У цій публікації в блозі ми розглянемо, як працюють сплави з пам’яттю форми та як вони використовуються в різних галузях промисловості.
Сплави з пам’яттю форми були предметом багатьох захоплюючих фільмів, особливо з серії «Термінатор». У «Термінаторі 2» Т-1000 — це машина з рідкого металу, яка має здатність змінювати форму та самовідновлюватися. Хоча метал у фільмі описується як «рідкий метал», насправді це технологія, яка все ще досліджується. Однак саме уява цієї футуристичної технології надихає нас на розробку розумних матеріалів, таких як сплави з пам’яттю форми.
Загалом, металам притаманна еластичність, тобто вони можуть деформуватися під дією зовнішньої сили в своїх межах, а потім повернутися до своєї первісної форми, коли силу припинено. Ця деформація називається «пружною деформацією». Однак, якщо прикласти силу, що перевищує межу пружності, метал не повернеться до своєї початкової форми і буде остаточно деформований. Це називається «пластичною деформацією». При механічній обробці металів можна використовувати цю пластичну деформацію, щоб надати металу бажану форму. Наприклад, подовження та подовження металу, його довбання та стоншення — усі операції, які використовують принцип пластичної деформації. Однак існує інноваційний матеріал, який виходить за рамки цих традиційних металів: сплави з пам’яттю форми.
Як випливає з назви, сплави з пам’яттю форми – це метали, які «пам’ятають» певну форму. Вони мають здатність повертатися до своєї запам’ятованої форми при певних температурах. Наприклад, якщо ви зігнете прямий брусок зі сплаву з пам’яттю форми в котушку, а потім помістите його в гарячу воду, він випрямиться, ніби запам’ятав свою початкову форму. Завдяки цим властивостям сплави з пам’яттю форми набувають популярності в різних галузях промисловості.
Сплави з пам'яттю форми працюють завдяки їх унікальному фазовому перетворенню. Вони являють собою алотропи з двома фазами: при високих температурах вони залишаються в аустенітній фазі та змінюються на мартенситну фазу, коли охолоджуються. Під час цього процесу атоми в металі рухаються за регулярною схемою, що дозволяє їм дуже швидко пройти фазове перетворення, що дає їм можливість повернутися до своєї початкової форми. Зокрема, сплави, що складаються з титану та нікелю, є найбільш типовими сплавами з пам’яттю форми, а сплави, виготовлені шляхом змішування цих двох металів у співвідношенні 50:50, мають нові властивості, які виходять за межі властивостей окремих металів.
Однією з найважливіших характеристик сплавів з пам'яттю форми є їх пружність, здатність повертатися до початкової форми при певній температурі після деформації зовнішніми силами. Як цю стійкість можна використати в реальному житті? Одним із прикладів є костюми пожежників. Розплавлене залізо, виготовлене зі сплаву з пам’яттю форми, прикріплюється до протипожежного костюма в стиснутому стані при кімнатній температурі, але під впливом високих температур, наприклад на місці пожежі, розплавлене залізо розширюється та утворює повітряний прошарок усередині костюма. Цей повітряний прошарок створює тепловий бар’єр, який допомагає захистити пожежників. Подібним чином у холодному середовищі розплавлене залізо може розширюватися, допомагаючи утримувати тепло всередині.
Поширеним прикладом сплавів з пам'яттю форми, які ми бачимо щодня, є оправи для окулярів. Якщо оправа окулярів зігнута або деформована, окуляри зі сплаву з пам’яттю форми можна нагріти, щоб відновити їх первісну форму. Як бачите, сплави з пам'яттю форми знаходять практичне застосування в різних сферах.
Перше практичне використання сплавів з пам'яттю форми почалося в 1963 році, коли Національне управління з аеронавтики і дослідження космічного простору (НАСА) створило антену для поверхні Місяця. З тих пір сплави з пам'яттю форми стають все більш популярними в широкому діапазоні застосувань, включаючи механічні частини, медичні пристрої, нижню білизну, одяг і транспортні засоби. Наприклад, у галузі медицини стенти, виготовлені зі сплавів із пам’яттю форми, використовуються для розширення кровоносних судин і допомоги під час хірургічних процедур. Зокрема, сплави з пам’яттю форми також стали популярними в аерокосмічній промисловості та галузях моди, які вимагають надлегких виробів через їх стійкість і легкий титан як основну сировину.
Однак у розробці та комерціалізації сплавів з пам'яттю форми залишається кілька технічних проблем. Наприклад, нікель-титанові сплави володіють чудовими властивостями, але важко піддаються механічній обробці та зварюванню. Щоб вирішити цю проблему, активно досліджуються нові сплави з пам’яттю форми з властивостями, подібними до нікель-титанових сплавів, щоб зменшити витрати виробництва за рахунок використання недорогої сировини, такої як мідь, цинк і алюміній. Якщо ці розробки триватимуть, очікується, що в майбутньому сплави з пам’яттю форми будуть використовуватися в більшій кількості галузей промисловості.
