형상기억합금

Shape-memory alloy

형상기억합금(, SMA)은 열을 가하면 원래의 형상으로 되돌아오는 합금입니다.그것은 또한 기억 금속, 기억 합금, 스마트 금속, 스마트 합금, 그리고 근육 [citation needed]와이어와 같은 다른 이름으로도 알려져 있습니다."기억된 기하학"은 원하는 기하학을 고정하고 열처리를 함으로써 수정될 수 있습니다. 예를 들어, 코일 스프링의 모양을 기억하도록 와이어를 가르칠 수 있습니다.

형상-메모리 합금으로 제조된 부품은 유압, 공압 및 모터 기반 시스템과 같은 기존 액추에이터에 대한 경량, 고체 상태 대안이 될 수 있습니다.또한 금속 배관의 기밀 조인트를 만드는 데 사용할 수 있으며, 온수와 냉수 유량비를 조절하여 물 온도를 조절하는 센서-액추에이터 폐쇄 루프를 대체할 수도 있습니다.

개요

가장 일반적인 형상 기억 합금은 구리-알루미늄-니켈 및 니켈-티타늄(NiTi)이지만, SMA는 아연, 구리, 금 및 철을 합금화하여 제조할 수도 있습니다.Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al 및 Cu-Al-Ni와 같은 철 기반 및 구리 기반 SMA는 상업적으로 이용 가능하고 NiTi보다 저렴하지만, NiTi 기반 SMA는 안정성과[1][2][3] 실용성뿐만 아니라 우수한 열역학적 [4]성능으로 인해 대부분의 응용 분야에 바람직합니다.SMA는 세 가지 다른 결정 구조(즉, 쌍성 마르텐사이트, 쌍성 마르텐사이트, 오스테나이트)와 여섯 가지 가능한 [5][6]변형으로 두 가지 다른 단계로 존재할 수 있습니다.SMAs의 열역학적 거동은 오스테나이트와 마르텐사이트 사이의 위상 변환에 의해 제어됩니다.

NiTi 합금은 냉각 시 M 미만의s 온도에서 시작하여 오스테나이트에서 마르텐사이트로 바뀝니다. M은f 냉각 시 마르텐사이트로의 전환이 완료되는 온도입니다.따라서 가열s A와f A는 마르텐사이트에서 오스테나이트로의 변환이 시작되고 끝나는 온도입니다.

마르텐사이트에 기계적 하중을 가하면 결정의 방향이 다시 잡히거나 기계적 하중을 해제한 후에 회복되지 않는 변형(기억되지 않는 변형)이 발생합니다.디트위닝은 특정 응력 σ에서 시작하여 σ에서 끝나며, 마르텐사이트는 (하중이 항복 응력 아래인 한) 탄성 거동만 계속 보여줍니다.디트위닝에서 기억된 변형은 오스테나이트로 가열한 후 회복됩니다.

오스테나이트에서 마르텐사이트로의 상변화는 일정한 온도에서 일정 수준 이상의 기계적 부하를 가함으로써 발생할 수도 있습니다.부하가 해제되면 변환이 반대로 전환됩니다.

마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로의 전이는 확산이 수반되지 않기 때문에 대부분의 상 변화가 그렇듯이 시간이 아닌 온도와 응력에만 의존합니다.마찬가지로 오스테나이트 구조는 비슷한 구조의 강철 합금에서 이름을 따왔습니다.이 두 상 사이의 가역적 확산 없는 전이는 특수한 특성을 초래합니다.마르텐사이트는 탄소-강철을 급속 냉각함으로써 오스테나이트로부터 형성될 수 있지만, 이 공정은 가역적이지 않으므로 강철은 형상 기억 특성을 갖지 못합니다.

이 그림에서 세로축은 마르텐사이트 분율을 나타냅니다.가열 전이와 냉각 전이 사이의 차이는 프로세스에서 일부 기계적 에너지가 손실되는 히스테리시스를 발생시킵니다.곡선의 모양은 형상 기억 합금의 재료 특성에 따라 달라지는데, 예를 들어 합금의 조성과[7] 작업 [8]경화도가 다릅니다.

형상기억효과

이 애니메이션은 전체 형상 메모리 효과를 보여 줍니다.
  1. 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 냉각은 SMA의 수명이 시작될 때 또는 열 순환이 끝날 때 발생합니다.
  2. 마르텐사이트를 조이기 위해 응력을 가하는 것.
  3. 마르텐사이트를 가열하여 오스테나이트를 개질하여 원래의 모양을 복원합니다.
  4. 오스테나이트를 쌍둥이 마르텐사이트로 다시 냉각합니다.

형상기억효과(SME)[9]는 이전 히스테리시스 곡선과 같이 온도에 의한 위상 변환이 변형을 반전시키기 때문에 발생합니다.일반적으로 마르텐사이트 상은 단사정계 또는 오르토홈계(B19' 또는 B19)입니다.이러한 결정 구조에는 위치 이동을 용이하게 하기 위한 슬립 시스템이 충분하지 않기 때문에 트윈닝(twinning) 또는 디트윈([10]detwinning)에 의해 변형됩니다.

마르텐사이트는 낮은 온도에서 열역학적으로 선호되고 오스테나이트(B2 큐빅)는 높은 온도에서 열역학적으로 선호됩니다.이들 구조는 격자 크기와 대칭성이 다르기 때문에 오스테나이트를 마르텐사이트로 냉각하면 마르텐사이트 상에서 내부 변형률 에너지가 발생합니다.이 에너지를 줄이기 위해 마르텐사이트 단계는 많은 쌍둥이를 형성합니다. 이것은 "자기 수용 쌍둥이"라고 불리며 기하학적으로 필요한 위치의 쌍둥이 버전입니다.형상기억합금은 더 높은 온도에서 제조될 것이며, 형상기억 효과를 활용하기 위해 작동 온도에서 마르텐사이트 상이 우세하도록 보통 엔지니어링되기 때문에, SMA는 높은 [11]쌍을 이루게 됩니다.

마르텐사이트에 짐이 실리면, 이들 자가 수용 쌍둥이는 변형을 위한 쉬운 경로를 제공합니다.가해진 응력은 마르텐사이트를 구속시키지만, 모든 원자들은 근처의 원자들에 대해 같은 위치에 유지됩니다. 어떤 원자 결합도 파괴되거나 변형되지 않습니다(위치 이동에 의한 것처럼).따라서 온도가 상승하고 오스테나이트가 열역학적으로 선호되면 모든 원자가 B2 구조로 재배열하게 되는데, 이는 B19의 변형 전 [12]형태와 같은 거시적 형태입니다.이러한 위상 변환은 매우 빠르게 일어나 SMA에 고유한 "스냅"을 제공합니다.

형상 기억 효과를 반복적으로 사용하면 특성 변환 온도가 이동할 수 있습니다(이 효과는 [13]재료의 미세 구조 및 기능적 특성 변화와 밀접한 관련이 있으므로 기능 피로로 알려져 있습니다).SMA가 더 이상 응력을 유도할 수 없는 최대 온도를 M이라고 하며d, SMA가 영구적으로 [14]변형됩니다.

단방향 대 양방향 형상 메모리

형상 기억 합금은 형상 기억 효과가 다릅니다.단방향 SMA와 양방향 SMA의 두 가지 공통 효과가 있습니다. 효과에 대한 개요는 아래에 나와 있습니다.마르텐사이트에서 출발하여 변형을 가하고 샘플을 가열한 후 다시 냉각하는 과정은 매우 비슷합니다.

단방향 메모리 효과

형상 기억 합금이 차가운 상태(M 이하)일f 때, 금속은 휘거나 늘어날 수 있으며, 전이 온도 이상으로 가열될 때까지 이러한 형상을 유지합니다.가열하면 모양이 원래대로 바뀝니다.금속이 다시 냉각되면 다시 변형될 때까지 형상을 유지합니다.

단방향 효과로 고온에서 냉각해도 거시적인 형태 변화는 일어나지 않습니다.저온 형상을 만들기 위해서는 변형이 필요합니다.가열 시 변환은 A에서s 시작하여 A에서f 완료됩니다(일반적으로 합금 또는 부하 조건에 따라 2 ~ 20 °C 이상).A는 합금의 종류와 조성에 따라 결정되며 -150°C와 200°C 사이에서 달라질 수 있습니다s.

이원효과

양방향 형상 기억 효과는 재료가 두 가지 다른 형상을 기억하는 효과입니다. 하나는 저온에서, 하나는 고온에서.가열과 냉각 모두에서 형상 기억 효과를 나타내는 물질은 양방향 형상 기억력을 갖는다고 합니다.이는 외력(내재 양방향 효과)을 적용하지 않고도 얻을 수 있습니다.이런 상황에서 소재가 이렇게 다르게 행동하는 이유는 훈련에 있습니다.훈련은 형상 기억이 특정한 방식으로 행동하는 것을 "학습"할 수 있다는 것을 의미합니다.정상적인 상황에서는 형상기억합금이 저온 형상을 "기억"하지만 고온 형상을 회복하기 위해 가열하면 저온 형상을 즉시 "잊어버립니다.그러나 고온 단계에서 변형된 저온 상태를 몇 가지 상기시키기 위해 "기억"하도록 "훈련"할 수 있습니다.SMA를 훈련하는 한 가지 방법은 일정한 응력장 아래에서 순환 열부하를 가하는 것입니다.이 과정에서 내부 결함이 미세 구조에 도입되어 마르텐사이트 [15]결정의 배향을 용이하게 하는 내부 영구 응력이 발생합니다.따라서 훈련된 SMA를 오스테나이트 상에서 무가력 응력으로 냉각하는 동안 내부 응력으로 인해 마르텐사이트가 디트위닝되어 재료 형상 변화로 이어집니다.그리고 SMA를 오스테나이트로 다시 가열하면서 초기 형태를 회복합니다.

이렇게 [16]하는 방법에는 여러 가지가 있습니다.특정 지점 이상으로 가열된 모양의 훈련된 물체는 양방향 메모리 효과를 잃게 됩니다.

유사탄성

SMA는 때때로 초탄성이라고 불리는 현상을 나타내지만, 의사탄성이라고 더 정확하게 설명됩니다."초탄성"은 원자들 사이의 원자 결합이 소성 변형을 일으키지 않고 극도의 길이로 늘어나는 것을 의미합니다.의사 탄력성은 영구 변형이 거의 없거나 전혀 없는 대규모의 회복 가능한 변형을 달성하지만, 더 복잡한 메커니즘에 의존합니다.

유사탄성 애니메이션

SMA는 최소 3가지 종류의 유사 탄력성을 나타냅니다.연구가 덜 된 의사 탄력성의 두 종류는 의사-쌍둥이 형성과 근거리 [17]순서로 인한 고무와 같은 행동입니다.

마르텐사이트 응력(A) 이상의 응력에서 오스테나이트는 마르텐사이트로 변형되어 오스테나이트가 남지 않을 때까지 큰 거시적 변형을 유도합니다(C).하역 시 마르텐사이트는 오스테나이트 응력(D) 아래에서 오스테나이트 상으로 되돌아가게 되며, 이때 재료가 완전히 오스테나이트가 되고 변형이 [18]거의 남지 않을 때까지 변형이 복구됩니다.

주요 유사탄성 효과는 스트레스로 인한 위상 변환에서 비롯됩니다.오른쪽 그림은 이 과정이 어떻게 일어나는지 보여줍니다.

여기서 하중은 오스테나이트 마감 온도인f A보다 높지만 마르텐사이트 변형 온도인d M보다 낮은 SMA에 등온적으로 작용합니다.위 그림은 유사탄성 응력 유도 위상 변환을 형상 기억 효과 온도 유도 위상 변환과 연관시킴으로써 이것이 어떻게 가능한지를 보여줍니다.A의 특정f, 점에 대해서는 해당d 점 M이 스트레스를 더 많이 받는 한 온도가 더 높은 점을s 선택할 수 있습니다.이 재료는 처음에는 금속에 대해 전형적인 탄성 플라스틱 거동을 보입니다.그러나 일단 물질이 마르텐사이트 응력에 도달하면 오스테나이트는 마르텐사이트로 변형되어 디트윈하게 됩니다.앞에서 설명한 바와 같이 마르텐사이트에서 오스테나이트로 다시 변환할 때 이 디트윈은 가역적입니다.큰 응력이 가해지면 결정 및 마르텐사이트의 미끄러짐과 같은 소성 거동이 결정립계 또는 [19][20]포함 부위에서 시작됩니다.소성 변형이 발생하기 전에 재료를 언로딩하면 오스테나이트에 대한 임계 응력에 도달하면 오스테나이트로 되돌아갑니다(σ).이 물질은 구조적 변화로부터 유도된 거의 모든 변형률을 회복할 것이며, 일부 SMA의 경우 10%[21][22] 이상의 변형률이 될 수 있습니다.이 히스테리시스 루프는 많은 응용 분야에서 중요한 작은 변형과 큰 변형의 상태 사이에서 재료의 각 주기에 대해 수행된 작업을 보여줍니다.

형상기억합금 내 마르텐사이트 및 오스테나이트 라인의 응력-온도 그래프

변형률 대 온도 그림에서 오스테나이트와 마르텐사이트 시작선과 결승선은 평행하게 달립니다.중소기업과 의사탄력성은 사실 왼쪽에 나와 있는 것처럼 같은 현상의 다른 부분입니다.

큰 변형률 변형의 핵심은 두 상 사이의 결정 구조의 차이입니다.오스테나이트는 일반적으로 입방정계 구조를 가지고 있는 반면 마르텐사이트는 단사정계 또는 모상과는 다른 다른 다른 구조, 전형적으로 더 낮은 대칭을 가질 수 있습니다.니티놀과 같은 단사정계 마르텐사이트 물질의 경우, 단사정계 상은 가해진 응력 하에서 특정 결정학적 배향이 다른 배향에 비해 더 높은 균주를 수용할 것이기 때문에 중요한 낮은 대칭성을 갖습니다.따라서 재료는 가해진 [23]응력이 증가하기 전에 전체적인 변형률을 최대화하는 방향을 형성하는 경향이 있습니다.이 과정에서 도움이 되는 하나의 메커니즘은 마르텐사이트 단계의 쌍대화입니다.결정학에서 쌍둥이 경계(twin boundary)는 격자의 원자 평면의 적층이 경계의 평면을 가로질러 거울에 비친 2차원 결함입니다.이러한 변형 과정은 응력과 온도에 따라 슬립과 같은 영구 변형과 경쟁하게 됩니다.

γ는ms 온도와 상핵생성을 위한 핵생성 부위의 수와 같은 매개변수에 의존한다는 것에 유의해야 합니다.인터페이스와 포함은 변환을 시작하기 위한 일반적인 장소를 제공할 것이고, 이러한 장소들이 수적으로 많다면 핵 [24]생성을 위한 추진력을 증가시킬 것입니다.균질한 핵생성을 위해서보다 작은 π가ms 필요할 것입니다.마찬가지로, 온도가 증가하면 위상 변환의 추진력이 감소하므로, λ가ms 더 커져야 합니다.SMA의 작동 온도를 높이면 θ가 항복 강도보다 커지며 θmsy, 초탄성도 더 이상 관측할 수 없음을 알 수 있습니다.

역사

형상 기억 효과의 발견을 위한 최초의 보고된 단계는 1930년대에 이루어졌습니다.오츠카와 웨이먼에 따르면, 1932년 아르네 외란더는 Au-Cd 합금의 유사탄성 거동을 발견했습니다.Greninger와 Mooradian(1938)은 Cu-Zn 합금의 온도를 감소시키고 증가시킴으로써 마르텐사이트 상의 형성과 소멸을 관찰하였습니다.마르텐사이트 단계의 열탄성 거동에 의해 조절되는 기억 효과의 기본 현상은 10년 후 Kurdjumov and Khandros(1949)와 Chang and Read(1951)[13]에 의해 널리 보고되었습니다.

니켈-티타늄 합금은 1962-1963년 미국 해군 군수품 연구소에서 처음 개발되었으며 Nitinol(니켈 티타늄 해군 군수품 연구소의 약자)이라는 상표명으로 상용화되었습니다.그들의 놀라운 특성은 우연히 발견되었습니다.여러 번 모양이 변형된 샘플이 실험실 관리 회의에서 발표되었습니다.기술 부책임자 중 한 명인 David S. Muzzey 박사는 만약 샘플이 열을 받으면 어떤 일이 일어날지 보기로 결정하고 그 아래에서 파이프 라이터를 들고 있습니다.놀랍게도 그 견본은 원래의 [25][26]모양으로 다시 늘어났습니다.

강자성 형상 기억 합금(FSMA)이라고 불리는 또 다른 유형의 SMA가 있는데, 강한 자기장 아래에서 모양이 바뀝니다.이러한 물질은 온도 유도 반응보다 자기 반응이 더 빠르고 효율적인 경향이 있기 때문에 특히 관심이 있습니다.

금속 합금만이 열반응성 물질이 아닙니다. 형상기억 고분자 또한 개발되어 1990년대 후반에 상업적으로 이용 가능해졌습니다.

결정구조

많은 금속들이 동일한 조성에서 여러 가지 다른 결정 구조를 가지고 있지만 대부분의 금속들은 이러한 형상 기억 효과를 보여주지 못합니다.형상기억합금이 가열 후 원래의 형상으로 되돌아갈 수 있게 해주는 특별한 특성은 결정 변형이 완전히 가역적이라는 것입니다.대부분의 결정 변환에서 구조의 원자들은 확산에 의해 금속을 통해 이동하며, 금속 전체가 동일한 원자로 구성되어 있더라도 국부적으로 조성을 변경합니다.가역적 변환은 이러한 원자의 확산을 수반하지 않으며, 대신에 모든 원자들이 동시에 이동하여 새로운 구조를 형성하는데, 이는 대부분 평행사변형을 두 개의 반대쪽 면을 밀어서 정사각형으로 만들 수 있는 방법입니다.다른 온도에서 다른 구조가 선호되며 전이 온도를 통해 구조가 냉각되면 오스테나이트 상에서 마르텐사이트 구조가 형성됩니다.

제조하다

형상-메모리 합금은 일반적으로 진공 아크 용융 또는 유도 용융을 사용하여 주조에 의해 제조됩니다.이러한 기술은 합금 내 불순물을 최소화하고 금속이 잘 혼합되도록 하는 데 사용되는 전문 기술입니다.그리고 나서 잉곳을 더 긴 부분으로 가열한 다음 끌어당겨 철사로 바꿉니다.

합금이 "훈련"되는 방식은 원하는 특성에 따라 달라집니다."훈련"은 합금이 가열될 때 기억할 모양을 지시합니다.이는 전위가 안정적인 위치로 정렬되도록 합금을 가열하는 것이지만 재료가 재결정될 정도로 뜨겁지는 않습니다.이들은 400~500°C 사이에서 30분간 가열되고, 뜨거운 상태에서 모양을 갖춘 다음, 물에서 퀀칭하거나 공기와 함께 냉각함으로써 빠르게 냉각됩니다.

특성.

구리계와 NiTi계 형상기억합금은 공학적 소재로 여겨집니다.이러한 조성물은 거의 모든 형태와 크기로 제조될 수 있습니다.

형상기억합금의 항복강도는 기존의 강철보다 낮지만, 일부 조성물은 플라스틱이나 알루미늄보다 항복강도가 더 높습니다.NiTi의 항복응력은 500 MPa에 이를 수 있습니다.금속 자체의 높은 비용과 처리 요구 사항으로 인해 SMA를 설계에 구현하는 것이 어렵고 비용이 많이 듭니다.결과적으로, 이러한 재료는 초탄성 특성 또는 형상 기억 효과를 이용할 수 있는 응용 분야에 사용됩니다.가장 일반적인 애플리케이션은 작동 중입니다.

형상 기억 합금을 사용할 때의 장점 중 하나는 유도할 수 있는 높은 수준의 회수 가능한 플라스틱 변형률입니다.이러한 재료가 영구적 손상 없이 유지할 수 있는 최대 회수 가능 변형률은 일부 합금의 경우 최대 8%입니다.이는 기존 강철의 최대 변형률 0.5%와 비교됩니다.

현실적 한계

SMA는 기존 액추에이터에 비해 많은 장점을 가지고 있지만 실제 적용을 방해할 수 있는 일련의 제한으로 어려움을 겪고 있습니다.많은 연구에서, 부적절한 설계 방법 및 사용된 [27]기술과 같은 재료 및 설계 지식 및 관련 도구의 부족과 결합된 재료 제한으로 인해 특허 받은 형상기억합금 적용 중 일부만이 상업적으로 성공적이라고 강조했습니다.SMA 응용 프로그램을 설계할 때의 과제는 사용 가능한 변형률이 상대적으로 작고, 작동 빈도가 낮고, 제어 가능성이 낮으며, 정확도가 낮고, 에너지 [28]효율이 낮은 한계를 극복하는 것입니다.

반응시간 및 반응대칭

SMA 액추에이터는 일반적으로 전기적으로 작동되며, 전류가 발생하면 줄 가열이 발생합니다.비활성화는 일반적으로 주변 환경으로의 자유 대류 열 전달에 의해 발생합니다.따라서, SMA 작동은 일반적으로 비대칭이며, 상대적으로 빠른 작동 시간과 느린 비활성 시간을 갖습니다.열전달 속도를 조절하기 위해 SMA 비활성화 시간을 줄이기 위해 강제 [29]대류와 전도성 물질로 SMA를 래깅하는 것을 포함하는 많은 방법들이 제안되었습니다.

SMA 액추에이터의 실현 가능성을 향상시키기 위한 새로운 방법에는 전도성 "래깅(lagging)"을 사용하는 것이 포함됩니다.이 방법은 열 페이스트를 사용하여 전도에 의해 SMA로부터 신속하게 열을 전달합니다.그러면 외부 반경(및 열전달 영역)이 맨 와이어보다 훨씬 크기 때문에 이 열은 대류에 의해 환경으로 더 쉽게 전달됩니다.이 방법은 비활성화 시간과 대칭 활성화 프로파일을 크게 감소시킵니다.열 전달 속도가 증가함에 따라, 주어진 작동력을 달성하기 위해 필요한 전류가 [30]증가합니다.

베어 및 래깅된 Ni-Ti 형상 기억 [31]합금의 힘-시간 응답 비교

구조피로 및 기능피로

SMA는 구조적 피로에 노출될 수 있는데, 이는 반복적인 하중이 균열의 시작과 전파를 초래하여 균열의 파괴에 의한 기능 상실을 초래하는 고장 모드입니다.이러한 피로 모드의 이면에 있는 물리학은 주기적인 하중 동안의 미세 구조 손상의 축적입니다.이러한 고장 모드는 SMA뿐만 아니라 대부분의 엔지니어링 재료에서 관찰됩니다.

또한 SMA는 대부분의 엔지니어링 재료에서 일반적으로 볼 수 없는 고장 모드인 기능 피로가 발생하기 때문에 SMA가 구조적으로 고장나지는 않지만 시간이 지남에 따라 형상 기억/초탄성 특성을 상실하게 됩니다.순환 부하(기계적 부하와 열적 부하)의 결과로, 물질은 가역적 상 변환을 겪는 능력을 상실합니다.예를 들어, 액추에이터의 작동 변위는 사이클 수가 증가함에 따라 감소합니다.이에 대한 물리학적 배경에는 미세 구조의 점진적인 변화, 더 구체적으로는 수용 슬립 전위의 축적이 있습니다.이로 인해 변환 [32]온도가 크게 변화하는 경우가 많습니다.SMA 액추에이터의 설계는 SMA-Pulley [33]시스템의 풀리 구성과 같이 SMA의 구조적 및 기능적 피로에도 영향을 미칠 수 있습니다.

의도하지 않은 작동

SMA 액추에이터는 일반적으로 줄 가열에 의해 전기적으로 작동됩니다.주변 온도가 제어되지 않는 환경에서 SMA를 사용하는 경우 주변 가열에 의한 의도치 않은 작동이 발생할 수 있습니다.

적용들

산업의

항공기와 우주선

보잉, General Electric Aircraft Engines, Goodrich Corporation, NASA, Texas A&M University 및 All Nippon Airway는 NiTi SMA를 사용하여 가변 형상 쉐브론을 개발했습니다. 이러한 가변 영역 팬 노즐(VAFN) 설계는 미래에 더 조용하고 효율적인 제트 엔진을 가능하게 할 것입니다.2005년과 2006년에 보잉사는 [34]이 기술의 성공적인 비행 테스트를 실시했습니다.

SMA는 발사차량과 상용 제트엔진의 진동댐퍼로 개발되고 있습니다.초탄성 효과 동안 관찰되는 다량의 히스테리시스는 SMA가 에너지를 분산시키고 진동을 약화시킬 수 있게 합니다.이러한 소재는 상용 제트 엔진의 팬 블레이드 뿐만 아니라 발사 시 탑재체의 높은 진동 부하를 줄여 경량화 및 효율적인 [35]설계를 가능하게 합니다.SMA는 볼 베어링 및 랜딩 [36]기어와 같은 다른 고충격 용도에도 적용될 가능성이 있습니다.

또한, SMA를 상용 제트 엔진에서 다양한 액추에이터 용도로 사용하는 것에 대한 관심이 높으며, 이는 SMA의 중량을 크게 감소시키고 [37]효율을 향상시킬 것입니다.그러나 이러한 재료들이 성공적으로 구현되기 전에 변환 온도를 높이고 기계적 특성을 개선하기 위해 이 분야에서 추가적인 연구가 수행될 필요가 있습니다.Ma 등은 고온 형상 기억 합금(HTSMA)의 최근 발전에 대한 검토를 제시합니다.[21]

다양한 윙-모핑 기술도 [35]연구되고 있습니다.

오토모티브

첫 번째 대용량 제품(> 5Mio 액추에이터/년)은 허리 지지대/볼트의 윤곽을 조정하는 카시트의 저압 공압 블래더를 제어하는 데 사용되는 자동차용 밸브입니다.기존의 표준 기술을 SMA로 대체하기로 한 결정은 이 응용 분야에서 기존에 사용하던 솔레노이드에 비해 SMA의 전반적인 이점(낮은 소음/EMC/중량/폼 팩터/전력 소비량)이 결정적인 요인이었습니다.

2014년형 쉐보레 콜벳은 SMA 액츄에이터를 장착한 최초의 차량이 되었는데, 이는 더 무거운 모터 구동 액츄에이터를 교체하여 트렁크에서 공기를 내보내는 해치 벤트를 개폐하여 더 쉽게 닫힐 수 있게 했습니다.배기열로 전기를 생산하는 전기 발전기와 다양한 속도로 공기 역학을 최적화하는 주문형 에어 댐 등 다양한 응용 분야도 대상이 되고 있습니다.

로보틱스

또한 로봇 공학에서 이러한 재료를 사용하는 것에 대한 연구도 제한적이었는데, 예를 들어 취미 생활을 하는 로봇 스티키토(그리고 "로보타프라우 라라")[38]가 매우 가벼운 로봇을 만드는 것을 가능하게 합니다.최근, Loh 등은 인간 손의 동작을 거의 복제할 수 있는 의수를 소개하였습니다 [Loh2005].다른 생체 모방 응용도 연구되고 있습니다.이 기술의 약점은 에너지 비효율성, 느린 응답 시간, 큰 히스테리시스 등입니다.

밸브

SMA는 [39]밸브를 작동시키는 데에도 사용됩니다.SMA 밸브는 특히 설계가 콤팩트합니다.

생체공학 로봇 손

SME(형상 기억 효과)를 사용하여 [40]손가락을 움직이는 로봇 손의 SMA 기반 프로토타입이 있습니다.

토목구조물

SMA는 다리나 건물과 같은 토목 구조물에서 다양한 응용을 발견합니다.철근 또는 판재의 형태로 콘크리트 및 철골 구조물의 휨, 전단 및 내진 보강에 사용될 수 있습니다.또 다른 응용 분야는 IRC(Intelligent Reinforced Concrete)로, 콘크리트 내에 내장된 SMA 와이어를 통합합니다.이 전선들은 균열을 감지하고 수축하여 미세한 크기의 균열을 치료할 수 있습니다.또한 SMA 와이어를 이용하여 진동을 감쇠시키는 구조적 고유진동수의 능동적인 튜닝이 가능하며,[41] 콘크리트에서 SMA 섬유의 사용도 가능합니다.

배관

최초의 소비자 상업적 용도는 산업적 용도, 수도관 및 소비자/상업적 용도의 유사한 유형의 배관을 위한 배관(예: 오일 파이프 라인)을 위한 형상-메모리 커플링이었습니다.

가전제품

스마트폰 카메라

몇몇 스마트폰 회사들은 캠브리지 메카트로닉스의 라이선스를 받아 제조된 SMA 액추에이터가 포함된 광학식 이미지 안정화(OIS) 모듈이 장착된 핸드셋을 출시했습니다.

약

형상-기억 합금은, 예를 들어 정형외과 수술에서 골형성술을 위한 고정 장치로서, 수술 도구에서의 작동기로서, 의학에 적용되고; 일정한 치아-영화를 발휘하기 위해 치과용 교정기에서, 조직검사 및 근접 [42]치료와 같은 수술 절차에서의 최소 침습적 경피적 암 개입을 위한 능동형 수술용 바늘치아에 ng의 힘이 가해집니다. 캡슐 내시경 검사에서 그것들은 생체검사 작용을 위한 방아쇠로 사용될 수 있습니다.

1980년대 후반, 니티놀의 상업적 도입은 다수의 최소 침습 혈관 내 의료 적용에서 가능한 기술로 간주되었습니다.BTR(Body Temperature Response)로 제조된 Nitinol 합금의 자체 팽창 특성은 스테인리스 스틸보다 비용이 많이 들지만, 체온에 노출될 때 특정 혈관의 모양에 적응할 수 있는 능력을 제공하는 스텐트 이식술에서 풍선 확장 장치에 매력적인 대안을 제공했습니다.현재 전 세계 시장에서 판매되고 있는 모든 말초혈관 스텐트의 평균 50%가 니티놀로 제조되고 있습니다.

검안법

티타늄 함유 SMA로 제작된 안경테는 Flexon과 TITANflex라는 상표로 판매되고 있습니다.이러한 프레임은 일반적으로 전이 온도가 예상 실내 온도보다 낮게 설정된 형상 기억 합금으로 만들어집니다.이렇게 하면 응력을 받아 프레임이 크게 변형되지만 금속이 다시 언로딩되면 원래의 모양을 되찾을 수 있습니다.겉보기에 탄성 변형률이 매우 큰 것은 하중 하에서 결정 구조가 변형되어 하중 하에서 일시적으로 모양이 변할 수 있는 스트레스로 인한 마르텐사이트 효과 때문입니다.이것은 형상 기억 합금으로 만들어진 안경이 실수로 손상되는 것에 더 강하다는 것을 의미합니다.

정형외과

정형외과에서, 메모리 메탈은 골형성술, 일반적으로 하지 시술을 위한 고정-압축 장치로서 사용되어 왔습니다.보통 큰 스테이플 형태인 이 장치는 가단성 형태로 냉장고에 보관되며 골절개술을 가로질러 뼈에 미리 뚫린 구멍에 이식됩니다.스테이플이 따뜻해지면 변형 불가능한 상태로 되돌아가고 뼈 표면을 함께 압박하여 뼈 [43]결합을 촉진합니다.

치의학

SMAs의 적용 범위는 수년간 증가해왔으며, 주요 발전 분야는 치과입니다.한 가지 예는 치아에 일정한 치아 운동력을 발휘하기 위해 SMA 기술을 사용하는 치아 교정기가 널리 보급된 것입니다. 니티놀 아치 와이어는 1972년 치아 교정 의사인 George [44]Andreasen에 의해 개발되었습니다.이것은 임상 교정술에 대변혁을 일으켰습니다.Andreasen의 합금은 기하학적 프로그래밍으로 인해 주어진 온도 범위 내에서 팽창하고 수축하는 패턴 형상 기억을 가지고 있습니다.

하미트 D. 왈리아는 나중에 근관 파일을 만드는 데 이 합금을 사용했습니다.

진원성 떨림

진동 감소를 위한 종래의 능동적 제거 기술은 전기, 유압 또는 공압 시스템을 사용하여 장애와 반대 방향으로 물체를 작동시킵니다.그러나 이러한 시스템은 사람의 진동 주파수에서 큰 진폭의 전력을 생산하는 데 필요한 큰 인프라로 인해 제한됩니다.SMA는 휴대용 애플리케이션에서 효과적인 작동 방법으로 입증되었으며, 새로운 종류의 능동형 떨림 제거 [45]장치를 가능하게 했습니다.이러한 장치의 최근 예로는 Verily Life Sciences의 자회사인 Lift Labs가 개발한 Liftware 스푼이 있습니다.

엔진

Ridgway Banks가 개발한 Banks Engine을 포함하여 냉온수 저장고의 비교적 작은 온도 차이로부터 작동하는 실험적인 고체 상태 열 엔진이 1970년대부터 개발되었습니다.

공예품

부착물이 없는 팔찌에 사용할 수 있도록 원형의 작은 길이로 판매됩니다.

냉난방

독일 자를란트 대학의 과학자들은 회전하는 원통 주위를 감싼 니켈 티타늄(니티놀) 합금 와이어를 사용하여 열을 전달하는 원형 기계를 제작했습니다.실린더가 회전함에 따라 와이어가 "초탄성" 상태에서 언로딩 상태로 바뀌면서 한쪽에서 열이 흡수되고 다른 쪽에서 방출됩니다.Saarland University가 2019년에 발표한 기사에 따르면, 열이 전달되는 효율은 일반적인 히트 펌프나 [46]에어컨보다 더 높은 것으로 보입니다.

오늘날 사용되는 거의 모든 에어컨과 히트 펌프는 냉매의 증기 압축을 사용합니다.시간이 지남에 따라 이러한 시스템에 사용되는 냉매 중 일부는 대기 중으로 누출되어 지구 온난화의 원인이 됩니다.냉매를 전혀 사용하지 않는 이 새로운 기술이 경제적이고 실용적임이 입증된다면, [citation needed]기후 변화를 줄이려는 노력에 중대한 돌파구를 제공할 수도 있을 것입니다.

자재

다양한 합금이 형상 기억 효과를 나타냅니다.SMA의 변환 온도를 제어하기 위해 합금 구성요소를 조정할 수 있습니다. 일부 일반적인 시스템에는 다음이 포함됩니다(전면적인 목록은 결코 아님).

  • Ag-Cd 44/49 at.% Cd
  • Au-Cd 46.5/50 at.% Cd
  • Co-Ni-Al[47]
  • 코니가
  • Cu-Al-Be-X(X:Zr,B,Cr,Gd)
  • Cu-Al-Ni 14/14.5wt.% Al, 3/4.5wt.% Ni
  • Cu-Al-Ni-Hf
  • Cu-Sn 약 15 at.% Sn
  • Cu-Zn 38.5/41.5wt.% Zn
  • Cu-Zn-X (X = Si, Al, Sn)
  • Fe-Mn-Si
  • Fe-Pt. 약 25 at.% Pt
  • Mn-Cu 5/35 at.% Cu
  • 니페가
  • Ni-Ti 약 55-60wt.%Ni
  • Ni-Ti-Hf
  • Ni-Ti-Pd
  • 니엠가[48]
  • 니Mn가쿠
  • 니엠가코
  • Ti-Nb

참고문헌

  1. ^ Wilkes, Kenneth E.; Liaw, Peter K.; Wilkes, Kenneth E. (October 2000). "The fatigue behavior of shape-memory alloys". JOM. 52 (10): 45–51. Bibcode:2000JOM....52j..45W. doi:10.1007/s11837-000-0083-3. S2CID 137826371.
  2. ^ Cederström, J.; Van Humbeeck, J. (February 1995). "Relationship Between Shape Memory Material Properties and Applications". Le Journal de Physique IV. 05 (C2): C2-335–C2-341. doi:10.1051/jp4:1995251.
  3. ^ Hodgson, Darel E.; Wu, Ming H.; Biermann, Robert J. (1990). "Shape Memory Alloys". Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials. pp. 897–902. doi:10.31399/asm.hb.v02.a0001100. ISBN 978-1-62708-162-7.
  4. ^ Huang, W. (February 2002). "On the selection of shape memory alloys for actuators". Materials & Design. 23 (1): 11–19. doi:10.1016/S0261-3069(01)00039-5.
  5. ^ Sun, L.; Huang, W. M. (21 May 2010). "Nature of the multistage transformation in shape memory alloys upon heating". Metal Science and Heat Treatment. 51 (11–12): 573–578. Bibcode:2009MSHT...51..573S. doi:10.1007/s11041-010-9213-x. S2CID 135892973.
  6. ^ Mihálcz, István (2001). "Fundamental characteristics and design method for nickel-titanium shape memory alloy". Periodica Polytechnica Mechanical Engineering. 45 (1): 75–86.
  7. ^ Wu, S; Wayman, C (1987). "Martensitic transformations and the shape-memory effect in Ti50Ni10Au40 and Ti50Au50 alloys". Metallography. 20 (3): 359. doi:10.1016/0026-0800(87)90045-0.
  8. ^ Filip, Peter; Mazanec, Karel (May 1995). "Influence of work hardening and heat treatment on the substructure and deformation behaviour of TiNi shape memory alloys". Scripta Metallurgica et Materialia. 32 (9): 1375–1380. doi:10.1016/0956-716X(95)00174-T.
  9. ^ QADER, Ibrahim Nazem; KOK, Mediha; Dağdelen, Fethi; AYDOĞDU, Yıldırım (2019-09-30). ""A review of smart materials: researches and applications"". El-Cezeri Fen ve Mühendislik Dergisi. doi:10.31202/ecjse.562177. ISSN 2148-3736.
  10. ^ Courtney, Thomas H. (2000). Mechanical behavior of materials (2nd ed.). Boston: McGraw Hill. ISBN 0070285942. OCLC 41932585.
  11. ^ Otsuka, K.; Ren, X. (July 2005). "Physical metallurgy of Ti–Ni-based shape memory alloys". Progress in Materials Science. 50 (5): 511–678. doi:10.1016/j.pmatsci.2004.10.001. ISSN 0079-6425.
  12. ^ "Definition of a Shape Memory Alloy". smart.tamu.edu. Retrieved 2019-05-24.
  13. ^ a b K. Otsuka; C.M. Wayman, eds. (1999). Shape Memory Materials (PDF). Cambridge University Press. ISBN 0-521-66384-9.[페이지 필요]
  14. ^ Duerig, T.W.; Pelton, A.R. (1994). "Ti-Ni shape memory alloys". In Gerhard Welsch; Rodney Boyer; E.W. Collings (eds.). Materials Properties Handbook: Titanium Alloys. American Society for Metals. pp. 1035–48. ISBN 0-87170-481-1.
  15. ^ Shape memory alloys : modeling and engineering applications. Dimitris C. Lagoudas. New York: Springer. 2008. ISBN 978-0-387-47685-8. OCLC 272298744.{{cite book}}: CS1 메인 : 기타 (링크)
  16. ^ 형상기억합금 형상 교육 튜토리얼. (PDF) . 2011-12-04에 검색됨.
  17. ^ Kazuhiro Otsuka; Ren, Xiaobing (1997). "Origin of rubber-like behaviour in metal alloys". Nature. 389 (6651): 579–582. Bibcode:1997Natur.389..579R. doi:10.1038/39277. ISSN 1476-4687. S2CID 4395776.
  18. ^ Qian, Hui; Li, Hongnan; Song, Gangbing; Guo, Wei (2013). "Recentering Shape Memory Alloy Passive Damper for Structural Vibration Control". Mathematical Problems in Engineering. 2013: 1–13. doi:10.1155/2013/963530. ISSN 1024-123X.
  19. ^ Shaw, J.; Kyriakides, S. (1995). "Thermomechanical aspects of NiTi". Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 43 (8): 1243–1281. Bibcode:1995JMPSo..43.1243S. doi:10.1016/0022-5096(95)00024-D.
  20. ^ Chowdhury, Piyas; Sehitoglu, Huseyin (2017). "A revisit to atomistic rationale for slip in shape memory alloys". Progress in Materials Science. 85: 1–42. doi:10.1016/j.pmatsci.2016.10.002. ISSN 0079-6425.
  21. ^ a b Ma, J.; Karaman, I.; Noebe, R. D. (2010). "High temperature shape memory alloys". International Materials Reviews. 55 (5): 257. Bibcode:2010IMRv...55..257M. doi:10.1179/095066010x12646898728363. S2CID 218662109.
  22. ^ Tanaka, Y.; Himuro, Y.; Kainuma, R.; Sutou, Y.; Omori, T.; Ishida, K. (2010-03-18). "Ferrous Polycrystalline Shape-Memory Alloy Showing Huge Superelasticity". Science. 327 (5972): 1488–1490. Bibcode:2010Sci...327.1488T. doi:10.1126/science.1183169. ISSN 0036-8075. PMID 20299589. S2CID 9536512.
  23. ^ Frankel, Dana J.; Olson, Gregory B. (2015). "Design of Heusler Precipitation Strengthened NiTi- and PdTi-Base SMAs for Cyclic Performance". Shape Memory and Superelasticity. 1 (2): 162–179. Bibcode:2015ShMeS...1...17F. doi:10.1007/s40830-015-0017-0. ISSN 2199-384X.
  24. ^ San Juan, J.; Nó, M.L. (2013). "Superelasticity and shape memory at nano-scale: Size effects on the martensitic transformation". Journal of Alloys and Compounds. 577: S25–S29. doi:10.1016/j.jallcom.2011.10.110.
  25. ^ Kauffman, George & Isaac Mayo (October 1993). "Memory Metal" (PDF). ChemMatters: 4–7.
  26. ^ 윌리엄 J의 구술사 뷸러. wolaa.org
  27. ^ M. Jani, J.; Leary, M.; Subic, A. (2016). "Designing shape memory alloy linear actuators: A review". Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 28 (13): 1699. doi:10.1177/1045389X16679296. S2CID 138509568.
  28. ^ M. Jani, J.; Leary, M.; Subic, A.; Gibson, Mark A. (2014). "A review of shape memory alloy research, applications and opportunities". Materials and Design. 56 (5): 1078–1113. doi:10.1016/j.matdes.2013.11.084.
  29. ^ Lara-Quintanilla, A.; Hulskamp, A. W.; Bersee, H. E. (October 2013). "A high-rate shape memory alloy actuator for aerodynamic load control on wind turbines". Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 24 (15): 1834–1845. doi:10.1177/1045389X13478271. S2CID 110098888.
  30. ^ Huang, S; Leary, Martin; Attalla, Tamer; Probst, K; Subic, A (2012). "Optimisation of Ni–Ti shape memory alloy response time by transient heat transfer analysis". Materials & Design. 35: 655–663. doi:10.1016/j.matdes.2011.09.043.
  31. ^ Leary, M; Schiavone, F; Subic, A (2010). "Lagging for control of shape memory alloy actuator response time". Materials & Design. 31 (4): 2124–2128. doi:10.1016/j.matdes.2009.10.010.
  32. ^ Miyazaki, S.; Kim, H. Y.; Hosoda, H. (2006). "Development and characterization of Ni-free Ti-base shape memory and superelastic alloys". Materials Science and Engineering: A. 438–440: 18–24. doi:10.1016/j.msea.2006.02.054.
  33. ^ M. Jani, J.; Leary, M.; Subic, A. (2016). "Fatigue of NiTi SMA-pulley system using Taguchi and ANOVA". Smart Materials and Structures. 25 (5): 057001. Bibcode:2016SMaS...25e7001M. doi:10.1088/0964-1726/25/5/057001. S2CID 138542543.
  34. ^ Mabe, J. H.; Calkins, F. T.; Alkislar, M. B. (2008). "Variable area jet nozzle using shape memory alloy actuators in an antagonistic design". In Davis, L. Porter; Henderson, Benjamin K; McMickell, M. Brett (eds.). Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies 2008. Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies 2008. Vol. 6930. pp. 69300T. doi:10.1117/12.776816. S2CID 111594060.
  35. ^ a b Lagoudas, D. C.; Hartl, D. J. (2007). "Aerospace applications of shape memory alloys". Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering. 221 (4): 535. doi:10.1243/09544100jaero211.
  36. ^ Della Corte, C. (2014) 첨단 베어링 응용을 위한 새로운 초탄성 재료.
  37. ^ Webster, J. (2006). "High integrity adaptive SMA components for gas turbine applications". In White, Edward V (ed.). Smart Structures and Materials 2006: Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies. Smart Structures and Materials 2006: Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies. Vol. 6171. pp. 61710F. doi:10.1117/12.669027. S2CID 108583552.
  38. ^ 라라 프로젝트 – G1과 G2.Lararobot.de .2011-12-04년 회수.
  39. ^ "Ultra-compact: valves with shape memory actuators - Healthcare industry".
  40. ^ Duerig, T.W.; Melton, K.N.; Proft, J.L. (1990), "Wide Hysteresis Shape Memory Alloys", Engineering Aspects of Shape Memory Alloys, Elsevier, pp. 130–136, doi:10.1016/b978-0-7506-1009-4.50015-9, ISBN 9780750610094
  41. ^ Song, G.; Ma, N.; Li, H. -N. (2006). "Applications of shape memory alloys in civil structures". Engineering Structures. 28 (9): 1266. doi:10.1016/j.engstruct.2005.12.010.
  42. ^ Karimi, Saeed; Konh, Bardia (2019). "3D Steerable Active Surgical Needle". 2019 Design of Medical Devices Conference. doi:10.1115/DMD2019-3307. ISBN 978-0-7918-4103-7. S2CID 200136206.
  43. ^ Mereau, Trinity M.; Ford, Timothy C. (March 2006). "Nitinol Compression Staples for Bone Fixation in Foot Surgery". Journal of the American Podiatric Medical Association. 96 (2): 102–106. doi:10.7547/0960102. PMID 16546946. S2CID 29604863.
  44. ^ 안드레아센 박사의 부고.뉴욕 타임즈 (1989-08-15).2016년 회수.
  45. ^ Pathak, Anupam (2010). The Development of an Antagonistic SMA Actuation Technology for the Active Cancellation of Human Tremor (Thesis). hdl:2027.42/76010.
  46. ^ Saarland University (March 13, 2019). "Research team uses artificial muscles to develop an air conditioner for the future". phys.org.
  47. ^ Dilibal, S.; Sehitoglu, H.; Hamilton, R. F.; Maier, H. J.; Chumlyakov, Y. (2011). "On the volume change in Co–Ni–Al during pseudoelasticity" (PDF). Materials Science and Engineering: A. 528 (6): 2875. doi:10.1016/j.msea.2010.12.056.
  48. ^ Hamilton, R. F.; Dilibal, S.; Sehitoglu, H.; Maier, H. J. (2011). "Underlying mechanism of dual hysteresis in NiMnGa single crystals". Materials Science and Engineering: A. 528 (3): 1877. doi:10.1016/j.msea.2010.10.042.

외부 링크

Wikimedia Commons의 Shape-memory materials 관련 매체

Veritasium - NASA가 바퀴를 어떻게 재창조했는가