Aliaje cu Memoria Formei

Actuatori pe bază de aliaj cu memoria formei

Actuatorii realizaţi pe bază de aliaje cu memoria formei - AAMF, au în structură unul sau mai multe elemente active, cu deformaţie limitată, controlată, determinată de manifestarea efectului de memorare a formei. Prima dată s-a evidenţiat la un aliaj Au-Cd, propunându-se folosirea acestuia la realizarea unor actuatori. Cercetând structura cristalină a acestui aliaj cu ajutorul razelor X în scopul evidenţierii modificărilor structurale ce însoţesc efectul de memorare a formei sa prezentat în premieră un mecanism în care un element din acest aliaj efectuează un lucru mecanic.

În anii următori a fost descoperit un nou aliaj cu memorie, aliajul In-Ti ce înlătură dezavantajele date de preţul ridicat al aurului şi toxicitatea cadmiului. Continuându-se în continuare cercetările au dus la descoperirea aliajului Ni-Ti, denumit Nitinol. Acest aliaj are proprietăţi remarcabile legate de efectul de memorare a formei, fiabilitate, preţ, compatibilitate cu ţesuturile vii.

În prezent, în lume există câteva sute de institute de cercetare şi companii, care au ca obiect de activitate aliajele cu memoria formei. De exemplu: - Universităţile Berkeley, Harvard, Stanford, Osaka, Tokyo şi firme ca AMT-Swissmetal, Goodyear Aerospace, Asahi, Mondotronics, Matsushita, etc.

Memoria formei reprezintă proprietatea termomecanică a unor anumite materiale, în special a anumitor aliaje, de a reveni la o formă şi dimensiuni “memorate”, ca urmare a unei transformări reversibile martensită - austenită, în anumite condiţii de temperatură. De exemplu la oţeluri, transformarea martensitică nu este reversibilă. La cele mai multe aliaje, de exemplu la oţeluri, transformarea martensitică nu este reversibilă. La încălzire intervine transformarea martensitei metastabilă în alte structuri cu stabilitate mai mare. De asemenea când acestea sunt supuse la solicitări mecanice superioare limitei lor de elasticitate, suferă o deformare plastica care persistă după înlăturarea solicitării sau după aplicarea unui tratament termic ulterior. Spre deosebire , un element din aliaj cu memoria formei poate fi deformat fără pericolul apariţiei unor deformaţii permanente, la o temperatură aflată sub temperatura de transformare de fază. El rămâne astfel nedeformat atât timp cât se menţine temperatura respectivă. Odată cu încălzirea controlată la o temperatură ce depăşeşte temperatura de transformare fazică, elementul îşi revine spontan la forma originală, nedeformată.

Transformarea martensitică, în general, este o transformare fără difuzie la care atomii sunt rearanjaţi într-o structură cristalină nouă, mai stabilă, prin deplasări pe distanţe scurte, fără modificarea chimică a matricii. Martensita se formează prin răcire din faza precursoare, numită generic austenită. Procentul de martensită din volumul de material creşte, la o scădere continuă a temperaturii. Într-un anumit interval de temperatură, martensita şi austenita precursoare co-există.

Din punct de vedere cristalografic, se poate considera că transformarea din austenită în martensită, este constituită în două etape:

a) deformarea reţelei cristaline, constă în mişcări ale tuturor atomilor pe distanţe foarte mici a căror rezultat este noua structură martensitică (fig. 1). În figura a este reprezentată o structură cubică specifică austenitei, în figura b şi c trecerea către structura romboidală specifică fazei martensitice din figura d.

b) forfecarea reţelei, este o etapă de acomodare, ce poate fi realizată prin cele două mecanisme reprezentate în figura 2; alunecare sau maclare.

Alunecarea din figura 2a este un proces permanent. Maclarea din figura 2b asigură o acomodare într-o manieră reversibilă, jucând un rol hotărâtor în manifestarea fenomenului de memorie a formei.

Clasificarea şi caracteristicile actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei

În funcţie de modul în care este realizată încălzirea elementelor active din structura AAMF, aceştia se împart în:

a) actuatori termici, a căror încălzire este determinată de temperatura mediului înconjurător

b) actuatori electrici, la care încălzirea se realizează prin efect Joule, la trecerea unui curent prin elementele active.

Principalele avantaje ale actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria

formei sunt:

- simplitate constructivă, ceea ce determină număr redus de

componente în mişcare, construcţie compactă, greutate redusă, posibilitatea integrării şi a miniaturizării;

- performanţe funcţionale raportate la gabarit deosebite

- nu este necesară lubrifierea

- silenţiozitate în funcţionare

- rezistenţă mecanică şi la coroziune a elementelor active

- temperaturi de activare care pot fi alese convenabil

- operare fără poluare

- rezoluţie foarte bună la poziţionare

- număr mare de cicluri în funcţionare ( peste 106 )

- tensiuni mici de acţionare ( la încălzire prin efect Joule )

- tehnologie de execuţie bine pusă la punct.

Principalele dezavantaje ale actuatorilor pe bază de aliaje cu memoria formei sunt:

- randament relativ scăzut

- frecvenţă redusă a ciclurilor de încălzire-răcire

- influenţa mediului înconjurător

- curenţi de activare relativ mari

- necesitatea utilizării unor materiale termorezistente şi / sau termoizolatoare

- complexitatea schemelor pentru control precis.

Caracteristici funcţionale Actuatori pe bază de aliaje cu memorie Muşchi

naturali

1 Efort unitar maxim [ kN / m2 ] 100000 350

2 Raport maxim putere / greutate [W / kg] > 3000 < 500

3 Cursa tipică [ % ] 5 ( max. 8 ) 20

4 Randament [ % ] 3 – 5 ( max. 10 ) > 35

Tabelul 1.

Printr-o proiectare eficientă, randamentul cu care are loc conversia energiei termice sau electrice în energie mecanică poate ajunge până la 10 % uzual are valori de 3-5 %, dar poate coborî sub 1 %. Domeniile de aplicabilitate cele mai reprezentative sunt: dispozitive şi echipamente de protecţie, instalaţii pentru aer condiţionat, industria auto şi aero-spaţială, aparatură biomedicală, mini şi micro-robotică, micro-electronică, biotehnologie, aparatură electrocasnică.

Sistemul de comandă şi control

Prima funcţie a sistemului de comandă şi control constă în dirijarea fluxului de energie de la sistemul de alimentare către sistemele din aliaje de memoria formei, reglând când şi cum acţionează acestea. Există trei tipuri de circuite de comandă şi control, care sunt prezentate în fig. 3:

1. circuit pentru control manual

2. circuit de control în buclă deschisă cu activare / dezactivare controlate automat

3. circuite de control în buclă închisă.