مقدمه ای بر مواد هوشمند (قسمت اول:آلیاژهای حافظه دار)

آلیاژهای حافظه دار (Shape memory alloys یا به عبارتی SMA  ) از موضوعات پیشرو در تحقیقات دهه های اخیر بوده اند ، آنها برای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی مورد استفاده قرار گرفته اند ، برای قرن ها، فلزات به عنوان مواد ساختمانی نقش مهمی ایفا کرده اند.

تکنیک های آلیاژ سازی، ذوب کردن و آهنگری از عصر برنز و آهن مورد استفاده قرار گرفته اند.

با پیشرفت در علم و فن آوری، و یک درک عمیق تر از اثرات ساختارهای میکروسکپی و تکنیک های پردازش در مورد رفتار مواد، زمینه علم مواد به طور اساسی از دهه های گذشته بهبود یافته است. توانایی مهندسی مواد مختلف و خواص آنها ، تنوع آلیاژ ها و مواد مختلف را گسترش داده است. تقاضا برای مواد سبکتر ، محکم تر با خواص سفارشی که شامل مواردی مانند حس کردن ، واکنش نشان دادن ، و محافظ موج های الکترومغناطیسی بودن شاخه جدیدی به نام مواد چندکاره را بوجود آورده است.

در مواد حسگر یک سیگنال مکانیکی به یک خروجی غیر مکانی تبدیل می شود در حالی که یک محرک یک ورودی غیر مکانیکی را به یک تغییر شکل مکانیکی تبدیل می کند.

به طور کلی مواد فعال هنگامی که در یک میدان غیر مکانیکی قرار می گیرند عکس العمل نشان می دهند. پاسخ مکانیکی این مواد به طور معمول یک یا چند مرتبه بزرگتر از پاسخ از رفتار مواد مرسوم مانند گسترش حرارتی حاصل شده است ، نمونه هایی از مواد فعال عبارتند از پیزوالکتریک و الکتروستاتیک ، پیزو مغناطیس و آلیاژهای حافظه دار.

مواد فعال می توانند به دو دسته مواد اتصال مستقیم و اتصال غیر مستقیم تقسیم شوند.

اتصال مستقیم به این معناست یک محرک مکانیکی یا غیر مکانیکی می تواند به عنوان ورودی یا خروجی باشد.

آلیاژهای حافظه دار یک کلاس ویژه از مواد حافظه دار با ویژگی برگشتن به شکل اولیه به هنگام گرم شدن هستند ، این آلیاژها حتی زیر با  گرم شدن هم به شکل اولیه خود برمی گردند. این ویژگی های منحصر به فرد از SMA ها آنها را به خاطر سنجش ، عکس العمل ، جذب ضربه و لرزه گیری محبوب ساخته شده است.

استفاده از SMA ها طیف گسترده ای از بخش های صنعتی مانند هوا فضا، خودرو، پزشکی و اکتشاف نفت را شامل می شود. در طول چند سال گذشته، گروه های پژوهشی و تحقیقاتی زیادی مکانیسم های میکرو سازمانی را مورد بررسی قرار داده اند.

تاریخچه مختصری از آلیاژهای حافظه دار:

کشف مارتنزیت(شکل بسیار سختی از ساختار کریستال فولاد) در استیل ها در سال ۱۸۹۰ میلادی به دست آدولف ماراتن گام مهمی در کشف آلیاژهای حافظه دار بود. تغییر شکل مارتنزیت شاید مهمترین زمینه مطالعاتی در سال های ۱۹۰۰ میلادی بود. تغییر شکل مارتنزیت در Fe-C به عنوان فرایندی برگشت ناپذیر شناخته شد. مفهوم تغییر شکل ترمو الاستیک مارتنزیت در سال ۱۹۴۹ میلادی بر اساس مشاهدات تجربی از حرارت ساختار مارتنزیتی برگشت پذیر در آلیاژهای CuZn و CuAl بیان شد. در سال ۱۹۳۵ پدیده تغییر شکل ترموالاستیک مارتنزیت در سایر موارد مانند آلیاژهای مانند InTl و CuZn نشان داده شد اما تا آن زمان از این ویژگی ها استفاده ای نشده بود.

پیشرفت برای استفاده های کاربردی مهندسی با کشف NiTi شروع شد. چند سال بعد که این ماده علاوه بر خواص مکانیکی خوبش توانایی بازیابی شکل را داشت. اصطلاح اثر تغییر ، به رفتار بازیابی شکل داده شد ، اثرات رفتارهای گرمایی، ترکیب و ریزساختاربه طور گسترده مورد بررسی قرار گرفت و در طی این دوره شروع به درک نمود در سال ۱۹۶۵، مطالعات نشان داد که اضافه کردن یک عنصر آلیاژ سوم مانند Co یا Fe به سیستم NiTi موجود باعث کاهش قابل ملاحظه ای در تغییرات دما می شود. آلیاژهای جدید الهام بخش اولین ماده تجاری به نام Cryofit شناخته می شوند، که از مواد SMA برای اتصال لوله در هواپیمای جنگنده F-14 استفاده می شد. دمای تغییرات برای Cryofit خیلی کم بود، برای جلوگیری از وقوع خرلبی قبل از مونتاژ کوپلینگ های لوله در نیتروژن مایع حمل می شد.