סגסוגות זיכרון

סגסוגות זוכרות צורה (SMA - Shape Memory Alloys) או סגסוגות חכמות היא משפחת חומרים בעלת יכולת לחזור לגיאומטריה רצויה בעת חימום החומר. בטמפרטורה קרה ניתן לשנות את גיאומטרית החומר כך שהשינוי ייראה יציב וקבוע, אך בעת חימום החומר תמיד ישאף לחזור לאותה הגיאומטריה ("צורת הזיכרון") ואף יפעיל כוחות משמעותיים כדי להתגבר על מכשולים בדרך לחזרה לצורה זו. זהו אפקט זיכרון הצורה (Shape Memory Effect - SME).

ניתן לשנות את צורת-הזיכרון של החומר על ידי טיפול תרמי (מעל הטמפרטורה של המצב החם). לדוגמה, ניתן לרכוש חוט מחומר זיכרון צורה (כך שבמצב החם הוא חוט ישר) וללמד אותו באמצעות טיפול תרמי לקבל גיאומטריה של קפיץ, במצב החם.

עיקרון האפקט מבוסס על מעבר פאזה מוצק-מוצק במבנה הגבישי של החומר. מעבר זה הוא טרנזיטיבי וללא דיפוזיה אטומית, כלומר הסידור המרחבי הבסיסי של הגביש משתנה אך כולל רק שינוי מרחקים וזוויות בקשרים בין האטומים בגביש – אין נדידת אטומים בין תאי יחידה. כדוגמת עזר (דו־ממדית), ניתן לדמות את הסידור האטומי בפאזה החמה כריבוע ובפאזה הקרה כמקבילית, כך שכל קודקוד מייצג אטום וכל צלע מייצגת קשר בין-אטומי. במעבר הזה מתרחש שינוי גיאומטרי של צורה וגודל תא היחידה, אך כל אטומי תא היחידה המקורית נותרים מחוברים לאותם אטומים ואינם "מטיילים" לתאים אחרים). מעברי פאזה מוצק-מוצק מוכרים אחרים, לרוב כוללים דיפוזיה של אטומים (כמו תהליך חיסום פלדה).

במצב הקר, המבנה של החומר מאפשר מספר ווריאנטים ואילו במצב החם רק וריאנט אחד. בדוגמה לעיל קיימים שני ווריאנטים (Variants) למקבילית: ימינה ושמאלה, המקביליות יכולות לקפוץ מימנית לשמאלית ובחזרה בקלות, וכל מתאפשר שינוי צורה בקלות בעת הפעלת כוח חיצוני. במצב החם (בעת חימום מהמצב הקר), כל המקביליות (גם אלו שנטו לימין וגם לשמאל) הופכות לריבוע ובכך המיקרו-מבנה מאלץ את התזוזה של המאקרו (את החומר) לחזור לצורתו המקורית. בעת קירור מהמצב החם לקר, הריבועים חוזרים למקביליות והמיקרו-מבנה (נטייה ימינה או שמאלה) נקבע לפי עיקרון מינימום האנרגיה, כך שהמקביליות יעדיפו לאכלס את הנפח הקיים ולא לאלץ תזוזה. לתכונה זו קוראים אכלוס עצמי (Self Accomodation). העיקרון שהוצג בדוגמה לעיל מוגדר כשבירת הסימטריה בפאזה הקרה (כלומר קיום של מספר ווריאנטים או גיאומטריות) מול קיום של פאזה בעלת גיאומטריה בודדת במצב החם.

החזרה למצב החם מתאפיינת ביכולת לחזור מעיוות גיאומטרי גדול תוך כדי הפעלת כוח רב, דבר המאפשר שימוש בחומר כאקטואטור (חימום מבוקר על ידי המפעיל) ואף כחיישן טמפרטורה סביבה המבצע פעולה מכנית (למשל פתיחת חלון בחממה לוויסות הטמפרטורה).

נהוג לסווג את חומרי זיכרון הצורה לפי טמפרטורת השימוש בחומר:
 חומרים המגיבים באזור טמפרטורת החדר נקראים סופר-אלסטיים. עיקרון העבודה מבוסס על כך שהחומר חוזר לצורתו המקורית כל הזמן.
 יתר החומרים נקראים חומרי זיכרון צורה, ועיקרון העבודה מבוסס מחזורי חום-קור.

חומרים פסאדו-אלסטיים נמצאים על הגבול של הפאזות ובכך הם חוזרים לבד (ספונטאנית) לצורתם המקורית (כי ללא הפעלת כוחות חיצוניים הם שואפים להיות בפאזה החמה) אך תוך יכולת להתמודד עם שינוי צורה גדול מאוד (מעבר הפאזה תלוי גם בטמפרטורה וגם בכוח חיצוני מאלץ). שימוש כזה לדוגמה קיים (בהווה או בעבר) בחומרי מסגרות משקפיים, בחוטי מתכת השזורים בחזיות וכדומה.

חומרי זיכרון צורה קיימים במגוון טמפרטורות מעל טמפרטורת החדר (לרוב עד 90C, ומעל טמפרטורה זו מוגדרים כ־High Temp SMA), אך גם בטמפרטורות קריוגניות. ניתן, למשל, לקרר צינור מחומר זיכרון צורה, בעודו קר להכניס לתוכו קונוס שיגרום לו להתנפח מעט, להשחיל לשני קצוות הצינור פינים, ולתת לחומר לחזור ולהתחמם לטמפרטורת החדר, להתכווץ בחזרה עד הפינים, ובכך לחבר ביניהם באופן קבוע. חיבורים מסוג זה קיימים במטוס F14 במחברי צנרת הידראוליים שנמצאים מחוץ לגוף שנכשלו עד למעבר לפתרון מסוג זה, וגם כפתרון לחיבור חשמלי בין פינים.

נהוג לתאר את הפאזה הקרה כמרטנזיט ואת החמה כאוסטנית, אולם אלו שמות בלבד ואין קשר בין שמות אלו לפאזות מרטנזיט ואוסטנית בפלדה.

סקירה כללית
עיקרון הפעולה מבוסס על מעבר פאזה מוצק-מוצק בו משתנה המבנה הקריסטלוגרפי של החומר עקב טמפרטורה.

שלושת הסוגים העיקריים של סגסוגות זיכרון הם נחושת-אבץ-חמרן, נחושת-חמרן-ניקל וניקל-טיטניום (NiTi מכאן השם ניטינול כשם גנרי לסגסוגות זוכרות). סגסוגות NiTi הן בדרך כלל יקרות יותר ובעלות תכונות מכניות טובות יותר בהשוואה לסגסוגות זיכרון על בסיס נחושת. הטמפרטורה שבה סגסוגת הזיכרון הספציפית משנה את מבנַה הגבישי היא אופיינית לסגסוגת וניתנת לשינוי על ידי שינוי יחסי המרכיבים (האטומים המתכתיים) בסגסוגת.

מסמנים Ms כטמפרטורה שבה המבנה מתחיל להשתנות מאוסטניט למרטנזיט בעת קירור; Mf היא הטמפרטורה בה המעבר בין המבנים מסתיים. בהתאמה, As וAf הן הטמפרטורות שבהן מתחיל ומסתיים המעבר ההפוך ממרטנזיט לאוסטניט. שימוש חוזר באפקט הסגסוגת זיכרון עלול להוביל לשינוי בטמפרטורות האופיינית לטרנספורמציה (אפקט זה ידוע כ"תשישות שימוש" – functional fatigue).

בגרף זה ציר ה־Y מסמל את שבר המרטנזיט.

אפקט חד כיווני לעומת אפקט דו כיווני
לסגסוגות זיכרון ישנו מגוון רחב של תופעות זיכרון צורה. השתיים הנפוצות הן אפקט חד כיווני ואפקט דו כיווני. תיאור סכמטי של שני האפקטים נתון באיור להלן.

באיור שמעל, השלבים מאוד דומים: מתחילים במרטנזיט (a), ועל ידי הפעלת כוח פיזיקלי חיצוני גורמים לעיוות עבור החד כיווני ועיוות קיצוני עבור הדו כיווני (b), מחממים את הסגסוגת (c), ואז מקררים אותה שוב (d). בחד כיווני הקירור לא גורם לשינוי צורה מקרוסקופית. העיוות הוא הכרחי עבור היווצרות צורת הטמפרטורה הנמוכה. בעת חימום השינוי מתחיל בAs ומסתיים בAf (הפרש טיפוסי בין הטמפרטורות הוא 2–20 מעלות צלזיוס, תלוי בהרכב הסגסוגת ותנאי העמסת העיוות). As מוגדר על ידי הסגסוגת והרכבה ונע בין 150- ל־200 מעלות צלזיוס.

האפקט הדו כיווני הוא אפקט שבו החומר "זוכר" שתי צורות שונות: אחת בטמפרטורה נמוכה והשנייה בטמפרטורה גבוהה. זה יכול להישמר גם ללא הפעלת כח חיצוני (אפקט דו כיווני עצמי). הסיבה שהחומר מתנהג בצורה כה שונה במצבים אלו טמונה באימון. אימון גורם לכך שסגסוגת זיכרון יכולה "ללמוד" להתנהג בדרך מסוימת. בנסיבות נורמליות, סגסוגת זיכרון "זוכרת" את צורתה בטמפרטורה הגבוהה, אבל במהלך החימום והמעבר אליה, שוכחת את צורתה בטמפרטורה הנמוכה. עם זאת ניתן "לאמן" את הסגסוגת "לזכור" להשאיר סימנים של צורתה בתנאי הטמפרטורה הנמוכה בפאזת הטמפרטורה הגבוהה. ישנם מספר דרכים לעשות זאת.

מבחינה הנדסית האפקט הדו כיווני (Two Way Shape Memory Effect - TWSME) פחות שימושי מכיוון שבקירור האפקט אינו מספק תזוזות וכחות גבוהים כמו בחימום.

מבנה גבישי
על פי החוקרים הסיבה שסגסוגות זיכרון הן בעלות תכונות אלו היא שבעת שינוי הטמפרטורה ישנו שינוי במבנה הגבישי של הסגסוגת בין שתי פאזות מרטנזיט ואוסטניט. השינוי במבנה הגבישי כולל ארגון מחדש של מיקומי החלקיקים במבנה הגביש של המוצק. בסגסוגות זיכרון מעברי פאזה אלו מתרחשים מתחת לנקודת ההמסה והסגסוגת "מעדיפה" צורה מקרוסקופית שונה עבור מבנה גבישי מיקרוסקופי שונה.

תכונות

 חוזק רב
 מכיל מתכות שונות ורבות

שימושים
קפיצים לשסתומים במנגנוני כיבוי אש.
אנטנות ללוויינים הנפתחות מעצמן בחלל.
תומכנים לעורקי דם.
רצועות המתכת של גשר אורתודנטי.
לרובר העתידי של נאס"א מפותח צמיג נטול פנימית עשוי סגסוגת זיכרון מסוג Nitinol .

הרכב
חומרים בעלי אפקט זיכרון צורה בטמפרטורות שונות ובאחוזים שונים של הרכב תמיסתם המוצקה.
 Ag-Cd 44/49 ב־% Cd.
 Au-Cd 46.5/50 ב־% Cd
 Cu-Al-Ni 14/14.5 משקלי % Al ו־3/4.5 משקלי % Ni
 Cu-Sn בערך 15 ב־% Sn
 Cu-Zn 38.5/41.5 משקלי ב־% Zn
מעט (Cu-Zn-X (X = Si,Sn,Al משקלי % של XXX
 In-Ti 18/23 ב־% Ti
 Ni-Al 36/38 ב־% Al
 Ni-Ti 49/51 ב־% Ni
 Fe-Pt בערך 25 ב־% Pt
 Mn-Cu 5/35 ב־% Cu
 ברזל-מנגן-צורן
 סגסוגות פלטינה
קובלט-ניקל-אלומיניום
קובלט-ניקל-גליום
ניקל-ברזל-גליום

קישורים חיצוניים 

סמארט מטיריאלס – כל המידע על ניטינול, סגסוגת זיכרון וחומרים חכמים
הסבר על ניטינול באתר של חברת אוקסיד טכנולוגיה מתקדמת

הערות שוליים 

סגסוגות