형상 기억 금속에 대한 자세한 소개

형상기억합금의 개발 이력

형상기억합금은 우수한 특성을 가진 형상기억재료의 일종입니다. 외력이나 자기 변화의 영향을 받아도 이전 상태를 유지할 수 있는데 이를 형상기억 효과라고 합니다. 이러한 재료의 적용은 외력을 가해 재료가 변형되기 쉽기 때문에 매우 간단합니다. 외부 또는 내부 가열에 의해 특정 온도로 가열되면 수축되거나 원래 모양으로 돌아갑니다. 1932년 스웨덴 물리학자들은 Au CD 합금에서 이 형상 기억 효과를 처음 발견했습니다. 1938년까지 Greninger와 Mooradian은 Cu Zn 및 Cu Sn 합금에서 이러한 형상 기억 효과를 처음 관찰했습니다. 1969년까지 SMA는 처음으로 상업적으로 성공적으로 적용되었습니다. Raychem 사는 미국 F14 전투기의 유압 시스템에 파이프 조인트로 NiTi 합금을 성공적으로 적용하여 유압 시스템의 우수한 밀봉 성능을 달성했습니다.

형상기억 효과

형상 기억 합금의 형상 기억 효과는 본질적으로 합금의 마르텐사이트 변태와 관련이 있습니다. 형상기억합금은 고온에서는 오스테나이트, 저온에서는 마르텐사이트 형태로 존재한다. SMA가 가열되면 마르텐사이트상에서 오스테나이트상으로 변화하기 시작합니다. 그대로

이는 오스테나이트 변태가 시작되는 온도로 정의되며 AF는 오스테나이트 변태가 끝나는 온도로 정의됩니다. SMA가 온도 이상으로 가열되면 마텐자이트 상이 점차적으로 오스테나이트 상으로 다시 바뀌고 고온에서 원래 모양으로 돌아갑니다. 이는 고부하 조건에서도 수행될 수 있습니다. 냉각 과정에서 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 시작 온도를 MS로 정의하고, 마르텐사이트 변태가 종료되는 온도를 MF로 정의합니다. 마르텐사이트 변태가 응력에 의해 더 이상 유도되지 않는 온도를 MD로 정의합니다. 이 온도 이상에서 SMA는 외력의 작용에 따라 변형되고 언로딩 후 즉시 원래 모양으로 돌아갑니다. 형상기억합금은 다음과 같이 특징지어지는 세 가지 유형의 기억 효과(그림 1 참조)를 가지고 있습니다.

① 단방향 기억 효과. 온도가 낮아지면 합금이 변형되고 온도를 높여 변형 전 상태로 되돌아갑니다. 즉, 가열 과정에서 형상 기억 효과가 있습니다.

② Two way memory effect. When the alloy returns to the state at high temperature during heating, and returns to the shape at low temperature when the temperature is reduced. Because the two-way memory effect can only be obtained through proper “training” process and the strain at high temperature will be greatly reduced, so it has less commercial application. Heat force cycling is a kind of “training” method to realize the two-way shape memory effect. It achieves the purpose of “training” by cycling between austenite and specific martensite variants;

③ 전체 프로세스 메모리 효과. 가열 과정에서 합금이 고온으로 회복되는 상태를 말합니다. 온도를 저온으로 낮추면 고온으로 바뀌면 모양이 반대 모양으로 바뀝니다.

The shape memory effect is a non diffusion solid phase martensitic transformation. In addition, there are other phase transformation processes related to shape memory, such as R-phase transformation, which generally occurs in an intermediate phase transformation from austenite to martensite. There is thermal hysteresis in the reverse transformation of martensite, which is an index to measure the temperature difference between heating and cooling (i.e. Δ t = af-ms). This thermal hysteresis property is very important, and the thermal hysteresis of SMA material needs to be considered carefully in the process of target technology application, for example, for fast drive application, smaller thermal hysteresis is needed, while for pipeline connection, larger thermal hysteresis is needed to ensure that the predefined shape is maintained in a larger temperature range. The physical and mechanical properties (thermal conductivity, thermal expansion coefficient, resistivity, Young’s modulus, etc.) of some SMA before and after phase transition are also different. Austenite phase structure is relatively hard and has higher Young’s modulus, while martensite structure is softer and more malleable, that is, it can be easily deformed by applying external force.

형상기억합금 소재 소개

NiTi 형상기억합금은 우수한 생체적합성 및 기계적 특성으로 인해 합금 스텐트, 최소침습 의료기기, 정형외과, 뇌외과, 구강과 등의 생체의학 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

그러나 높은 제조 비용, 제한된 복구 가능한 변형 및 사용 온도와 같은 SMA의 명백한 한계 또는 단점으로 인해 다른 유형의 형상 기억 재료가 탐색되고 있습니다.

고온 형상기억합금

고온 형상 기억 합금의 사용 온도에 대한 요구 사항이 점점 더 높아짐에 따라 많은 연구자들이 NiTi 합금에 세 번째 원소 합금을 추가하여 형상 기억 합금의 사용 온도를 높였습니다. 사실 고온형상기억합금은 100℃ 이상에서 사용할 수 있는 형상기억합금으로 정의하고 있지만,

Most high temperature shape memory alloys show poor ductility and fatigue resistance at room temperature, so it is difficult to process and “train”, so the cost of manufacturing them is very expensive. Ferromagnetic shape memory alloy

전통적인 온도 제어 형상 기억 합금과 비교하여 강자성 형상 기억 합금은 출력 변형률이 더 크고 응답 주파수가 더 높습니다. 이는 서비스 과정에서 에너지가 자기장을 통해 전파되고 합금 소재의 열전도도 및 방열 조건에 영향을 받지 않기 때문입니다. 형상 기억 효과는 외부 자기장을 통해 쌍둥이를 흥분시키는 것입니다.

마텐자이트 변종 중에서 선호되는 방향 변경은 합금의 거시적 형태 변형을 초래합니다. 강자성 형상기억합금은 기존의 기억합금과 동일한 비전력을 제공할 뿐만 아니라 더 높은 주파수로 전송할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 강자성 형상 기억 합금은 응용 과정에서 기존의 기억 합금과 유사한 설계 문제에 직면하게 됩니다. 또한 강자성 형상기억합금은 경도가 매우 크고 부서지기 때문에 저온에서만 가공 및 운전이 가능합니다. 따라서 강자성 형상기억합금의 성형 및 성형이 어렵고, 현재 고온 및 고강도 환경에 적합하지 않다. 따라서 소재의 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 기존의 강자성 형상기억합금에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

강자성 형상기억합금

전통적인 온도 제어 형상 기억 합금과 비교하여 강자성 형상 기억 합금은 출력 변형률이 더 크고 응답 주파수가 더 높습니다. 이는 서비스 과정에서 에너지가 자기장을 통해 전파되고 합금 소재의 열전도도 및 방열 조건에 영향을 받지 않기 때문입니다. 형상 기억 효과는 외부 자기장을 통해 쌍정 마텐자이트 변이체 사이의 선호되는 재배향을 자극하는 것입니다. 합금의 거시적 형상 변형이 발생합니다. 강자성 형상기억합금은 기존의 기억합금과 동일한 비전력을 제공할 뿐만 아니라 더 높은 주파수로 전송할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 강자성 형상 기억 합금은 응용 과정에서 기존의 기억 합금과 유사한 설계 문제에 직면하게 됩니다. 또한 강자성 형상기억합금은 경도가 매우 크고 부서지기 때문에 낮은 온도에서만 가공 및 운전이 가능합니다. 따라서 강자성 형상기억합금의 성형 및 성형이 어렵고, 현재 고온 및 고강도 환경에 적합하지 않다. 따라서 소재의 성능을 더욱 향상시키기 위해서는 기존의 강자성 형상기억합금에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

형상기억 필름 소재

기계 시스템, 특히 마이크로 액추에이터에서 형상 기억 합금 재료의 적용으로 인해 형상 기억 합금 필름이 널리 연구되었습니다. 형상기억 박막 재료는 일반적으로 마이크로 액츄에이터가 되기 위한 독립된 박막으로 사용된다. MEMS의 급속한 발전에서 NiTi 박막은 마이크로 수준에서 첫 번째 선택이 되었습니다.

액추에이터는 우수한 형상 기억 성능과 고주파수로 인해 여전히 큰 출력을 유지할 수 있습니다. 스퍼터링된 NiTi 필름을 기반으로 하는 마이크로 NiTi 드라이버는 특히 의료용 마이크로 장치 및 이식 가능한 응용 분야에서 상업 시장의 큰 부분을 차지할 것으로 예상됩니다. 그러나 자동차 엔진, 화재 경보기, 항공 터빈과 같이 주위 온도가 100℃ 이상인 일부 분야에서는 형상기억 박막 재료의 적용이 제한되어 최근 몇 년간 고온 형상기억 박막 재료에 대한 연구가 100℃ 이상의 상변화 온도가 증가되었습니다.

형상기억합금의 발전동향

(1) 새로운 형상 기억 재료를 개발하거나 기존 형상 기억 재료를 개선하기 위해, 예를 들어 형상 기억 합금 시스템에 적절한 제3 합금 원소를 추가하고, 마르텐자이트 변태를 개선하고, 미세 수준에서 변태 과정을 미세하게 제어합니다.

(2) 우수한 기능적 특성을 갖는 형상기억합금은 특별한 현장 적용의 요구사항을 충족시키기 위해 우수한 구조적 특성을 갖는 다른 재료와 혼합될 수 있다.

(3) 상업화 수요를 충족시키기 위해 상업화를 확대하고 대량 생산을 위한 준비 방법을 개선해야 한다.