Giới thiệu chi tiết về Shape Memory Metal

Lịch sử phát triển của hợp kim bộ nhớ hình dạng

Hợp kim bộ nhớ hình dạng là một loại vật liệu bộ nhớ hình dạng với các đặc tính tuyệt vời. Khi nó bị ảnh hưởng bởi ngoại lực hoặc thay đổi từ tính, nó có thể giữ trạng thái trước đó, được gọi là hiệu ứng bộ nhớ hình dạng. Việc áp dụng các vật liệu này rất đơn giản, trong đó các vật liệu dễ biến dạng bằng cách tác dụng lực bên ngoài. Khi chúng được làm nóng đến một nhiệt độ nhất định bằng cách gia nhiệt bên ngoài hoặc bên trong, chúng sẽ co lại hoặc trở về hình dạng ban đầu. Năm 1932, các nhà vật lý Thụy Điển lần đầu tiên phát hiện ra hiệu ứng bộ nhớ hình dạng này trong hợp kim Au CD. Đến năm 1938, greninger và mooradian lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng bộ nhớ hình dạng này trong hợp kim Cu Zn và Cu Sn. Cho đến năm 1969, SMA lần đầu tiên được áp dụng thành công về mặt thương mại. Công ty Raychem đã ứng dụng thành công hợp kim NiTi như một khớp nối ống vào hệ thống áp suất dầu của máy bay chiến đấu F14 ở Hoa Kỳ và đạt được hiệu quả niêm phong tốt của hệ thống áp suất dầu.

Hiệu ứng bộ nhớ hình

Hiệu ứng bộ nhớ hình dạng của hợp kim bộ nhớ hình dạng về cơ bản liên quan đến sự biến đổi martensitic trong hợp kim. Hợp kim bộ nhớ hình dạng tồn tại ở dạng austenite ở nhiệt độ cao hơn và martensite ở nhiệt độ thấp hơn. Khi SMA được làm nóng, nó bắt đầu thay đổi từ pha martensitic sang pha austenitic. Một s là

Nó được định nghĩa là nhiệt độ bắt đầu chuyển đổi austenit và AF là nhiệt độ tại đó quá trình biến đổi austenit kết thúc. Khi SMA được nung nóng trên nhiệt độ, pha martensitic sẽ dần dần thay đổi trở lại pha austenite và trở lại hình dạng ban đầu ở nhiệt độ cao, cũng có thể được thực hiện trong điều kiện tải cao. Trong quá trình làm mát, nhiệt độ bắt đầu từ austenite đến martensite được xác định là MS và nhiệt độ ở cuối quá trình biến đổi martensite được xác định là MF. Nhiệt độ tại đó biến đổi martensitic không còn gây ra bởi căng thẳng được xác định là MD. Trên nhiệt độ này, SMA biến dạng dưới tác động của ngoại lực và ngay lập tức trở lại hình dạng ban đầu sau khi dỡ tải. Hợp kim bộ nhớ hình dạng có ba loại hiệu ứng bộ nhớ khác nhau (như trong Hình 1), được đặc trưng như sau:

Hiệu ứng bộ nhớ một chiều. Khi nhiệt độ giảm, hợp kim sẽ biến dạng, và sau đó nó sẽ trở lại trạng thái trước khi biến dạng bằng cách tăng nhiệt độ, nghĩa là có hiệu ứng bộ nhớ hình dạng trong quá trình gia nhiệt;

② Hiệu ứng bộ nhớ hai chiều. Khi hợp kim trở lại trạng thái ở nhiệt độ cao trong quá trình nung nóng, và trở lại hình dạng ở nhiệt độ thấp khi nhiệt độ giảm. Bởi vì hiệu ứng bộ nhớ hai chiều chỉ có thể đạt được thông qua quá trình “huấn luyện” thích hợp và sức căng ở nhiệt độ cao sẽ giảm đi đáng kể, nên nó ít được ứng dụng thương mại hơn. Đạp xe bằng lực nhiệt là một loại phương pháp “luyện tập” để nhận ra hiệu ứng ghi nhớ hình dạng hai chiều. Nó đạt được mục đích "đào tạo" bằng cách đi xe đạp giữa austenit và các biến thể mactenxit cụ thể;

Toàn bộ quá trình hiệu ứng bộ nhớ. Nó đề cập đến trạng thái khi hợp kim phục hồi nhiệt độ cao trong quá trình gia nhiệt. Khi nhiệt độ giảm xuống nhiệt độ thấp, hình dạng sẽ chuyển sang hình dạng ngược lại khi nó thay đổi thành nhiệt độ cao.

Hiệu ứng bộ nhớ hình dạng là một sự biến đổi mactenxit pha rắn không khuếch tán. Ngoài ra, còn có các quá trình biến đổi pha khác liên quan đến bộ nhớ hình dạng, chẳng hạn như chuyển đổi pha R, thường xảy ra trong quá trình chuyển pha trung gian từ Austenit sang Mactenxit. Có độ trễ nhiệt trong sự biến đổi ngược lại của mactenxit, là một chỉ số để đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa nung nóng và làm lạnh (tức là Δ t = af-ms). Tính chất độ trễ nhiệt này rất quan trọng và độ trễ nhiệt của vật liệu SMA cần được xem xét cẩn thận trong quá trình ứng dụng công nghệ mục tiêu, ví dụ, đối với ứng dụng truyền động nhanh, độ trễ nhiệt nhỏ hơn là cần thiết, trong khi đối với kết nối đường ống, độ trễ nhiệt lớn hơn là cần thiết để đảm bảo rằng hình dạng xác định trước được duy trì trong một phạm vi nhiệt độ lớn hơn. Các tính chất cơ lý (độ dẫn nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt, điện trở suất, môđun Young, v.v.) của một số SMA trước và sau khi chuyển pha cũng khác nhau. Cấu trúc pha Austenit tương đối cứng và có mô đun Young cao hơn, trong khi cấu trúc mactenxit mềm hơn và dễ uốn hơn, tức là nó có thể dễ dàng bị biến dạng khi tác dụng ngoại lực.

Giới thiệu vật liệu hợp kim bộ nhớ hình dạng

Hợp kim bộ nhớ hình dạng NiTi đã được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y sinh như stent hợp kim, thiết bị y tế xâm lấn tối thiểu, phẫu thuật chỉnh hình, phẫu thuật não và nha khoa do tính tương thích sinh học và tính chất cơ học tuyệt vời của nó.

Tuy nhiên, do những hạn chế hoặc thiếu sót rõ ràng của SMA, như chi phí sản xuất cao, biến dạng có thể phục hồi và nhiệt độ dịch vụ hạn chế, các loại vật liệu bộ nhớ hình dạng khác đang được khám phá.

Bộ nhớ hợp kim nhiệt độ cao

Do yêu cầu cao hơn và cao hơn đối với nhiệt độ dịch vụ của hợp kim bộ nhớ hình dạng nhiệt độ cao, nhiều nhà nghiên cứu đã tăng nhiệt độ dịch vụ của hợp kim bộ nhớ hình dạng bằng cách thêm hợp kim nguyên tố thứ ba trong hợp kim NiTi. Trong thực tế, hợp kim bộ nhớ hình dạng nhiệt độ cao được định nghĩa là hợp kim bộ nhớ hình dạng có thể được sử dụng trên 100oC, nhưng do lớn

Hầu hết các hợp kim nhớ hình dạng ở nhiệt độ cao cho thấy độ dẻo kém và khả năng chịu mỏi ở nhiệt độ phòng, do đó rất khó gia công và “luyện”, do đó chi phí chế tạo chúng rất đắt. Hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ

So với hợp kim bộ nhớ hình dạng điều khiển nhiệt độ truyền thống, hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ có biến dạng đầu ra lớn hơn và tần số đáp ứng cao hơn. Điều này là do năng lượng truyền qua từ trường trong quá trình phục vụ và không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện dẫn nhiệt và tản nhiệt của vật liệu hợp kim. Hiệu ứng bộ nhớ hình dạng của nó là kích thích cặp song sinh thông qua từ trường bên ngoài

Sự định hướng lại ưa thích trong số các biến thể martensitic dẫn đến biến dạng hình dạng vĩ mô của hợp kim. Hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ không chỉ có thể cung cấp sức mạnh cụ thể như hợp kim bộ nhớ truyền thống, mà còn truyền ở tần số cao hơn. Tuy nhiên, nói chung, hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ sẽ gặp phải các vấn đề thiết kế tương tự với hợp kim bộ nhớ truyền thống trong quá trình ứng dụng. Ngoài ra, độ cứng của hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ rất lớn và giòn, do đó nó chỉ có thể được xử lý và vận hành ở nhiệt độ thấp. Do đó, rất khó để định hình và định hình hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ, và nó không phù hợp với môi trường nhiệt độ cao và cường độ cao hiện nay. Do đó, vẫn cần nghiên cứu thêm về hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ hiện có để cải thiện hơn nữa hiệu suất của vật liệu.

hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ

So với hợp kim bộ nhớ hình dạng điều khiển nhiệt độ truyền thống, hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ có biến dạng đầu ra lớn hơn và tần số đáp ứng cao hơn. Điều này là do năng lượng truyền qua từ trường trong quá trình phục vụ và không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện dẫn nhiệt và tản nhiệt của vật liệu hợp kim. Hiệu ứng bộ nhớ hình dạng của nó là để kích thích sự định hướng lại ưa thích giữa các biến thể martensite sinh đôi thông qua từ trường bên ngoài Sự biến dạng hình dạng vĩ mô của hợp kim xảy ra. Hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ không chỉ có thể cung cấp sức mạnh cụ thể như hợp kim bộ nhớ truyền thống, mà còn truyền ở tần số cao hơn. Tuy nhiên, nói chung, hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ sẽ gặp phải các vấn đề thiết kế tương tự với hợp kim bộ nhớ truyền thống trong quá trình ứng dụng. Ngoài ra, độ cứng của hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ rất lớn và giòn, do đó nó chỉ có thể được xử lý và vận hành ở nhiệt độ thấp. Do đó, rất khó để định hình và định hình hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ, và nó không phù hợp với môi trường nhiệt độ cao và cường độ cao hiện nay. Do đó, vẫn cần nghiên cứu thêm về hợp kim bộ nhớ hình dạng sắt từ hiện có để cải thiện hơn nữa hiệu suất của vật liệu.

Chất liệu màng nhớ hình

Do ứng dụng của vật liệu hợp kim bộ nhớ hình dạng trong các hệ thống cơ học, đặc biệt là trong các bộ truyền động vi mô, màng hợp kim bộ nhớ hình dạng đã được nghiên cứu rộng rãi. Vật liệu màng mỏng hình dạng thường được sử dụng làm màng mỏng độc lập để trở thành bộ truyền động vi mô. Trong sự phát triển nhanh chóng của MEMS, màng mỏng NiTi đã trở thành lựa chọn đầu tiên ở cấp độ vi mô

Thiết bị truyền động, do hiệu suất bộ nhớ hình dạng tuyệt vời và tần số cao, vẫn có thể duy trì công suất đầu ra lớn. Dự kiến các trình điều khiển NiTi vi mô dựa trên phim NiTi phún xạ sẽ chiếm một phần lớn trên thị trường thương mại, đặc biệt là các thiết bị vi mô y tế và các ứng dụng cấy ghép. Tuy nhiên, việc áp dụng vật liệu màng mỏng bộ nhớ hình dạng trong một số lĩnh vực có nhiệt độ môi trường cao hơn 100oC bị hạn chế, chẳng hạn như động cơ ô tô, báo cháy và tua bin hàng không, vì vậy trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu màng mỏng hình dạng bộ nhớ nhiệt độ cao với nhiệt độ thay đổi pha cao hơn 100oC đã được tăng lên.

Xu hướng phát triển của hợp kim bộ nhớ hình dạng

(1) Để phát triển mới hoặc cải tiến các vật liệu bộ nhớ hình dạng hiện có, ví dụ, để thêm các yếu tố hợp kim thứ ba thích hợp vào hệ thống hợp kim bộ nhớ hình dạng, cải thiện chuyển đổi martensitic của nó và đạt được sự kiểm soát tốt quá trình biến đổi của nó ở cấp độ vi mô.

(2) Hợp kim bộ nhớ hình dạng với các đặc tính chức năng tuyệt vời có thể được kết hợp với các vật liệu khác có đặc tính cấu trúc tốt để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng trường đặc biệt.

(3) Để đáp ứng nhu cầu ứng dụng thương mại, chúng ta nên tăng ứng dụng thương mại và cải tiến phương pháp chuẩn bị cho sản xuất quy mô lớn.