Muistimetalli

Muistimetalli on metalliseos, joka muuttaa hilarakennettaan (kiderakenne) austeniittisen ja martensiittisen välillä lämpötilasta riippuen niin että muutos tapahtuu reversiibelin prosessin kautta. Kun hilarakenne muuttuu, kappaleen muoto palautuu samaksi kuin se oli aiemmin samassa hilarakenteessa. Yksinkertaisesti sanoen muistimetallit ovat ns. älykkäisiin materiaaleihin kuuluvia metalliseoksia joiden muotoa ja liikettä voidaan ohjata. Tällaisesta metallista tehty kappale siis muotoutuu aina saman muotoiseksi samassa lämpötilassa.

Tärkeimpiä muistimetalleja ovat seokset, jotka sisältävät tietyssä suhteessa joko 
 kuparia, sinkkiä, alumiinia ja nikkeliä, 
 kuparia, alumiinia ja nikkeliä tai
 nikkeliä ja titaania.

 Muodonmuutoksen riippuvuus lämpötilasta 

Jäähtyessään muistimetallit muuttuvat austeniittisesta tilasta martensiittiseen tietyllä lämpötilavälillä. Tällöin niiden kiderakenne muuttuu pintakeskisestä kuutiollisesta tilakeskiseksi kuutiolliseksi. Muutos alkaa kullekin tällaiselle metallille ominaisessa lämpötilassa Ms ja on loppuun tapahtunut metallin jäähdyttyä lämpötilaan Mf. Päinvastainen muutos tapahtuu metallin lämmetessä, ja se alkaa jossakin lämpötilassa As ja on loppuun tapahtunut metallin kuumettua lämpötilaan Af. Jos kuitenkin kappaletta lämmitetään ja jälleen jäähdytetään toistuvasti niin, että sen olotila tällä tavoin muuttuu edestakaisin, nämä lämpötilat saattavat lopulta muuttua. Tätä ilmiötä sanotaan funktionaaliseksi väsymiseksi, ja se liittyy läheisesti materiaalin mikroskooppisen rakenteen muuttumiseen.

Muistimetallin muuttuminen martensiittisesta tilasta austeniittiseen riippuu ainoastaan lämpötilasta ja jännityksestä, ei lämpötilan muutoksen nopeudesta. Täten muutosprosessi on täysin reversiibeli eli palautuva. Tässä suhteessa se eroaa oleellisesti esimerkiksi teräksen rakenteen muutoksista. Jos kuuma hiilipitoinen austeniittinen jäähtyy nopeasti, se muuttuu martensiittiseen tilaan, mutta tämä muodonmuutos ei ole palautuva eikä teräksellä näin ollen ole muistimetallin ominaisuuksia. 

Image:Sma wire.jpg

Tässä kaaviossa vaaka-akseli (T) tarkoittaa lämpötilaa ja pystyakseli (ξ) martensiitin osuutta metalliseoksesta. Metallin olomuoto muuttuu sekä sen lämmetessä että jäähtyessä, mutta näiden välinen ero ja käyrän muoto riippuvat materiaalin ominaisuuksista kuten sen koostumuksesta ja karkaistuneisuudesta.

Yksi- ja kaksisuuntainen muotomuisti

Eri muistimetalleilla on erilaiset muistiominaisuudet. Kaksi tavallisinta tyyppiä ovat yksi- ja kaksisuuntainen muotomuisti. 

300px|Yksisuuntainen muotomuisti300px|Kaksisuuntainen muotomisti

Molemmissa ylläolevissa kuvissa tapahtumien kulku on jokseenkin samanlainen. Lähtötilassa (a) muistimetalli on martensiittisessa muodossa, josta sitä ensin väännetään joko palautuvasti yksisuuntaisen muisti-ilmiön aikaansaamiseksi tai niin paljon, että muodonmuutos on palautumaton (b). Sen jälkeen metallia kuumennetaan (c) ja jäähdytetään jälleen (d). 

Yksisuuntainen muisti-ilmiö

Kun muistimetallin lämpötila on tarpeeksi alhainen (Asn alapuolella), sitä voidaan taivuttaa tai vääntää monella tavalla, ja se säilyttää saamansa muodon, niin kauan kuin sitä ei ole lämmitetty niin paljon, että olotilan muutos alkaa tapahtua. Kuumennettaessa kappale muuttuu takaisin sen muotoiseksi kuin se oli ollut ennen sen taivuttamista tai vääntämistä, riippumatta siitä, minkä muotoiseksi se välillä oli muutettu.  Kun metalli jälleen jäähtyy, se säilyttää kuumana saamansa muodon, kunnes sitä jälleen taivutetaan tai väännetään.

Yksisuuntaisessa ilmiössä jäähtyminen korkeasta lämpötilasta ei saa aikaan makroskooppista muodonmuutosta. Sen lämmetessä muutos alkaa lämpötilassa As ja on valmis lämpötilassa Af , joka tavallisesti on 2 – 20 °C korkeampi. As vaihtelee eri metalliseoksilla −150 °C:n ja +200 °C:n välillä.

Kaksisuuntainen muisti-ilmiö

Kaksisuuntaisessa muisti-ilmiössä materiaali muistaa kaksi muotoaan, joista toiseen se palautuu matalassa, toiseen korkeassa lämpötilassa. Joillakin materiaaleilla tämä voidaan saada aikaan käyttämättä edes ulkoista voimaa kappaleen taivuttamiseksi tai vääntämiseksi (sisäinen kaksisuuntainen ilmiö). Ilmiötä sanotaan "oppimiseksi". Muistimetalli voi "oppia" "muistamaan", minkä muotoinen se on ollut korkeassa lämpötilassa, ja kun sitä lämmitetään tarpeeksi, se muuttuu tuohon muotoon ja "unohtaa", minkä muotoinen se on ollut matalassa lämpötilassa. Kuitenkin se voidaan eri tavoin "opettaa" muistamaan, minkälaiseksi se oli väännetty matalassa lämpötilassa.

Jos tällaista muistimetallia kuitenkin kuumennetaan erittäin korkeaan lämpötilaan, muisti-ilmiö voi kadota. Tätä sanotaan "amnesiaksi."

Pseudoelastisuus

Kaupallisesti muistimetalleja käytetään muun muassa pseudoelastisten ominaisuuksien vuoksi, jotka metalli saa korkeassa lämpötilassa austeniittisessa tilassa. Esimerkiksi silmälasien kehyksiä on tehty muistimetalleista, joiden tilanmuutoslämpötila on riittävän alhainen. Tällöin ei haittaa, vaikka kehykset vääntyisivätkin, sillä jännityksen poistuttua ne palaavat välittömästi alkuperäiseen muotoonsa. Tämä johtuu pseudoelastisuudesta: vaikka metalli on austeniittisessa tilassa, jännitys muuttaa sen martensiittiseen tilaan, jossa se kestää suuriakin jännityksiä. Kun jännitys poistuu, metalli muuttuu takaisin austeniittiseen muotoon ja saa alkuperäisen muotonsa takaisin.

Näin ollen metallia voidaan taivuttaa, vääntää tai venyttää ja silti se palautuu alkuperäiseen muotoonsa,  kun tällaiset voimat lakkaavat vaikuttamasta. Sen vuoksi tällaisia kehyksiä on sanottu "lähes rikkoutumattomiksi", koska suurikaan taipuminen ei saa aikaan palautumattomia plastisia muodonmuutoksia.

Muistimetallin käyttöä purkutyömailla dynamiitin korvikkeena on myös tutkittu. Litistettyjä muistimetallikappaleita sijoitetaan purettavassa rakennuksessa kriittisiin paikkoihin rakenteessa, ja lämpötilaa muutettaessa ne laajenevat ratkaisevasti ja aiheuttavat rakennuksen sortumisen.

 Historia  

Ensimmäisen havainnot metalliseosten muistiominaisuuksista tehtiin 1930-luvulla. A. Ölander havaitsi kullan ja kadmiumin seoksen pseudoelastiset ominaisuudet vuonna 1930. Otsuka, Wayman (1998) Vuonna 1938 Greninger ja Mooradian (1938) havaitsivat, että eräät messinkiseokset saavat martensiittisen muodon jäähtyessään ja menettävät sen lämmetessään. Varsinaista termoelastista muisti-ilmiötä tutkivat myöhemmin tarkemmin Kurdjumov ja Khandros (1949) sekä Chang & Read (1951).

Muistimetalleina toimivia nikkeli-titaaniseoksia kehitettiin ensimmäiseksi Naval Ordnance Laboratoryssä vuosina 1962-1963. Ne saivat kauppanimen Nitinol, joka on lyhenne sanoista Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories. Näiden huomattavat ominaisuudet havaittiin aluksi sattumalta. Eräässä kokouksessa laboratoriossa esiteltiin kappaletta, jota oli väännetty alkuperäisestä poikkeavaan muotoon useita kertoja. Yksi läsnä olleista teknisistä johtajista, David S. Muzzey, päätti kokeilla, mitä tapahtuu, jos hän kuumentaa kappaletta pitämällä piippua sen alla. Kaikkien hämmästykseksi se palautui alkuperäiseen muotoonsa. Kauffman, George, and Isaac Mayo. "Memory Metal." Chem Matters Oct. 1993: 4-7.

 Magneettiset muistimetallit 

On olemassa toinenkin tyyppi muistimetalleja, ferromagneettiset muistimetallit (ferromagnetic shape memory alloy, (FSMA). Ne muuttavat muotoaan voimakkaassa magneettikentässä. Ne ovat erityisen kiinnostavia, koska magneettikentän muutokset saavat aikaan tilanmuutokset nopeammin ja tehokkaammin kuin lämpötilan muutokset.

Metalliseosten lisäksi myös joillakin polymeereilla on muistimetallin kaltaisia ominaisuuksia. Sellaisia on ollut kaupallisesti saatavissa 1990-luvun lopulta lähtien.

Lähteet
Tekes.fi - Muistimetalliin perustuvat implantit
Tietoviikko.fi - Magneettinen muistimetalli on valmis valloituksiin
Teknillinen korkeakoulu - Antureiden ja aktuaattoreiden integrointi kuitukomposiittirakenteeseen 

Viitteet

 Aiheesta muualla 

Tekniikkatalous.fi - Muistimetallivaahto tottelee magneettikenttää 

Luokka:Metalliseokset
Luokka:Materiaalifysiikka