راحتی تغییر شکل بده و با گرم کردن اون، آلیاژ به شکل اولیة خودش برگرده و به عبارتی شکلِ قبلیِ خودش رو به­ خاطر میسپره.برتری آلیاژهای حافظه­دار نسبت به بقیة آلیاژها، به این علته که فاز مارتنزیت، قابلیت دوقلو شدن داره. سایر مواد به وسیلة لغزش و حرکت نابجایی­ها تغییر شکل میدن، ولی این مواد هوشمند، به وسیلة تغییرِ جهتِ ساد­ه­ی ساختار کریستالیشون، وَ از طریق مرزهای دوقلویی به تنش­های اعمال شده، عکس­العمل نشون میدن. این دوقلویی زمانی رخ میده که آلیاژ، در دمای پایین که فاز مارتنزیت حاکمه، تغییر فرم پلاستیک بده. در رفتار حافظه­دار شدن، نظم اتم­های آلیاژ نباید به هم بخوره. لغزش صفحات اتمی به علت شکسته شدن اتصال‌‌های اتمی به­عنوان مکانیزم تغییر فرم پلاستیکِ دائمی محسوب میشه؛ درحالیکه مکانیزم دوقلویی به­خاطر انرژی پایین مرز دوقلویی وَ برخورداری از تحرک و لغزندگیِ نسبی، تغییرِ فرمِ غیردائمیه. به این دلیل که، استحالة مارتنزیتی یک دگرگونی بدون نفوذ وَ برشیه، سبب تشکیل ساختار دوقلویی میشه که بهش مارتنزیت دوقلویی میگن. آلیاژها مستقیما، یا توسط گرمایشِ سایشی، گرمایش توسط القا وَ عبور جریان الکتریسیته از داخل، تا دمای انتقال، به منظور انجام استحاله، حرارت میبینن. انجام این استحاله در غیاب تنش­های داخلی و خارجی، موجب پیدایش مارتنزیت دوقلویی میشه و در هنگام وجود این تنش­ها تا سطح معین، مارتنزیت غیر دوقلویی حاصل میشه. لازم به ذکره، تغییرات شکلی به صورت ماکروسکوپی قابل مشاهده نیست؛ چراکه حجم اشغالی توسط مارتنزیت دوقلویی و فاز آستنیت با هم برابرن.حافظه­داری این آلیاژها میتونه یک طرفه یا دو طرفه باشه. حافظه­داری یک طرفه یعنی آلیاژ، حالت تغییرشکل­یافتة خودشو، بعد از حذف نیروی خارجی حفظ میکنه و به محض گرمایش و استحالة فازی، به شکل اولیة خودش برمیگرده. ولی اگه آلیاژ بتونه شکل خودشو توی فاز مارتنزیت هم بازیابی کنه، بهش حافظه­داری دو طرفه میگن. بازیابی فاز مارتنزیت به این معنیه که آلیاژ در هر دو دمای بالا و پایین میتونه شکل خودشو حفظ کنه و با تغییر دما شکل­های مختلفی بگیره. متاسفانه، پاسخگویی اثر حافظه­داری دوطرفه از ویژگی­های ذاتی این مواد نیست و نگه داشتن شکل­های دائمی و موقتی در دماهای مختلف، نیاز به برنامه­ریزی توسط پروفیل حرارتی داره.یکی از علل برگشت­پذیری شکل آلیاژهای حافظه­دار، خاصیتِ سوپرالاستیسیته یا شبه کشسانیِ اونهاس. این خاصیت رو میشه تحت عنوان اثر حافظه­داریِ فعال شونده با تنش هم تعریف کرد. آلیاژهای حافظه­دار، به دو علت، خاصیت سوپرالاستیسیته از خودشون نشون میدن، 1- تشکیل مارتنزیتِ برگشت­پذیر ناشی از تنش، به محضِ بارگذاریِ آلیاژ، در فاز آستنیتی اون وَ 2- استحاله به فاز آستنیت به محض باربرداری.روش تولید آلیاژهاآلیاژهای حافظه‌دار به روش ریخته‌گری و با استفاده از ذوب قوس خلا یا ذوب القایی ساخته میشن. این روش برای نگه داشتن ناخالصی‌های آلیاژ در کم‌ترین مقدار و همچنین خوب مخلوط شدن مذاب مناسبه. بعد از ریخته‌گری، شمش رو با نوردِ گرم به سیم تبدیل میکنن. روشی که در اون آلیاژ، آموزش دیده میشه به خواص مورد نظر بستگی داره. در واقع آموزش دادن به این منظوره که با گرم کردن، آلیاژ از نظر ساختاری بهم بریزه و دوباره در موقعیت پایدار مرتب بشه. باید توجه داشت که دمای حرارت دهی مهمه و این دما نباید اونقدر بالا باشه که باعث تبلور مجدد بشه. این آلیاژ بین دمای 400 الی 500 درجه‌ی سانتی گراد به مدت 30 دقیقه حرارت داده میشه و سپس به سرعت با کوئنچ کردن در آب یا به وسیله‌ی سرد کردن در هوا، سرد میشه.ذوب و ریخته‌گری، متالورژی پودر و سنتز احتراقی مهمترین روش‌های تولید قطعات از جنس آلیاژهای حافظه‌دار هستن.روش‌های ذوب و ریخته‌گری برخلاف روش‌های متالورژی پودر و سنتز احتراقی، محدودیت شکل و ابعاد قطعه ندارن. همچنین تولید قطعات به دلیل ارزان بودن مواد اولیه و روش تولید نسبت به بقیه راه‌های فرآوری، دارای توجیه اقتصادیه. در عین حال مشکلاتی از قبیل هزینه اولیه تجهیزات، عدم توانایی در کنترلِ بهینه‌ی ترکیبِ شیمیاییِ مذاب، ناهمگنی ساختار و وجود ناخالصی‌هایی که در حین ساخت وارد آلیاژ میشن، از جمله محدودیت‌های این روش محسوب میشه.در روش متالورژی پودر، پودر فلزات در قالب فلزی به شکل نهایی خود فشرده میشن و پس از طی مراحل تف‌جوشی در کوره با اتمسفر کنترل شده و یا خلاء، قطعه صنعتی آماده میشه. از مزایای این روش میشه به کاهش یا حذف عمليات ماشین کاری نهایی اشاره کرد. بنابراین تلفات مواد و زمان تولید کم میشه. آلیاژ بدست اومده پس از تف‌جوشی، همگنیِ مناسبی داره و توزیع خواص فیزیکی و مکانیکی در اون یکسانه. به‌علاوه، آلودگی‌های ترکیباتِ ناخواسته‌ی آلیاژی به حداقل میرسه. اما از نکات منفی اون، هزینه بالای سرمایه گذاری اولیه و تولید قطعات متخلخله؛ که باعث افت خواص مکانیکی میشه.سنتز احتراقی شامل دو روش پیشرونده و حجمیه، اما تا به حال از این روش فقط در آزمایشگاه‌ها برای تولید مواد حافظه‌دار استفاده شده و کاربرد صنعتی نداره.کاربرد آلیاژهاآلیاژهای نیکل-تیتانیم خواص حافظه‌داری، شبه الاستیکی و مقاومت به خستگی و خوردگی خوبی دارن. نایتینول یکی از این آلیاژها با 50% نیکل و 50% تیتاتیمه. این آلیاژ زیست سازگاری خیلی خوبی داره و همین باعث شده توی زمینه های پزشکی مثل نورولوژي، ارتوپدي، مداخلات راديولوژي و قلب و عروق به کار بره. مهم‌ترین ویژگی نایتینول ها سوپرالاستیک بودن شونه که انعطاف پذیری بیش از 10 الی 20 برابر فولاد زنگ نزن رو به ما میده. رفتار این آلیاژ بر اساس تنش و کرنش به میزان زیادی شبیه به استخوون و تاندونه. بعد از کشف اثر حافظه‌داری شکلی در نایتینول ها توسط بوهلر، این مواد به عنوان ایمپلنت در دندانپزشکی پیشنهاد شدن. چند سال بعد که سوپرالاستیک بودنشون مشخص شد پا به جراحی گذاشتن. به‌علاوه سیم راهنمای نایتینول ها در آنژیوگرافی کاربرد گسترده‌ای دارن.کاربرد بزرگ دیگه SMA ها در زمینه پزشکی استنت عه. توری‌های فنری کوچکی که به عنوان ستون در رگ‌ها استفاده میشن تا از انسداد و تنگی مجدد اونها جلوگیری کنه. اولین استنت از جنس آلیاژ حافظه‌دار در اواخر قرن 20 ساخته و توسعه‌ی این توری ها منجر به ترکیب با دارورسانی و به وجود اومدن "استنت‌های رها کننده دارو" شد. ( بیشتر از این به کاربرد های پزشکی نپردازیم دیگه ? . اگر بخوام چند تا کلید واژه بهتون بدم که بعدا خودتون دنبالش بگردین کاربردشون توی ارتوپدی، ستون فقرات، و اورتودنسی زیاده.)این آلیاژهای جالب توی ساختمون سازی هم کاربرد دارن. نه اینکه فکر کنید تئوری و تحقیقاتی ان؛ پروژه‌های بزرگی هست که SMA ها در اون استفاده میشن!! قابلیت برگشت‌پذیری فاز توی این گروه باعث شده کرنش های زیادی رو تحمل کنن و تحت بارگذاری و باربرداری و تغییر دما به حالت اولیه خودشون برگردن. از آلیاژای نیکل-تیتانیم درسازه های لرزه ای استفاده میشه ولی چون قیمت بالایی دارن برای کاربرد بیشتر در ساخت و ساز آلیاژهای حافظه‌دار بر پایه آهن ساخته شدن و استفاده اونها گشترده تر شد.ورود آلیاژ های حافظه دار به صنعت هوافضا با هواپیماهای جنگی بود. این آلیاژها برای اولین بار در موتور جنگنده F14 استفاده شد و کم کم با تجربه‌ی این استفاده وارد هواپیماهای غیر نظامی و پهبادها شدن. در پهبادهایی که موتور جت دارن از این آلیاژ ها استفاده میکنن تا صدای موتور کاهش پیدا کنه.(اگر هدف جاسوسی باشه کههه این موضوع خیلی مهمه ?) یکی دیگه از موارد جالب توی این زمینه بال‌های تغییر زاویه دهنده ان. با استفاده از جریان الکتریکی تغییر شکل رو در بال ایجاد میکنن، حالا با در نظر گرفتن خواص برگشت پذیری آلیاژ ما قادریم بدون استفاده از انرژی، بال رو به شکل اولش برگردونیم.هرچند این مواد هوشمند مزایای فوق‌العاده‌ای دارن ولی یه سری محدودیت ها برای ما ایجاد میکنن. ماشین کاری و ساخت این آلیاژها همچنان پرهزینه است. از طرفی بیشتر آلیاژهای حافظه‌دار عمر خستگی کوتاهی نسبت به فولادها دارن. به طور میانگین در بارگذاری‌های دوره‌ای، فولاد ها 100 سیکل کاری بیشتر از SMAها تحمل میکنن.