Сплавы с памятью формы: свойства и применение.

Сплавы с памятью формы: уникальные материалы, восстанавливающие исходную форму при нагревании. Применение в металлургии, робототехнике и автоматике.

19 мин чтения

100%

Источник: Shape-memory alloy — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Сплав, возвращающийся к заданной форме при нагревании

В металлургии сплав с памятью формы (SMA) – это сплав, который может быть деформирован в холодном состоянии, но возвращается к своей предварительно заданной ("запомненной") форме при нагревании. Он также известен под другими названиями, такими как металл с памятью, сплав с памятью, интеллектуальный металл, интеллектуальный сплав и "мышечная" проволока. "Запомненная геометрия" может быть изменена путем фиксации желаемой формы и последующей термической обработки; например, проволоку можно настроить на запоминание формы пружины. Детали, изготовленные из сплавов с памятью формы, могут служить легкими твердотельными альтернативами традиционным приводам, таким как гидравлические, пневматические и моторные системы. Они также могут использоваться для создания герметичных соединений в металлических трубках, а также могут заменить систему управления с обратной связью, включающую датчик и исполнительный механизм, для контроля температуры воды путем регулирования соотношения потоков горячей и холодной воды.

Обзор

Два наиболее распространенных сплава с памятью формы – медно-алюминиево-никелевый и никель-титановый (NiTi), но сплавы с памятью формы (SMA) также могут быть созданы путем легирования цинком, медью, золотом и железом. Хотя железо- и медь-основанные SMA, такие как Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al и Cu-Al-Ni, коммерчески доступны и дешевле, чем NiTi, SMA на основе NiTi предпочтительнее для большинства применений благодаря их стабильности и практичности, а также превосходным термомеханическим характеристикам. SMA могут существовать в двух различных фазах, с тремя различными кристаллическими структурами (то есть двойниковый мартенсит, дедвойниковый мартенсит и аустенит) и шестью возможными трансформациями. Термомеханическое поведение SMA определяется фазовым превращением между аустенитом и мартензитом. Сплавы NiTi преобразуются из аустенита в мартензит при охлаждении, начиная с температуры ниже Ms; Mf – это температура, при которой завершается переход в мартензит при охлаждении. Соответственно, при нагревании As и Af – это температуры, при которых начинается и заканчивается превращение из мартенсита в аустенит. Приложение механической нагрузки к мартенситу приводит к переориентации кристаллов, известной как «дедвойнирование», что вызывает необратимую (запомненную) деформацию после снятия нагрузки. Дедвойнирование начинается при определенном напряжении σs и заканчивается при σf, выше которого мартенсит проявляет только упругое поведение (пока нагрузка не превысит предел текучести). Запомненная деформация от дедвойнирования восстанавливается при нагревании до аустенита. Фазовое превращение из аустенита в мартензит также может происходить при постоянной температуре при приложении механической нагрузки выше определенного уровня. Превращение обратимо при снятии нагрузки. Переход от мартенситной фазы к аустенитной зависит только от температуры и напряжения, а не от времени, как большинство фазовых изменений, поскольку диффузия не происходит. Аналогично, аустенитная структура получила свое название от стальных сплавов с аналогичной структурой. Именно обратимый бездиффузионный переход между этими двумя фазами обуславливает особые свойства. Хотя мартенсит может быть сформирован из аустенита путем быстрого охлаждения углеродистой стали, этот процесс необратим, поэтому сталь не обладает памятью формы. На этом рисунке вертикальная ось представляет собой долю мартенсита. Разница между переходом при нагревании и переходом при охлаждении приводит к гистерезису, при котором часть механической энергии теряется в процессе. Форма кривой зависит от материальных свойств сплава с памятью формы, таких как состав сплава и упрочнение.

The two most prevalent shape memory alloys are copper aluminium nickel and nickel titanium (NiTi), but SMAs can also be created by alloying zinc, copper, gold and iron. Although iron based and copper based SMAs, such as Fe Mn Si, Cu Zn Al and Cu Al Ni, are commercially available and cheaper than NiTi, NiTi based SMAs are preferable for most applications due to their stability and practicability as well as their superior thermo mechanical performance. SMAs can exist in two different phases, with three different crystal structures (i. e. twinned martensite, detwinned martensite, and austenite) and six possible transformations. The thermo mechanic behavior of the SMAs is governed by a phase transformation between the austenite and the martensite. NiTi alloys change from austenite to martensite upon cooling starting from a temperature below Ms; Mf is the temperature at which the transition to martensite completes upon cooling. Accordingly, during heating As and Af are the temperatures at which the transformation from martensite to austenite starts and finishes. Applying a mechanical load to the martensite leads to a re orientation of the crystals, referred to as “de twinning”, which results in a deformation which is not recovered (remembered) after releasing the mechanical load. De twinning starts at a certain stress σs and ends at σf above which martensite continue exhibiting only elastic behavior (as long as the load is below the yield stress). The memorized deformation from detwinning is recovered after heating to austenite. The phase transformation from austenite to martensite can also occur at constant temperature by applying a mechanical load above a certain level. The transformation is reversed when the load is released. The transition from the martensite phase to the austenite phase is only dependent on temperature and stress, not time, as most phase changes are, as there is no diffusion involved. Similarly, the austenite structure receives its name from steel alloys of a similar structure. It is the reversible diffusionless transition between these two phases that results in special properties. While martensite can be formed from austenite by rapidly cooling carbon steel, this process is not reversible, so steel does not have shape memory properties. In this figure the vertical axis represents the martensite fraction. The difference between the heating transition and the cooling transition gives rise to hysteresis where some of the mechanical energy is lost in the process. The shape of the curve depends on the material properties of the shape memory alloy, such as the alloy's composition and work hardening.

Эффект памяти формы

Эффект памяти формы (SME) возникает из-за фазового превращения, индуцированного температурой, которое обращает деформацию, как показано на предыдущей кривой гистерезиса. Обычно мартензитная фаза моноклинная или орторомбическая (B19' или B19). Поскольку эти кристаллические структуры не имеют достаточного количества плоскостей скольжения для лёгкого движения дислокаций, они деформируются посредством двойникования – точнее, распада двойников. Мартенсит термодинамически предпочтителен при более низких температурах, а аустенит (кубический B2) – при более высоких. Поскольку эти структуры имеют разные параметры решетки и симметрию, охлаждение аустенита до мартензита вносит внутреннюю деформационную энергию в мартенситную фазу. Для снижения этой энергии мартензитная фаза формирует множество двойников – это называется «самоаккомодирующим двойникованием» и является двойниковой эквивалентом геометрически необходимых дислокаций. Поскольку сплав с памятью формы изготавливается из более высокой температуры и обычно проектируется таким образом, чтобы мартензитная фаза была доминирующей при рабочей температуре для использования эффекта памяти формы, сплавы с памятью формы (SMA) «начинают» в сильно двойникованном состоянии. При нагружении мартенсита эти самоаккомодирующие двойники обеспечивают лёгкий путь для деформации. Приложенные напряжения приводят к распаду двойников, но все атомы остаются в том же положении относительно соседних атомов – атомные связи не разрываются и не образуются вновь (как это происходит при движении дислокаций). Таким образом, при повышении температуры и термодинамической стабилизации аустенита, все атомы перестраиваются в структуру B2, которая совпадает с макроскопической формой мартенсита B19' до деформации. Это фазовое превращение происходит чрезвычайно быстро и придаёт сплавам с памятью формы их характерный «щелчок». Повторное использование эффекта памяти формы может привести к сдвигу характерных температур превращения (этот эффект известен как функциональная усталость, поскольку он тесно связан с изменением микроструктурных и функциональных свойств материала). Максимальная температура, при которой невозможно вызвать деформацию сплава с памятью формы посредством напряжения, называется Md, при которой сплав подвергается необратимой деформации.

The shape memory effect (SME) occurs because a temperature induced phase transformation reverses deformation, as shown in the previous hysteresis curve. Typically the martensitic phase is monoclinic or orthorhombic (B19' or B19). Since these crystal structures do not have enough slip systems for easy dislocation motion, they deform by twinning—or rather, detwinning. Martensite is thermodynamically favored at lower temperatures, while austenite (B2 cubic) is thermodynamically favored at higher temperatures. Since these structures have different lattice sizes and symmetry, cooling austenite into martensite introduces internal strain energy in the martensitic phase. To reduce this energy, the martensitic phase forms many twins—this is called "self accommodating twinning" and is the twinning version of geometrically necessary dislocations. Since the shape memory alloy will be manufactured from a higher temperature and is usually engineered so that the martensitic phase is dominant at operating temperature to take advantage of the shape memory effect, SMAs "start" highly twinned. When the martensite is loaded, these self accommodating twins provide an easy path for deformation. Applied stresses will detwin the martensite, but all of the atoms stay in the same position relative to the nearby atoms—no atomic bonds are broken or reformed (as they would be by dislocation motion). Thus, when the temperature is raised and austenite becomes thermodynamically favored, all of the atoms rearrange to the B2 structure which happens to be the same macroscopic shape as the B19' pre deformation shape. This phase transformation happens extremely quickly and gives SMAs their distinctive "snap". Repeated use of the shape memory effect may lead to a shift of the characteristic transformation temperatures (this effect is known as functional fatigue, as it is closely related with a change of microstructural and functional properties of the material). The maximum temperature at which SMAs can no longer be stress induced is called Md, where the SMAs are permanently deformed.

Односторонняя и двусторонняя память формы

Сплавы с памятью формы демонстрируют различные эффекты памяти формы. Наиболее распространены односторонний и двусторонний эффекты. Схематичное изображение этих эффектов представлено ниже. Процедуры в обоих случаях схожи: исходным является мартенсит, к которому прикладывается деформация, затем образец нагревается и охлаждается.

Односторонний эффект памяти

Когда сплав с памятью формы находится в холодном состоянии (ниже Mf), металл можно согнуть или растянуть, и он будет сохранять эти формы до нагрева выше температуры перехода. При нагревании форма возвращается к исходной. При повторном охлаждении металл сохраняет эту форму, пока снова не будет деформирован. При одностороннем эффекте охлаждение от высоких температур не приводит к макроскопическому изменению формы. Для получения формы при низкой температуре необходима деформация. При нагревании трансформация начинается при As и завершается при Af (обычно от 2 до 20 °C или выше, в зависимости от сплава или условий нагружения). Значение As определяется типом и составом сплава и может изменяться в диапазоне от 150 до 200.

Двусторонний эффект

Двусторонний эффект памяти формы – это способность материала запоминать две различные формы: одну при низких температурах и другую при высоких. Материал, демонстрирующий эффект памяти формы как при нагревании, так и при охлаждении, называется обладающим двухсторонней памятью формы. Этот эффект также может быть достигнут без приложения внешней силы (собственный двухсторонний эффект). Причина различного поведения материала в этих ситуациях заключается в тренировке. Тренировка подразумевает, что материал с памятью формы может "научиться" определенному поведению. В обычных условиях сплав с памятью формы "запоминает" форму при низкой температуре, но при нагревании для восстановления формы при высокой температуре, он немедленно "забывает" форму при низкой температуре. Однако его можно "обучить" сохранять некоторые следы деформированного состояния при низкой температуре в фазах при высокой температуре. Один из способов тренировки сплава с памятью формы заключается в применении циклической тепловой нагрузки при постоянном напряжении. В процессе этого в микроструктуру внедряются внутренние дефекты, создающие остаточные внутренние напряжения, способствующие ориентации мартензитных кристаллов. Таким образом, при охлаждении тренированного сплава с памятью формы из аустенитной фазы без приложения внешнего напряжения, мартенсит формируется детвинованным из-за внутренних напряжений, что приводит к изменению формы материала. А при повторном нагревании сплава в аустенит, он восстанавливает свою исходную форму. Существуют различные способы проведения тренировки. Отформованный, тренированный объект, нагретый выше определенной температуры, теряет двухсторонний эффект памяти формы.

Псевдоэластичность

СМА демонстрируют феномен, иногда называемый суперэластичностью, но более точно описываемый как псевдоэластичность. "Суперэластичность" подразумевает, что атомные связи между атомами растягиваются до предельной длины без возникновения пластической деформации. Псевдоэластичность также позволяет достигать больших, восстанавливаемых деформаций с незначительной или отсутствующей остаточной деформацией, однако она основана на более сложных механизмах. СМА проявляют как минимум три вида псевдоэластичности. Два менее изученных вида – это псевдообразование двойников и резиноподобное поведение, обусловленное ближним порядком. Основной псевдоэластический эффект возникает в результате фазового превращения, индуцированного напряжением. На рисунке справа показано, как протекает этот процесс. Здесь изотермическая нагрузка прикладывается к СМА выше температуры завершения аустенита (Af), но ниже температуры деформации мартенсита (Md). Рисунок выше иллюстрирует возможность этого, сопоставляя фазовое превращение, индуцированное псевдоэластическим напряжением, с фазовым превращением, индуцированным температурой, при эффекте памяти формы. Для определенной точки на кривой Af можно выбрать точку на линии Ms с более высокой температурой, при условии, что соответствующая точка на кривой Md также имеет более высокое напряжение. Изначально материал демонстрирует типичное для металлов упруго-пластическое поведение. Однако, как только материал достигает мартенситного напряжения, аустенит преобразуется в мартензит и происходит детвининг. Как уже обсуждалось, этот детвининг обратим при обратном превращении из мартенсита в аустенит. При приложении больших напряжений пластическое поведение, такое как детвининг и скольжение мартенсита, может инициироваться в таких местах, как границы зерен или включения. Если материал разгружается до возникновения пластической деформации, он возвращается в аустенитную фазу при достижении критического напряжения аустенита (σas). Материал восстанавливает почти всю деформацию, вызванную структурным изменением, и для некоторых СМА эта деформация может превышать 10 процентов. Этот цикл гистерезиса показывает работу, совершаемую при каждом цикле материала между состояниями малых и больших деформаций, что важно для многих применений. На графике зависимости деформации от температуры линии начала и завершения аустенита и мартенсита проходят параллельно. Эффект памяти формы и псевдоэластичность на самом деле являются различными аспектами одного и того же явления, как показано слева. Ключом к большим деформациям является различие в кристаллической структуре между двумя фазами. Аустенит обычно имеет кубическую структуру, в то время как мартенсит может быть моноклинным или иметь другую структуру, отличную от родительской фазы, как правило, с более низкой симметрией. Для моноклинного мартенситного материала, такого как нитинол, моноклинная фаза имеет более низкую симметрию, что важно, поскольку определенные кристаллографические ориентации способны выдерживать более высокие напряжения по сравнению с другими ориентациями при приложении нагрузки. Следовательно, материал будет стремиться формировать ориентации, которые максимизируют общую деформацию до увеличения приложенного напряжения. Одним из механизмов, способствующих этому процессу, является двойникование мартенситной фазы. В кристаллографии граница двойника – это двухмерный дефект, в котором последовательность атомных плоскостей решетки зеркально отражается относительно плоскости границы. В зависимости от напряжения и температуры эти процессы деформации конкурируют с необратимыми деформациями, такими как скольжение. Важно отметить, что σms зависит от таких параметров, как температура и количество центров зародышеобразования фазы. Границы и включения служат общими местами для начала превращения, и их большое количество увеличивает движущую силу зародышеобразования. Для гомогенного зародышеобразования потребуется меньшее значение σms. Аналогично, повышение температуры снижает движущую силу фазового превращения, поэтому потребуется большее значение σms. Можно заметить, что с увеличением рабочей температуры СМА значение σms превысит предел текучести (σy), и суперэластичность перестанет наблюдаться.

SMAs display a phenomenon sometimes called superelasticity, but is more accurately described as pseudoelasticity. “Superelasticity” implies that the atomic bonds between atoms stretch to an extreme length without incurring plastic deformation. Pseudoelasticity still achieves large, recoverable strains with little to no permanent deformation, but it relies on more complex mechanisms. SMAs exhibit at least 3 kinds of pseudoelasticty. The two less studied kinds of pseudoelasticity are pseudo twin formation and rubber like behavior due to short range order. The main pseudoelastic effect comes from a stress induced phase transformation. The figure on the right exhibits how this process occurs. Here a load is isothermally applied to a SMA above the austenite finish temperature, Af, but below the martensite deformation temperature, Md. The figure above illustrates how this is possible, by relating the pseudoelastic stress induced phase transformation to the shape memory effect temperature induced phase transformation. For a particular point on Af, it is possible to choose a point on the Ms line with a higher temperature, as long as that point Md also has a higher stress. The material initially exhibits typical elastic plastic behavior for metals. However, once the material reaches the martensitic stress, the austenite will transform to martensite and detwin. As previously discussed, this detwinning is reversible when transforming back from martensite to austenite. If large stresses are applied, plastic behavior such as detwinning and slip of the martensite will initiate at sites such as grain boundaries or inclusions. If the material is unloaded before plastic deformation occurs, it will revert to austenite once a critical stress for austenite is reached (σas). The material will recover nearly all strain that was induced from the structural change, and for some SMAs this can be strains greater than 10 percent. This hysteresis loop shows the work done for each cycle of the material between states of small and large deformations, which is important for many applications. In a plot of strain versus temperature, the austenite and martensite start and finish lines run parallel. The SME and pseudoelasticity are actually different parts of the same phenomenon, as shown on the left. The key to the large strain deformations is the difference in crystal structure between the two phases. Austenite generally has a cubic structure while martensite can be monoclinic or another structure different from the parent phase, typically with lower symmetry. For a monoclinic martensitic material such as Nitinol, the monoclinic phase has lower symmetry which is important as certain crystallographic orientations will accommodate higher strains compared to other orientations when under an applied stress. Thus it follows that the material will tend to form orientations that maximize the overall strain prior to any increase in applied stress. One mechanism that aids in this process is the twinning of the martensite phase. In crystallography, a twin boundary is a two dimensional defect in which the stacking of atomic planes of the lattice are mirrored across the plane of the boundary. Depending on stress and temperature, these deformation processes will compete with permanent deformation such as slip. It is important to note that σms is dependent on parameters such as temperature and the number of nucleation sites for phase nucleation. Interfaces and inclusions will provide general sites for the transformation to begin, and if these are great in number, it will increase the driving force for nucleation. A smaller σms will be needed than for homogeneous nucleation. Likewise, increasing temperature will reduce the driving force for the phase transformation, so a larger σms will be necessary. One can see that as you increase the operational temperature of the SMA, σms will be greater than the yield strength, σy, and superelasticity will no longer be observable.

История

Первые зафиксированные шаги к открытию эффекта памяти формы были сделаны в 1930-х годах. Согласно Оцуке и Уэймену, Арне Оландер обнаружил псевдоэластичное поведение сплава AuCd в 1932 году. Гренингер и Мурадиан (1938) наблюдали образование и исчезновение мартензитной фазы при понижении и повышении температуры сплава CuZn. Основное явление эффекта памяти, обусловленное термоэластическим поведением мартенситной фазы, было широко описано десятилетие спустя Курджумовым и Хандросом (1949), а также Чангом и Ридом (1951). Существует другой тип сплавов с памятью формы (SMA), называемый ферромагнитными сплавами памяти формы (FSMA), которые изменяют свою форму под воздействием сильных магнитных полей. Эти материалы представляют особый интерес, поскольку магнитный отклик, как правило, быстрее и эффективнее, чем температурный. Металлические сплавы – не единственные материалы, реагирующие на температуру; также были разработаны полимеры с памятью формы, которые стали коммерчески доступны в конце 1990-х годов.

Кристальные структуры

Многие металлы имеют несколько различных кристаллических структур при одном и том же составе, но большинство металлов не проявляют эффект памяти формы. Особое свойство, позволяющее сплавам с памятью формы восстанавливать свою первоначальную форму после нагрева, заключается в полной обратимости их кристаллической трансформации. В большинстве кристаллических превращений атомы в структуре перемещаются по металлу посредством диффузии, изменяя локальный состав, даже если металл в целом состоит из одних и тех же атомов. Обратимое превращение не включает в себя эту диффузию атомов; вместо этого все атомы смещаются одновременно, формируя новую структуру, подобно тому, как из квадрата можно получить параллелограмм, воздействуя на две противоположные стороны. При разных температурах предпочтительны разные структуры, и при охлаждении структуры ниже температуры перехода формируется мартенситная структура из аустенитной фазы.

Производство

Сплавы с памятью формы обычно изготавливаются литьем с использованием вакуумной дуговой плавки или индукционной плавки. Это специализированные методы, применяемые для минимизации содержания примесей в сплаве и обеспечения качественного перемешивания металлов. Затем слиток подвергается горячей прокатке для получения более длинных заготовок, а затем вытягивается в проволоку. Способ "тренировки" сплава зависит от требуемых свойств. "Тренировка" определяет форму, которую сплав запомнит при нагревании. Это достигается путем нагрева сплава для упорядочения дислокаций в стабильные положения, но без достижения температуры рекристаллизации материала. Сплавы нагревают до температуры от 400 до 500 градусов в течение 30 минут, придают им форму в горячем состоянии, а затем быстро охлаждают закалкой в воде или охлаждением на воздухе.

Свойства

Сплавы с формовой памятью на основе меди и NiTi считаются конструкционными материалами. Эти композиции могут быть изготовлены практически любой формы и размера. Предел текучести сплавов с формовой памятью ниже, чем у обычной стали, но некоторые композиции обладают более высоким пределом текучести, чем пластик или алюминий. Предел текучести для NiTi может достигать 500. Высокая стоимость самого металла и требования к обработке затрудняют и удорожают внедрение сплавов с формовой памятью в конструкцию. В результате эти материалы используются в областях, где можно эффективно использовать их сверхэластичные свойства или эффект памяти формы. Наиболее распространенное применение – в приводах. Одним из преимуществ использования сплавов с формовой памятью является возможность создания больших обратимых пластических деформаций. Максимальная восстанавливаемая деформация, которую эти материалы могут выдерживать без необратимых повреждений, достигает 8% для некоторых сплавов. Это значительно выше максимальной деформации в 0,5% для обычных сталей.

Практические ограничения

SMA имеют множество преимуществ по сравнению с традиционными приводами, но также обладают рядом ограничений, которые могут затруднять их практическое применение. В многочисленных исследованиях подчеркивалось, что лишь немногие из запатентованных применений сплавов с памятью формы достигают коммерческого успеха из-за ограничений материала, в сочетании с недостатком знаний о материалах и проектировании, а также соответствующих инструментов, таких как ненадлежащие подходы и методы проектирования. Основные задачи при разработке применений SMA заключаются в преодолении этих ограничений, включающих относительно небольшую полезную деформацию, низкую частоту активации, слабую управляемость, низкую точность и низкую энергоэффективность.

Время отклика и симметрия ответа

SMA-приводы обычно приводятся в действие электрически, при этом электрический ток вызывает нагрев Джоуля. Деактивация обычно происходит за счет свободной конвективной теплоотдачи в окружающую среду. Следовательно, активация SMA, как правило, асимметрична, с относительно быстрым временем активации и медленным временем деактивации. Предложено несколько методов сокращения времени деактивации SMA, включая принудительную конвекцию и покрытие SMA проводящим материалом для управления скоростью теплопередачи. Новые методы повышения эффективности SMA-приводов включают использование проводящего "оболочки". Этот метод использует теплопроводную пасту для быстрого отвода тепла от SMA посредством теплопроводности. Это тепло затем легче передается в окружающую среду посредством конвекции, поскольку внешние радиусы (и площадь теплопередачи) значительно больше, чем у оголенного провода. Этот метод приводит к значительному сокращению времени деактивации и симметричному профилю активации. Как следствие увеличения скорости теплопередачи, требуется больший ток для достижения заданной силы активации.

Структурная усталость и функциональная усталость

SMA подвержен структурной усталости – виду разрушения, при котором циклическая нагрузка приводит к образованию и распространению трещины, что в конечном итоге вызывает катастрофическую потерю функциональности из-за разрушения. Физический механизм этого вида усталости заключается в накоплении микроструктурных повреждений при циклическом нагружении. Этот вид разрушения наблюдается в большинстве конструкционных материалов, а не только в SMA. SMA также подвержены функциональной усталости – виду разрушения, нетипичному для большинства конструкционных материалов, при котором SMA не разрушается механически, но со временем теряет свои свойства памяти формы/сверхэластичности. В результате циклической нагрузки (как механической, так и термической) материал теряет способность к обратимому фазовому превращению. Например, рабочий ход в приводе уменьшается с увеличением числа циклов. Физический механизм этого заключается в постепенном изменении микроструктуры – в частности, в накоплении дислокаций аккомодации. Это часто сопровождается значительным изменением температур фазовых превращений. Конструкция приводов SMA также может влиять как на структурную, так и на функциональную усталость SMA, например, конфигурация шкивов в системе SMA Pulley.

Непреднамеренное включение

SMA-приводы обычно приводятся в действие электрически за счет нагрева, вызванного эффектом Джоуля. Если SMA используется в условиях неконтролируемой температуры окружающей среды, возможно нежелательное срабатывание из-за нагрева от окружающей среды.

Самолеты и космические аппараты

Boeing, General Electric Aircraft Engines, Goodrich Corporation, NASA, Техасский университет A&M и All Nippon Airways разработали Chevron с переменной геометрией с использованием NiTi SMA. Такая конструкция сопла с переменной площадью (VAFN) позволит в будущем создавать более тихие и эффективные реактивные двигатели. В 2005 и 2006 годах Boeing провел успешные летные испытания этой технологии. SMA изучаются в качестве демпферов вибрации для ракет-носителей и коммерческих реактивных двигателей. Большое количество гистерезиса, наблюдаемое при проявлении суперэластичности, позволяет SMA рассеивать энергию и гасить вибрации. Эти материалы перспективны для снижения высоких вибрационных нагрузок на полезные грузы при запуске, а также на лопатки вентиляторов в коммерческих реактивных двигателях, что позволит создавать более легкие и эффективные конструкции. SMA также обладают потенциалом для других областей применения при высоких ударных нагрузках, таких как шарикоподшипники и шасси. Существует также значительный интерес к использованию SMA в различных приводных устройствах коммерческих реактивных двигателей, что значительно снизит их вес и повысит эффективность. Однако, прежде чем они смогут быть успешно внедрены, необходимо провести дополнительные исследования для повышения температур преобразования и улучшения механических свойств этих материалов. Ma et al. представили обзор последних достижений в области высокотемпературных сплавов с памятью формы (HTSMA), поскольку они позволяют создавать очень легких роботов. Недавно Loh et al. представили протез руки, который почти полностью воспроизводит движения человеческой руки [Loh2005]. Также исследуются другие биомиметические применения. К слабым сторонам технологии относятся энергетическая неэффективность, медленное время отклика и значительный гистерезис.

Клапан

SMA также используются для привода клапанов. Клапаны на основе SMA отличаются особенно компактной конструкцией.

Биоинженерная роботизированная рука

Существуют прототипы роботизированных рук на основе сплавов с памятью формы (SMA), использующие эффект памяти формы (SME) для движения пальцев.

Гражданские сооружения

SMA находят разнообразное применение в гражданском строительстве, например, в мостах и зданиях. В форме арматурных стержней или пластин они могут использоваться для усиления бетонных и стальных конструкций при изгибе, сдвиге и при сейсмических воздействиях. Другим применением является интеллектуальный армированный бетон (IRC), в котором используются SMA-проволоки, встроенные в бетон. Эти проволоки способны обнаруживать трещины и сжиматься для самовосстановления микротрещин. Также возможна активная настройка собственной частоты колебаний конструкции с помощью SMA-проволок для гашения вибраций, а также применение SMA-волокон в бетоне.

Трубопроводы

Первым коммерческим применением стало муфтовое соединение с памятью формы для трубопроводов, например, для нефтепроводов в промышленности, водопроводных и подобных трубопроводных систем в бытовых и коммерческих целях.

Камеры смартфонов

Несколько компаний, производящих смартфоны, выпустили модели с модулями оптической стабилизации изображения (OIS), использующими SMA-приводы, произведенные по лицензии Cambridge Mechatronics.

Медицина

Сплавы с памятью формы применяются в медицине, например, в качестве фиксаторов для остеотомий в ортопедической хирургии, в качестве привода в хирургических инструментах; активные управляемые хирургические иглы для минимально инвазивных перкутанных вмешательств при лечении рака, в хирургических процедурах, таких как биопсия и брахитерапия, в зубных брекетах для создания постоянного давления на зубы, в капсульной эндоскопии они могут использоваться для инициирования биопсии. Коммерческое внедрение нитинола в конце 1980-х годов открыло новые возможности в ряде минимально инвазивных эндоваскулярных медицинских применений. Несмотря на более высокую стоимость по сравнению с нержавеющей сталью, саморасширяющиеся свойства сплавов нитинола, изготовленных с учетом температурного отклика (BTR – Body Temperature Response), стали привлекательной альтернативой баллонно-расширяемым устройствам в стент-графтах, обеспечивая адаптацию к форме определенных кровеносных сосудов при температуре тела. В среднем, нитинол используется при производстве 50% всех периферических сосудистых стентов, представленных на мировом рынке.

Оптометрия

Очки в оправе из титана, содержащие сплавы с памятью формы, продаются под торговыми марками Flexon и TITANflex. Эти оправы обычно изготавливаются из сплавов с памятью формы, температура фазового перехода которых установлена ниже ожидаемой комнатной температуры. Это позволяет оправам испытывать значительные деформации под нагрузкой, но восстанавливать свою первоначальную форму после снятия напряжения. Эти кажущиеся эластичными, очень большие деформации обусловлены мартензитным эффектом, при котором кристаллическая структура может изменять свое состояние под нагрузкой, позволяя форме временно изменяться. Это означает, что очки, изготовленные из сплавов с памятью формы, более устойчивы к случайным повреждениям.

Ортопедическая хирургия

Металл с памятью формы используется в ортопедической хирургии в качестве устройства для компрессионной фиксации при остеотомиях, как правило, при операциях на нижних конечностях. Устройство, обычно в виде большой скобы, хранится в холодильнике в податливом состоянии и имплантируется в предварительно просверленные отверстия в кости по линии остеотомии. При нагревании скоба возвращается в свою непластичную форму и сжимает костные поверхности, способствуя сращению кости.

Стоматология

С годами область применения сплавов с памятью формы расширилась, и одной из ключевых областей развития стала стоматология. Примером может служить широкое распространение зубных брекетов, использующих технологию сплавов с памятью формы для создания постоянного давления, перемещающего зубы; нитиноловая дуга была разработана в 1972 году ортодонтом Джорджем Андреасеном. Это произвело революцию в клинической ортодонтии. Сплав Андреасена обладает запрограммированной памятью формы, расширяясь и сжимаясь в определенных температурных диапазонах благодаря его геометрической обработке. Позже Хармит Д. Валия использовал этот сплав при производстве эндодонтических файлов для лечения корневых каналов.

Эсенциальный тремор

Традиционные методы активной компенсации тремора используют электрические, гидравлические или пневматические системы для приведения в движение объекта в направлении, противоположном возмущению. Однако эти системы ограничены из-за громоздкой инфраструктуры, необходимой для создания больших амплитуд мощности на частотах, характерных для тремора человека. Сплавы с памятью формы (SMA) доказали свою эффективность в качестве привода в портативных устройствах и позволили разработать новый класс устройств для активной компенсации тремора. Одним из недавних примеров такого устройства является ложка Liftware, разработанная компанией Lift Labs, дочерним предприятием Verily Life Sciences.

Двигатели

Экспериментальные тепловые двигатели на твердом топливе, использующие относительно небольшие разности температур между холодным и горячим резервуарами воды, разрабатывались с 1970-х годов, включая двигатель Бэнкса, разработанный Риджвеем Бэнксом.

Ремесла

Продается небольшими круглыми отрезками для изготовления браслетов без застежек.

Отопление и охлаждение

Немецкие ученые из Саарского университета разработали прототип устройства, которое передает тепло, используя проволоку из никель-титанового сплава ("нитинола"), обернутую вокруг вращающегося цилиндра. По мере вращения цилиндра тепло поглощается с одной стороны и выделяется с другой, поскольку проволока изменяет свое состояние из "суперэластичного" в ненагруженное. Согласно статье 2019 года, опубликованной Саарским университетом, эффективность передачи тепла, по всей видимости, выше, чем у обычного теплового насоса или кондиционера. Почти все используемые сегодня кондиционеры и тепловые насосы работают на основе парокомпрессионного цикла с использованием хладагентов. Со временем часть хладагентов, применяемых в этих системах, утекает в атмосферу и способствует глобальному потеплению. Если новая технология, не использующая хладагенты, окажется экономически выгодной и практичной, она может стать существенным прорывом в борьбе с изменением климата.