סגסוגות זיכרון

סגסוגות זוכרות צורה (SMA - Shape Memory Alloys) או סגסוגות חכמות היא משפחת חומרים בעלת יכולת לחזור לגאומטריה רצויה בעת חימום החומר. בטמפרטורה קרה ניתן לשנות את גאומטרית החומר כך שהשינוי ייראה יציב וקבוע, אך בעת חימום החומר תמיד ישאף לחזור לאותה הגאומטריה ("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 גאומטריה של קפיץ, במצב החם.
עקרון 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 גאומטרי 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 עקרון 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 גאומטריות) מול קיום של פאזה בעלת גאומטריה בודדת במצב החם.
החזרה למצב החם מתאפיינת ביכולת לחזור מעיוות גאומטרי 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. עקרון העבודה מבוסס על כך שהחומר חוזר לצורתו המקורית כל הזמן.
יתר החומרים נקראים חומרי זיכרון צורה, ועקרון 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.